单片机自动增益放大器

1自动增益放大器摘要：本系统有四个模块组成：程控放大器，峰值检测，液晶。程控放大器采用两片AD603接连组成，放大电压增益可达50dB，增益0.2v步进可调，电压增益误差不大于5%。放大器输出无明显失真。峰值测量采用真有效值采样芯片AD637先进行有效值采样，然后通过PCF8951进行AD采样，最后再转换成峰值，液晶采用LCD1602，系统以stc89c51单片机为控制核心，经测试验证，系统运行稳定，操作方便。关键词：程控放大器，峰值检测，AD采样，单片机。Abstract：Thissystemhasthreemodules:SPCamplifiers,peakdetection,liquidcrystal.BytwoAD603program-controlledamplifieramplificationvoltagegainone,cangain1dbstepping0.2v,adjustable,voltagegainerrorisnotmorethan5%.Amplifieroutputwithoutobviousdistortion.MeasuretrueRMSpeakbysamplingAD637chiponsampling,thenPCF8951througheffectivesampling,finallytoADconvertpeak,LCDUSESlcd1602managementsystemwithstc8951SCMascontrolcoreandtested,thesystemrunsstably,convenientoperation.Key:SPCamplifierPeakdetectionADsamplingchipSCM1.方案的论证与比较1.1设计需求1.1.1基本要求（1）放大器可以从信号发生器或音乐播放器输入音频信号（50Hz~10KHz），输出可以带200Ω负载或驱动8Ω喇叭（2~5W）。（20分）（2）当输入信号幅度在10mV~5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V±0.2V（有效值）内，波动越小越好。（30分）（3）可以显示输入信号幅度和频率。（10分）（4）能够在1V~3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。（15分）（5）能够根据环境噪声调整自动调节放大器输出幅度。（15分）（6）其它发挥设计。（10分）（7）设计报告。（20分）1.1.2发挥部分2（1）输出电压步距可通过按键调整：0.2v、0.3v、0.4v；（3）显示当前放大输出。（4）其它。1.2总体方案方案一：选用结电容小，fT高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器，而且成本较低。但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，影响系统总体性能。另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。方案二：使用专用的集成宽带放大器。如TITHS6022、NE592等集成电路。通过外接少数的元件就可以满足本题目要求，甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标，但这种放大器难以购买，价格较贵，灵活性不够，不易满足题目扩展功能要求。方案三：市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。这些集成运算放大器有的通频带宽，有足够的增益，有的可以输出较高电压，使用方便，有的甚至可以实现增益可调及AGC的功能。总体上硬件的实现和调试较为简单，所以，我们决定采用多个集成运放级连实现本题目1.3增益控控制：方案一：利用电阻网络和拨码开关，手动调节增益，可实现增益控制，但硬件规模较大，控制繁琐且人机界面欠佳，另外，利用电阻网络实现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻，这种电阻价格昂贵且不易购买。方案二：可以用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。这种方案同样存在方案一电阻网络的缺点，同时，如果使用模拟开关，其导通电阻较大，而且各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。方案三：由单片机、D/A转换器和可编程增益放大器AD603构成压控放大器。单片机通过对控制D/A输出直流电压来控制AD603的内部电阻衰减网络，实现增益调节。其外围元件少，电路简单，由于AD603带宽最大能达到90MHz，增益范围有40dB，增益精度在±0.5dB,可精确实现增益控制，可以实现题目发挥部分减小增益步进间隔的要求。所以本部分采用该方案。1.4峰值检测：方案一：采用分段逼近式有效值检波电路。该方法示值虽然是被测电压的有效值，但由于放大器动态范围的限制，对于被测信号会产生一定的波形误差，并且硬件电路搭接复杂，且稳定性能不好。方案二：采用真有效值转换芯片AD637和高速A/D芯片PCF8951测量市电有效值。将从AD603输出的信号通过AD637转换成直流信号后接入PCF8951，利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到峰值。利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，3硬件电路实现简单，可减小硬件体积，所以本部分采用该方案。1.5处理器选择：通过实验测试我以前买的stc89c51可以满足要求，为了节约成本就选择它为微处理器2.系统设计2.1理论分析与计算本系统以可变增益增益放大器AD603为核心，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。由于题目的发挥部分要求电压的输出范围2V～2.5V，对于10mv的小信号，则至少要将信号放大200倍，而且输入信号的频率范围为10Hz～500KHz，故采用两片AD603对信号进行放大，单片AD603增益公式为：DB=40*Vo+Go；Vo为1、2脚之间的电压，范围为-500mv—500mv，Go根据5、7脚的不同连接方式Go可取10dB,20dB,30dB。