电压可控放大器系统硬件电路的设计.docx

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电压可控放大器系统硬件电路的设计

摘　要

电压可控放大器是随着数字技术发展起来的一种新概念放大技术。

由于电压可控放大器增益可数字化调节，因此在工业控制、消费电子以及数字通信领域有着广阔的应用前景。

电压可控放大器研究所涉及的频率范围从直流到射频，十分宽泛。

但由于经费和实验条件的限制，本文仅以频率小于110KHz的正弦小信号为研究对象，详细介绍了一种实现方便、安全可靠的电压可控放大器硬件电路的设计方法。

本系统主要由放大器单元、自动切换单元、微控制器单元和人机接口单元组成。

放大器单元主要由精密仪表放大器AD620组成，完成对预定频带的预定倍数的放大；自动切换单元主要由继电器、三极管和电阻网络组成，完成对预定放大倍数的自动选通；微控制器单元和人机接口配相应的软件完成数字化控制。

系统的主要实现了对小于110KHz的正弦小信号的无失真10倍放大；小于100KHz的正弦小信号的无失真50倍、100倍的放大；小于40KHz的正弦小信号的无失真的200倍的放大。

这些放大器倍数以及频段通过键盘输入，由MCU自动选通。

在这个频段的研究基本能够满足大多数工业控制、消费电子、低频信号采样等的需求。

关键词

电压可控放大器；正弦小信号；单片机继电器

一、　总体设计方案

　　1、系统概述

本系统是以单片机为控制单元，键盘为输入设备，图形点阵液晶显示器为输出设备，通过键盘输入所需放大倍数。

单片机读取相应放大倍数后按一定算法自动把输入的数据处理后重新刷新显示到屏幕上，同时在相应的输入输出口上输出控制数据。

这些控制数据就控制相应的自动控制部分，自动切换放大倍数。

当完成一次操作后，单片机就进行一些初始化，为下一次的操作做准备。

系统详细的工作过程描述如图1-1所示。

图1-1系统详细的工作过程描述

二、　系统硬件电路的设计

　　1、　概述

在许多诸如嵌入式设计、数据采集系统设计、A/D转换、通信基站、个人消费电子产品中，电压可控放大器的应用非常广泛，电路的集成度越高，系统的可靠性就越强就越有利于占有市场。

于是我们考虑低成本、高可靠性的前提下，选择一些外围电路简单、应用方便的芯片。

硬件整机原理图见论文附录一。

　　2、　放大器的设计

（1）　放大器电路部分

放大器电路部分主要由精密仪表放大器AD620，直流转换芯片MC34063组成。

仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中的电阻R与Rx需在放大器的电阻适用范围內。

由于可以固定电阻R，所以我们可以只调整Rx来调整放大增益值，其关系如式：

仪表放大电路的构成如图2-1所示。

图2-1仪表放大电路的构成

在计算放大倍数时不是完全没有限制的。

在应用时必须注意每个放大器的饱和现象（放大器的最大输出电压）。

AD620是众多仪表放大器中的一种。

它使用方便，价格合理且自身特性完全符合本文的设计要求。

AD620的频率-增益特性图如图2-2所示。

图2-2AD620频率特性图

AD620是只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1000的低功耗、高精度仪表放大器。

它体积小，为8管脚的SOIC或DIP封装；供电电源范围为±2.3V～±18V，最大供电电流仅为1.3mA。

AD620的结构图如图2-3所示。

图2-3AD620的结构图

AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为50μV，最大

输入失调电压漂移为1μV／℃，最大输入偏置电流为2.0nA。

G＝10时，其共模抑制比大于93dB。

在1KHZ处输入电压噪声为9nV，在0.1HZ～10HZ范围内输入电压噪声的峰－峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.11pA。

G＝100时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15μs。

AD620的增益设置十分方便，只用改变一个外部电阻的阻值就可以了。

AD620的增益计算如式所示：

AD620的应用（见图3-4）非常简便，只需用在1脚和8脚之间连接一个电阻就可以了。

AD620本来是差模信号放大器，但是如果在2脚和接地之间连接一个100KΩ的电阻和0.1μF的电容就可以放大单端信号了。

同时在正输入端需连接一个耦合电容。

本例中在1脚和8脚之间连接一个电位器，通过调节电位器观察放大倍数的变化就能直观的了解到AD620易于控制的特性。

AD620应用电路如图2-4所示。

图2-4AD620应用电路

注意：

AD620的这种应用需正负电源供电。

（2）　负电源电路部分

负电源电路部分主要由DC-DC转换芯片MC34063及外围电路构成。

负电源电路部分的核心元件是MC34063，它是一种价格低廉的单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。

它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式，具有以下特点：

1、能在3.040V的输入电压下工作。

2、带有短路电流限制功能。

3、低静态工作电流。

4、输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）。

5、输出电压可调。

6、工作振荡频率从100HZ至100KHZ。

7、可构成升压降压或反向电源变换器。

由于有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5A，内部线路包由参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。

