程控放大器的设计与实现

程控放大器的设计与实现摘要本文介绍了一种可通过程序改变增益的放大器。它与ADC相配合，可以自动适应大范围变化的模拟信号电平。系统以89S51单片机作微处理器，运用NE5532芯片组成运放电路，采用CD4052芯片担任增益切换开关，通过软件控制开关的闭合或断开来达到改变电路的增益。文章首先对系统方案进行论证，然后对硬件电路和软件设计进行了说明，最后重点阐述了系统的调试过程，并且对调试过程中遇到的问题以及解决方案进行了详细说明。该系统设计达到了预期要求，实现了最大放大60db的目的。关键词程控放大器；运算器放大器；单片机；增益TheDesignandRealizationofProgram-ControllAmplifierAbstractThisarticleintroducesaamplifierwhichchangesthegainthroughthesoftware.ItcoordinateswithADCandadaptsthesimulatedsignallevelwithwiderangechangeautomatically.Thesystemusesthe89s51SCMasthecore.TheNE5532chipcomposestheoperationalcircuitandtheCD4052chipcomposesthegainswitch.Thegainofthecircuitischangedbysoftwarewhichcancontrolswitchclosedordisconnect.Thearticlefirstdemonstratesthesystemplan,thenintroducesthehardwareandthesoftware,finallyexplainsthedebuggingprocessofthesystemwithemphasis.Italsoespeciallyanalogizestheprobleminthedebuggingprocessandtheresolutions.Thissystemdesignhasachievedanticipativerequestandrealizedenlarged60dbmostgreatlythegoal.KeywordsProgram-controlledamplifier;operationalAmplifier;SCM;gain1前言在计算机数控系统中,模拟信号在送入计算机进行处理前,必须进行量化,即进行A/D转换[1]。进行A/D转换之前,必须考虑A/D转换器的分辨率和模拟输入电压量程这两个问题。在一些特殊的应用中,我们常希望输入信号的幅值接近A/D的输入电压量程的上限。工程上常采取改变放大器增益的方法对幅值大小不一的信号进行放大。在计算机数控系统中,为实现不同幅度信号的放大,往往不希望、甚至也不可能利用手动方法来实现增益变换。利用程控放大器可以很好地解决上述问题。程控放大器是根据使用要求由程序控制改变增益的放大器,具有控制方便,线性度高,稳定可靠等优点[2]。使用程控放大器改变模拟输入信号的增益,并配合A/D的使用,可允许输入的模拟信号在较大范围内动态变化,达到了提高A/D的输入电压量程的目的,也相当于提高了A/D的分辨率。随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采取数字化和智能化方向的发展[3]。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处理电路组成。其中后端数据处理电路通常采用高精度A/D和高速单片机，以保证仪表的精度和速度要求。对于前端电路，由于传感器输出信号的幅度和驱动能力均比较微弱，必须加接高精度的测量放大器以满足后端电路的要求；另一方面，传感器在不同测试中输出信号的幅度可能相差很多，传统的处理方法是对放大器增加手动档位调节以保证后端的A/D采集输入端的信号在一定幅度内，从而2保证整个仪表的测量精度。人工档位调节增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性，同时档位调节通常采用机械转扭增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。是否可由单片机自动选择量程档位呢？答案是肯定的，传统的方法是采用可软件设置增益的放大器。1设计任务与要求设计并制作一个程控放大器。通频带10Hz-150KHz，输入阻抗大于500KΩ，最大输出10VPP。增益可调范围0-60db，每10db步进。放大倍数可预置，可修改，并用数码管显示。增益误差不大于2db。2系统方案论证程控放大器的基本电路和一般放大器电路类似,只是不同电路其反馈网络以及期中的电阻阻值是不同的,下面就改变增益的几种常用方法作一些探讨。2.1方案一同相型程控放大器图2.1同相放大器的基本电路同相型放大器的基本电路如图2.1所示。放大器的增益G只取决于反馈电阻Rf和电阻R1。3由于运算放大器的输入阻抗很高,尤其对于场效应输入型运算放大器,输入阻抗可达1012Ω,因而开关的导通电阻对放大器增益的影响可以忽略不计[4]。在图2.1中,利用运算放大器的高开环增益特性和负反馈,开关的导通电阻对增益的影响基本上得以消除。该类电路的优点是开关导通电阻对电路的增益影响小,因此特别适用于采用模拟电子开关控制的场合。电路的不足之处是放大器增益不能小于1,因此不能对输入信号进行衰减,解决办法是在前级加入无源衰减网络。2.2方案二反相型程控放大器图2.2反相型程控放大器反相型程控放大器的基本电路如图2.2所示。在图中只需改变Rf或Ri的阻值就可以改变放大器的增益。电路中,切换开关SW1～SWn可以使用模拟电子开关或继电器,通过软件控制开关的闭合或断开,用于选择不同的输入电阻或反馈电阻来达到改变电路的增益[5]。该类电路的优点:放大器增益可大于1,也可小于1或等于1,因此,既可以对输入的小信号进行放大,也可以对输入的大信号进行衰减,因此电路的动态适应范围很大。