本系统将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，－10～＋30dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到－20dB～＋60dB。可满足题目要求的电压放大和频率的要求，当AD603的增益为46dB的时候电压可以放大200倍，当AD603的增益为48dB的时候电压可以放大250倍.所以只要正确的控制1、2脚之间的电压就能实现电压的不同放大倍数，从而满足题目要求。2.2总体设计根据带宽、电压的放大倍数，系统采用两级AD603程控增益放大器，增益可达60dB，能过满足题目的要求，而且AD603能够满足带宽的要求，有效值测量可有多种实现方案,但选用测量有效值的专用芯片AD637,则电路简洁方便，而且精度较高。由于系统模块所用IO口过多，一般51单片机不能够满足需求，故采用功能较强的C8051f020单片机作为主控机器。通过键盘进行增益和档位的调节，而液晶显示增益和峰值。系统的整体框图如下:AD603小信号采集与放大AD637有效值检测PCF8951AD转换42.3单元电路电路模块设计2.3.1自动增益电路本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路转化而来。在输出级加入检波电路，检出直流电压送入A/D采样，经单片机计算后控制D/A输出，此电压加到AD603的增益控制端，从而控制AD603的增益达到使输出电压恒定的目的。AD603的简化原理框图如图2-3-1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。而且，如果AD603的增益用dB表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。图2-1-1STC89C51LCD1602液晶显示屏PCF8951DA转换控制5图2－3－1AD603原理框图中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，带宽在9MHz～90MHz之间为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，我们使用两片AD603级联作为中间级放大（图2－3－2）。如果将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，－10～＋30dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到－20dB～＋60dB。可满足题目要求的电压放大。6图2－3－2级联AD603电路图两级AD603采用＋5V，－5V电源供电，两级的控制端GNEG都接地，另一控制端GPOS接D/A输出，从而精确地控制AD603的增益。AD603的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为－500mv~＋500mv，增益调节范围为40dB，当步进1dB时,控制端电压需增大ΔVG＝40)500(500＝25mv，由于两级AD603由同一电压控制，所以，步进1dB的控制电压变化幅度为25mv/2=12.5mv。由于AD603的控制电压需要比较精确的电压值。我们使用12位的C8051F020的内部DA，可满足指标要求。另外，通过A/D采样输出信号，由单片机计算后，再去调整D/A输出电压，就可实现AGC功能，扩大通频带.具体电路如下：GPOS1GNEG2VINP3COMM4FDBK5VNEG6VOUT7VPOS8*ad603GND2.2uFC?CapPol10.1uFC?Cap1000PFC?Cap+5V-5VGPOS1GNEG2VINP3COMM4FDBK5VNEG6VOUT7VPOS8*ad603+5V-5V12J112J2GNDGND2.2uFC?CapPol10.1uFC?CapC?VIN12J3GNDJ32.3.1峰值检测与DA/AD转换峰值检测是利用真有效值芯片AD637先进行有效值采样然后通过PCF8951进行AD采样把有效值采样回来给单片机，再通过单片机进行数值处理把有效值转换成峰值并计算增益通过pcf8951DA输出到AD603增益控制端，具体电路如下：7AIN01AIN12AIN23AIN34A05A16A27VSS8SDA9SCL10OSC11EXT12AGND13Vref14AOUT15VDD16*PCF8951GNDVCC0.1uFC?CapGNDSDASCLOSCGND0.1uFC?CapGNDBUFIN1NC2COM3OFFSET4CS5DIN6DB7NC8NC9CAV10VOUT11-VS12+VS13NC14VIN15BUFOUT16*AD637GND+5V-5V50KR1+5V-5VVINVOUTR250K10uFC?CapPol112J2GND12J3GND2.3.2功率放大部分：考虑到成本与实际效果功放采用TAD2822来实现，具体电路如下所示：12J3GND87651234*P?10KR?Res210KR?Res2470uFC?100uFC?CapSemi100uFC?CapSemiGND470uFC?+5V0.1uFC?47R?0.1uFC?47R?200R?200R?GND*l喇叭*l喇叭123456六角开关2.3.3电源部分：本系统运放使用正负5V电源给单片机系统工作，为了能给系统提供稳定的电源，对市电变压后进行整流，滤波，稳压得到系统工作电源。电路如下：8此部分电路比较典型，采用通常使用的桥式全波整流，大电容滤波，集成三端固定稳压片稳压。2.3.3显示部分本系统用LCD1602显示，电路图如下：GND+5GNDVCCVLRSRWE7891011121314BGVCCBGGND*LCD1602*1kGNDC?104C?10412345678P?+53.系统功能测试3.1测试使用仪器Agilent33250A函数信号发生器TektronixTDS2012数字示波器SS7200。3.2测试结果完整性及结果分析基础部分在以下输入电压(Vpp)和频率下,手动调节输出范围在10mV-5mV10mV/10