程控放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、程控放大器的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要本文介紹了一種可通過程序改變增益的放大器。它與adc相配合，可以自動適應(yīng)大范圍變化的模擬信號電平。系統(tǒng)以89s51單片機作微處理器，運用ne5532芯片組成運放電路，采用cd4052芯片擔(dān)任增益切換開關(guān)，通過軟件控制開關(guān)的閉合或斷開來達(dá)到改變電路的增益。文章首先對系統(tǒng)方案進(jìn)行論證，然后對硬件電路和軟件設(shè)計進(jìn)行了說明，最后重點闡述了系統(tǒng)的調(diào)試過程，并且對調(diào)試過程中遇到的問題以及解決方案進(jìn)行了詳細(xì)說明。該系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期要求，實現(xiàn)了最大放大60db的目的。關(guān)鍵詞程控放大器；運算器放大器；單片機；增益the design and realization of progr

2、am-controll amplifierabstractthis article introduces a amplifier which changes the gain through the software. it coordinates with adc and adapts the simulated signal level with wide range change automatically. the system uses the 89s51 scm as the core. the ne5532 chip composes the operational circui

3、t and the cd4052 chip composes the gain switch. the gain of the circuit is changed by software which can control switch closed or disconnect.the article first demonstrates the system plan, then introduces the hardware and the software, finally explains the debugging process of the system with emphas

4、is. it also especially analogizes the problem in the debugging process and the resolutions. this system design has achieved anticipative request and realized enlarged 60db most greatly the goal.key wordsprogram-controlled amplifier; operational amplifier; scm; gain前言在計算機數(shù)控系統(tǒng)中,模擬信號在送入計算機進(jìn)行處理前,必須進(jìn)行量化,

5、即進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換 1 。進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換之前,必須考慮a/d 轉(zhuǎn)換器的分辨率和模擬輸入電壓量程這兩個問題。在一些特殊的應(yīng)用中,我們常希望輸入信號的幅值接近a/d 的輸入電壓量程的上限。工程上常采取改變放大器增益的方法對幅值大小不一的信號進(jìn)行放大。在計算機數(shù)控系統(tǒng)中,為實現(xiàn)不同幅度信號的放大, 往往不希望、甚至也不可能利用手動方法來實現(xiàn)增益變換。利用程控放大器可以很好地解決上述問題。程控放大器是根據(jù)使用要求由程序控制改變增益的放大器,具有控制方便,線性度高,穩(wěn)定可靠等優(yōu)點 2 。使用程控放大器改變模擬輸入信號的增益,并配合a/d的使用,可允許輸入的模擬信號在較大范圍內(nèi)動態(tài)變化,達(dá)到了提高a/d

6、 的輸入電壓量程的目的,也相當(dāng)于提高了a/d 的分辨率。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類測量儀表越來越趨于采取數(shù)字化和智能化方向的發(fā)展 3 。這些設(shè)備一般由前端的傳感器、放大器電路和后端的數(shù)據(jù)處理電路組成。其中后端數(shù)據(jù)處理電路通常采用高精度a/d和高速單片機，以保證儀表的精度和速度要求。對于前端電路，由于傳感器輸出信號的幅度和驅(qū)動能力均比較微弱，必須加接高精度的測量放大器以滿足后端電路的要求；另一方面，傳感器在不同測試中輸出信號的幅度可能相差很多，傳統(tǒng)的處理方法是對放大器增加手動檔位調(diào)節(jié)以保證后端的a/d采集輸入端的信號在一定幅度內(nèi)，從而保證整個儀表的測量精度。人工檔位調(diào)節(jié)增加了儀表操作的復(fù)雜性

7、、影響了數(shù)據(jù)測量的實時性，同時檔位調(diào)節(jié)通常采用機械轉(zhuǎn)扭增加了儀器的不可靠性和接觸電阻對測量精度的影響。是否可由單片機自動選擇量程檔位呢？答案是肯定的，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器。1設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計并制作一個程控放大器。通頻帶10hz-150khz，輸入阻抗大于500k，最大輸出10vpp。增益可調(diào)范圍0-60db，每10db步進(jìn)。放大倍數(shù)可預(yù)置，可修改，并用數(shù)碼管顯示。增益誤差不大于2db。2系統(tǒng)方案論證程控放大器的基本電路和一般放大器電路類似,只是不同電路其反饋網(wǎng)絡(luò)以及期中的電阻阻值是不同的,下面就改變增益的幾種常用方法作一些探討。2.1方案一 同相型程控放大器圖2.1 同相放