参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的频率由3脚的外接定时电容决定，开关晶体管由比较器的反相输入端和振荡器相连的逻辑控制线路置成ON,并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。

MC34063由于其价格低廉、使用方便，所以广为使用。

在使用时要注意：

如果设置的正当频率较高时，整流二极管应为快速开关二极管，如IN4148。

MC34063应用电路如图2-5所示。

图2-5MC34063A应用电路

MC34063参数计算如式所示：

（输出电压）

Ct（定时电容）：

决定内部工作频率如式和所示：

（工作频率）

Rsc（限流电阻值）：

决定输出电流。

如式所示：

（电感）

（滤波电容）：

决定输出电压波纹系数如式所示：

（波纹系数）

固定值参数如式所示：

Vimin:

输入电压不稳定时的最小值.　

Vf=1.2V快速开关二极管正向压降,如IN4148。

通过以上公式计算，得出以下参数计算值：

输入电压：

5V

输出电压：

-5V

输出电流：

100mA

波动电压:

200mV

振荡频率：

50KHZ

实际电路测试数据：

输入：

+5V

输出：

-5.36V

　　3、　自动控制部分

自动控制部分是为了能够通过单片机自动控制放大电路切换电阻，从而自动改变放大倍数而设计的。

自动控制部分是通过单片机的I/O口输出控制信号，分别打开不同的继电器，把不同阻值的电阻连接到AD620的1脚和8脚。

通过自动变换1脚和8脚之间的电阻值来自动改变放大器的放大倍数，实现放大器的放大倍数数字可控。

当需要打开K1到K4中的任意一个或多个继电器开关时，只需要在与之对应的单片机的P3^4-P3^7口上输出高电平即可。

但对应I/O口上输出高电平时，就会打开由9014构成的三极管开关，从而使继电器线圈接通电源打开继电器。

注意：

由于单片机的输入输出口的驱动能力很弱，所以在设计时在单片机的输入输出口上有设计了上拉电阻来加大驱动能力。

增加单片机输入输出口驱动能力是为了保证从单片机口上输出的控制信号能够稳定的打开三极管开关。

自动控制部分的原理图如图2-6所示。

图2-6自动控制部分原理图

　　4、自动控制放大电路工作过程以及实际测试结果

自动电压控制放大电路由前面讲到的放大器部分和自动控制部分构成。

工作过程：

当通过键盘输入相应的放大倍数，单片机内部程序就把该数据进行相关处理（具体处理的软件实现方法见下一章），处理完后在单片机的P3^4-P3^7的对应口上输出高电平时，就会打开与之对应的三极管开关，同时与之对应的继电器就会吸合，把不同阻值的电阻连接到AD620的1脚和8脚之间，从而实现了对放大倍数的数字可控的要求。

在设计初期曾经考虑过用模拟开关和光耦隔离来实现不同阻值电阻的选通。

但由于当通过不同频率信号的频率时模拟开关的自身电阻会随之变化，且自身电阻较大，所以不能获得所要求的放大倍数。

最后考虑使用继电器。

由于继电器完全是物理上的断开和闭合，所以能够起到很好的隔离作用，用此方法设计的放大器稳定性高。

但缺点是是系统的耗电量明显加大，使系统不适合应用在对电源使用要求严格的地方。

实际测试结果：

通过在单片机的P3^4-P3^7口上分别输出高电平能够打开不同的继电器。

能够实现对小于110KHZ的正弦小信号信号的无失真10倍放大；小于100KHZ的正弦小信号的无失真50倍、100倍的放大；小于40KHZ的正弦小信号的无失真的200倍的放大的自动控制。

此部分详细原理图见附录一。

5、单片机及外围器件接口电路的设计

单片机及外围器件接口的设计主要是为了提供友好的的人机接口，方便用户的使用。

此部分的硬件电路主要由单片机，图形点阵液晶显示器，扫描键盘等组成。

这部分的详细硬件连接原理图见附录一。

（1）　单片机的选择

经过多方面考虑，决定选用ATMEL公司的AT89S52，它价格低廉，功能强大。

同时还支持在线下载程序，减小了开发中对开发工具的要求。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能如下：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。

P1.5MOSI（在系统编程用）。

P1.6MISO（在系统编程用）。

P1.7SCK（在系统编程用）。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口亦作为AT89S52特殊功能。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能如下：

P3.0RXD（串行输入口）。

P3.1TXD（串行输出口）。

P3.2INTO（外中断0）。

P3.3INT1（外中断1）。

P3.4TO（定时/计数器0）。

P3.5T1（定时/计数器1）。

P3.6WR（外部数据存储器写选通）。

P3.7RD（外部数据存储器读选通）。

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST——复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