但该方法的缺点也是显而易见的:由于切换开关与输入电阻或反馈电阻串联,开关的导通电阻将影响放大器的增益,特别4是在使用模拟电子开关时尤其明显。解决方法是将放大器的反馈电阻Rf和输入电阻Ri尽量取大一些,也可先测出开关的导通电阻,再对电路中的Rf~Rfn或Ri1~Rin作适当的修正。另外,所示的放大器的输入阻抗不是固定的,因此最好加入隔离放大器以减少对前级信号源的影响。该图所示电路，采用集成化的模拟开关担任增益切换开关，功耗小，体积小，可以由TTL或CMOS电平直接驱动，可进行放大和衰减。同样，模拟开关的导通电阻影响放大倍数，模拟开关可以使用CMOS系列的CD4066，CD4051~CD4053等等，也可以使用MAX75XX系列或MAX301~309，331~339，351~359系列的模拟开关。当放大器的输入信号正负都有时，模拟开关必须双电源供电。2.3方案三DAC型程控放大器DAC型程控放大器由DAC和运算放大器组成,其原理是利用DAC的乘法功能实现可变增益控制[6]。DAC内部主要由R-2R电阻网络和模拟电子开关构成,例如DAC0832、AD7520等电流输出型芯片。此类程控放大器的优点:由于DAC中的R-2R电阻网络是采用精密光刻技术生产出来的,电阻的误差较小,温度系数也比一般的金属膜电阻低得多,因此构成的程控放大的增益误差较小;另外，只要取合适的输入电阻Ri或反馈电阻Rf,电路和增益可以大于1,也可小于1,也可以等于1,甚至为0。电路的缺点:由于DAC内部的分布电容影响,电路的频响不是太理想,电路增益也不容易做得较大;另外电路的信噪比也较差。另外，虽5然市场上已有单片集成程控放大器芯片,如AD526、PGA204等产品,但它们的价格昂贵,放大的增益用户无法自行改变。3硬件电路设计总结上述三种方案，我决定选用芯片NE5532实行三级放大，用CD4052模拟开关进行切换选择，单片机进行控制。系统分两大模块，一是控制模块，一是放大模块。图3.1是硬件电路框图。图3.1硬件电路框图如图所示，输入信号先经过设置为电压跟随器的晶体管，提高输入阻抗。然后进行一级放大，二级放大，三级放大。再由单片机控制放大倍数，选通模拟开关以及运放，关将结果送数码管显示。3.1控制模块图3.2为控制模块电路图。控制模块主要由单片机组成，键盘扫描电路和显示电路则分别接在单片机的四个端口。在P0口，接共阳电压跟随器一级运放二级运放三级运放单片机控制部分键盘显示信号输入信号输出6的数码管，P2.4~P2.7接晶体管，控制数码管的位选端。P2.0接程序指示灯。键盘扫描接在P3口。P1口分别接入一6脚排插用来连接模拟开关和6线下载器。复位电路采用按键复位。图3.2控制模块3.1.1AT89S51:MCS-51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装，有40个引脚[7]。（1）电源引脚。VCC正常运行和编程校验时为5V电源，Vss为接地端。（2）I/O总线。P0.0~P0.7（P0口），P1.0~P1.7(P1口)，P2.0~P2.(P2口)，P3.0~P3.7（P3口）为输入/输出引线。（3）时钟。XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相器的输入端，也是内部时钟发生器的输入端。（4）控制总线。RST：复位输入信号，当该引脚上出现2个机7器周期以上的高电平时，可实现复位操作，此引脚为掉电保护后备电源之输入引脚。3.1.2键盘扫描本实验键盘扫描接为4X4矩阵，用反转法处理线路。反转法：将行线作为输出线，列线作为输入线。行线输出全“0”信号，读入列线的值。然后将行线和列线的输入输出关系互换，并且将刚才读到的列线值从行线的端口输出，再读取行线的输入值[8]。键盘扫描接在单片机P3口。根据反转法原理，P3.0~P3.3作为行线，P3.4~P3.7作为列线，即低位为行，高位为列。先置低位为0，读高位值；再将行线与列线的关系互换，置高位为0，读低位值。比较前后两值，即可判断哪个键按下。3.2放大模块图3.3放大模块图3.3为放大模块电路。NE5532一共8脚。3脚为同相输入端，2脚为反相输入端。8、4脚分别接正负12V电源。反馈网络由模拟8开关CD4052组成。CD4052共16脚。16脚接+5V，6、8脚接地，7脚接—5V，9、10脚接单片机控制信号。3脚接运放反馈量，1、2、5脚接入运放的负反馈，与滑动变阻器构成反馈网络。其中，其中1脚将输出电压全部反馈到反相输入端；2脚接入2.16K的电阻，可控制放大10dB，5脚接入9K的电阻，可控制放大20dB。3.2.1NE5532简介NE5532是高性能低噪声运放，与很多标准运放（如1458）相似，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。图3.4是NE5532内部结构图。图3.4NE5532芯片图（1）小信号带宽：10MHz；（2）输出驱动能力：600Ω，10V；9（3）输入噪声电压：5nV/√HZ（典型值）；（4）DC电压增益：50000；（5）AC电压增益：10KHz时2200；（6）电源带宽：140KHz；（7）大电源电压范围：±3～±20V虚短路：指集成运放的两个输入端电位无穷接近，但又不是真正短路。虚断路：从集成运放两个输入端看进去相当于断路[9]。3.2.2CD4052简介CD4052是一个双4选一的多路模拟选择开关。图3.5是CD4052芯片管脚图，图3.6是CD4052内部结构图。图3.5CD4052芯片管脚图10图3.6CD4052内部结构图其真值表如表3.1所示表3.1CD4052真值表INHIBITBA0000x，0y0011x,1y0102x,2y0113x,3y1XXNone应用时可以通过单片机对A/B的控制来选择输入哪一路，例如：需要从4路输入中选择第二路输入，假设使用的是Y组，那么单片机只需要分别给A和B送1和0即可选中该路，然后进行相应的处理。注意第6脚为使能脚，只有为0时，才会有通道被选中输出。4软件设计4.１程序设计思路在实际设计中，本着程序简单，高效的原则，在初期设计过程中，11从复杂