8、大器的基本電路同相型放大器的基本電路如圖2.1所示。放大器的增益g只取決于反饋電阻rf 和電阻r1。由于運算放大器的輸入阻抗很高,尤其對于場效應(yīng)輸入型運算放大器, 輸入阻抗可達(dá)1012 ,因而開關(guān)的導(dǎo)通電阻對放大器增益的影響可以忽略不計 4 。在圖2.1中,利用運算放大器的高開環(huán)增益特性和負(fù)反饋,開關(guān)的導(dǎo)通電阻對增益的影響基本上得以消除。該類電路的優(yōu)點是開關(guān)導(dǎo)通電阻對電路的增益影響小,因此特別適用于采用模擬電子開關(guān)控制的場合。電路的不足之處是放大器增益不能小于1 ,因此不能對輸入信號進(jìn)行衰減,解決辦法是在前級加入無源衰減網(wǎng)絡(luò)。2.2方案二 反相型程控放大器圖2.2 反相型程控放大器反相型程控放

9、大器的基本電路如圖2.2所示。在圖中只需改變rf 或ri 的阻值就可以改變放大器的增益。電路中,切換開關(guān)sw1swn 可以使用模擬電子開關(guān)或繼電器,通過軟件控制開關(guān)的閉合或斷開,用于選擇不同的輸入電阻或反饋電阻來達(dá)到改變電路的增益 5 。該類電路的優(yōu)點:放大器增益可大于1 ,也可小于1 或等于1 ,因此,既可以對輸入的小信號進(jìn)行放大,也可以對輸入的大信號進(jìn)行衰減,因此電路的動態(tài)適應(yīng)范圍很大。但該方法的缺點也是顯而易見的:由于切換開關(guān)與輸入電阻或反饋電阻串聯(lián),開關(guān)的導(dǎo)通電阻將影響放大器的增益,特別是在使用模擬電子開關(guān)時尤其明顯。解決方法是將放大器的反饋電阻rf 和輸入電阻ri 盡量取大一些,也可

10、先測出開關(guān)的導(dǎo)通電阻,再對電路中的rfrf n或ri1ri n作適當(dāng)?shù)男拚?。另? 所示的放大器的輸入阻抗不是固定的,因此最好加入隔離放大器以減少對前級信號源的影響。該圖所示電路，采用集成化的模擬開關(guān)擔(dān)任增益切換開關(guān)，功耗小，體積小，可以由ttl或cmos電平直接驅(qū)動，可進(jìn)行放大和衰減。同樣，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻影響放大倍數(shù)，模擬開關(guān)可以使用cmos系列的cd4066，cd4051cd4053等等，也可以使用max75xx系列或max301309，331339，351359系列的模擬開關(guān)。當(dāng)放大器的輸入信號正負(fù)都有時，模擬開關(guān)必須雙電源供電。2.3方案三 dac型程控放大器dac型程控放大器由d

11、ac 和運算放大器組成,其原理是利用dac的乘法功能實現(xiàn)可變增益控制 6 。dac內(nèi)部主要由r-2r 電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬電子開關(guān)構(gòu)成,例如dac0832、ad7520 等電流輸出型芯片。此類程控放大器的優(yōu)點:由于dac中的r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)是采用精密光刻技術(shù)生產(chǎn)出來的,電阻的誤差較小,溫度系數(shù)也比一般的金屬膜電阻低得多,因此構(gòu)成的程控放大的增益誤差較小;另外，只要取合適的輸入電阻ri或反饋電阻rf,電路和增益可以大于1,也可小于1,也可以等于1,甚至為0。電路的缺點:由于dac內(nèi)部的分布電容影響,電路的頻響不是太理想,電路增益也不容易做得較大;另外電路的信噪比也較差。另外，雖然市場上已有單片集成程控