At89s52的引脚图见附录二。

（2）　图形点阵液晶显示器的选择

本系统需要编制一个友好的人机界面，所以需要选用点数较多的图形点阵液晶显示器。

从价格和使用难易程度考虑，最后选择了深圳市美视发展有限公司的图形点阵液晶显示器MS12864J。

MS12864J是一种图形点阵液晶显示器。

它主要采用动态驱动原理由行驱动—控制器和列驱动器两部分组成了128（列）×64（行）的全点阵液晶显示。

此显示器采用了COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD,使其寿命长，连接可靠。

它还具有以下良好的特性：

1.工作电压为+5V±10%,可自带驱动LCD所需的负电压。

2.全屏幕点阵,点阵数为128（列）×64（行）,可显示8（/行）×4（行）个（16×16点阵）汉字，也可完成图形，字符的显示。

3.与CPU接口采用5条位控制总线和8位并行数据总线输入输出，适配M6800系列时序。

4.内部有显示数据锁存器。

5.简单的操作指令显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读/写等指令[11]。

MS12864J的读写时序以及结构图详见附录三。

　　（3）　键盘设计方法的选择

键盘作为一种人机接口的实现方式，是很常用的。

一般的实现方法大概有：

1.外接键盘扫描芯片（例如8279，7279等等），然后由该芯片来完成去抖、键值读取、中断请求等功能。

然后单片机响应中断并读取键值，有的时候也可以采用轮询的方式。

2.如果按键数比较少，那么可以直接将按键接到单片机的IO口，然后各按键取逻辑或再送到单片机的中断管脚（对于51体系），单片机响应中断后再去读取I/O口的数据。

如果单片机的中断向量比较多（例如AVR系列的单片机，每个I/O都可以作为中断），那么也可以直接把各个按键接到各个具有中断功能的I/O上面。

在中断处理程序中往往需要执行这样一个操作序列：

延时一定时间来去抖，如果按键有效那么等待按键释放。

3.按键较多时，可以选用软件扫描的方法。

软件扫描方法即CPU在一定的节奏下去扫描按键数据线上的信号，然后分析并确定按键事件。

扫描节奏一般为20MS。

这种方法能够有效节约单片机的I/O口资源。

1、2两种方法都有比较明显的缺陷：

第一种方法需要专门的外围芯片，增加成本，且一般不容易检测按键的按下、释放以及长按键等一些事件。

第二种方法同样不容易检测按键的按下、释放以及长按键等一些事件。

且采用软

件延时的方式，浪费CPU资源，很不可取。

由于本系统中使用按键较多，所以综合考虑选用软件扫描的方式设计键盘。

键盘为4*4，分配P0口为键盘使用。

三、系统评价与分析

1、本设计的测试结果：

在硬件实物测试中发现，本系统能通过键盘进行数字设置增益，而且系统软件能够稳定运行；液晶显示器能够显示友好的人机界面、参数设置过程以及设置输出，能够对信号有良好的放大。

当在输入信号为小信号，频段为直流到100KHZ，放大倍数小于100倍时，输出信号几乎无失真。

但是当放大倍数为100倍时，在靠近100KHZ出波形由不太明显的失真。

当在输入信号为小信号，频段为40KHZ，放大倍数为200倍时，输出信号几乎无失真。

注意：

以上测试结果均是在放大器没有出现峰-峰切割失真条件下获得的。

如果输入信号过大出现峰-峰切割失真，这是就不能达到要求的放大倍数。

测试结果完全符合设计要求，设计成功。

2、本系统的评价以及应用范围

本系统只设置了四个能自动控制的放大倍数。

由于本设计只是对着方面进行一些研究，所以能够实现对放大倍数的数字化可控就可以了。

如果实际应用时需要能多的放大倍数只需要扩展等多的继电器接口或者组合打开不同的继电器即可。

电压可控放大器的实现方法有多种，除了本系统使用的用继电器控制的方法外，还有诸如用模拟开关分别选通不同的电阻器，利用A/D转换器选通不同的电阻，用光耦隔离开关控制选通不同阻值电阻等方法。

在设计初曾经尝试过用模拟开关和光耦隔离的方法实现，但由于模拟开关以及光耦隔离所谓的断开与闭合只是相对的，断开电阻值不是无穷大，闭合时电阻值不是无穷小，同时他们的电阻值还受到所通过信号的频率的影响，所以用它们实现效果不好，系统不稳定。

本系统中采用的继电器选通的方法能够实现待选通的电阻在电器上的完全隔离。

在调试时，只需要调试好每一个电阻对应的放大倍数，系统就能稳定的工作。

此中实现方法要明显优于别的实现方法。

但是由于这种设计方法，本系统的应用范围受到了限制。

由于使用了大量继电器，致使本系统耗电量加大，所以本系统不适用于对耗电要求很高的系统。

但是在供电充足，要求稳定度高的工业控制系统等中会有很好的应用前景。

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附录一自动增益控制部分电路图如下：

MCU以及外围元件连接图如下：

附录二AT89S52引脚分部图如下：

附录三MCU从MS12864J读数据时序图如下：

MCU向MS12864J写数据时序图如下：