12、放大器芯片,如ad526、pga204等產(chǎn)品,但它們的價格昂貴,放大的增益用戶無法自行改變。3硬件電路設(shè)計總結(jié)上述三種方案，我決定選用芯片ne5532實行三級放大，用cd4052模擬開關(guān)進(jìn)行切換選擇，單片機進(jìn)行控制。系統(tǒng)分兩大模塊，一是控制模塊，一是放大模塊。圖3.1是硬件電路框圖。電壓跟隨器一級運放二級運放三級運放單片機控制部分鍵盤顯示信號輸入信號輸出圖3.1 硬件電路框圖如圖所示，輸入信號先經(jīng)過設(shè)置為電壓跟隨器的晶體管，提高輸入阻抗。然后進(jìn)行一級放大，二級放大，三級放大。再由單片機控制放大倍數(shù)，選通模擬開關(guān)以及運放，關(guān)將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。3.1控制模塊圖3.2為控制模塊電路圖?？刂颇K主要

13、由單片機組成，鍵盤掃描電路和顯示電路則分別接在單片機的四個端口。在p0口，接共陽的數(shù)碼管，p2.4p2.7接晶體管，控制數(shù)碼管的位選端。p2.0接程序指示燈。鍵盤掃描接在p3口。p1口分別接入一6腳排插用來連接模擬開關(guān)和6線下載器。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位。圖3.2控制模塊3.1.1at89s51:mcs-51系列單片機中hmos工藝制造的芯片采用雙列直插（dip）方式封裝，有40個引腳 7 。（1） 電源引腳。vcc正常運行和編程校驗時為5v電源，vss為接地端。（2） i/o總線。p0.0p0.7（p0口），p1.0p1.7(p1口)，p2.0p2.(p2口)，p3.0p3.7（p3口）為輸入

14、/輸出引線。（3） 時鐘。xtal1：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。xtal2：片內(nèi)振蕩器反相器的輸入端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（4） 控制總線。rst：復(fù)位輸入信號，當(dāng)該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，可實現(xiàn)復(fù)位操作，此引腳為掉電保護后備電源之輸入引腳。3.1.2鍵盤掃描本實驗鍵盤掃描接為4x4矩陣，用反轉(zhuǎn)法處理線路。反轉(zhuǎn)法：將行線作為輸出線，列線作為輸入線。行線輸出全“0”信號，讀入列線的值。然后將行線和列線的輸入輸出關(guān)系互換，并且將剛才讀到的列線值從行線的端口輸出，再讀取行線的輸入值 8 。鍵盤掃描接在單片機p3口。根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，p3.0p3.3作為行線，p3.4p3.7作

15、為列線，即低位為行，高位為列。先置低位為0，讀高位值；再將行線與列線的關(guān)系互換，置高位為0，讀低位值。比較前后兩值，即可判斷哪個鍵按下。3.2放大模塊圖3.3放大模塊圖3.3為放大模塊電路。ne5532一共8腳。3腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端。8、4腳分別接正負(fù)12v電源。反饋網(wǎng)絡(luò)由模擬開關(guān)cd4052組成。cd4052共16腳。16腳接+5v，6、8腳接地，7腳接5v，9、10腳接單片機控制信號。3腳接運放反饋量，1、2、5腳接入運放的負(fù)反饋，與滑動變阻器構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。其中，其中1腳將輸出電壓全部反饋到反相輸入端；2腳接入2.16k的電阻，可控制放大10db，5腳接入9k的電阻，可控制放

16、大20db。3.2.1ne5532簡介ne5532是高性能低噪聲運放，與很多標(biāo)準(zhǔn)運放（如1458）相似，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號與電源帶寬。圖3.4是ne5532內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3.4 ne5532芯片圖（1）小信號帶寬：10mhz；（2）輸出驅(qū)動能力：600，10v；（3）輸入噪聲電壓：5nv/hz（典型值）；（4）dc電壓增益：50000；（5）ac電壓增益：10khz時2200；（6）電源帶寬：140khz；（7）大電源電壓范圍：320v虛短路：指集成運放的兩個輸入端電位無窮接近，但又不是真正短路。虛斷路：從集成運放兩個輸入端看進(jìn)去相當(dāng)于斷路 9 。3.2.

17、2cd4052簡介cd4052是一個雙4選一的多路模擬選擇開關(guān)。圖3.5是cd4052芯片管腳圖，圖3.6是cd4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3.5 cd4052芯片管腳圖圖3.6 cd4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其真值表如表3.1所示表3.1 cd4052真值表inhibitba0000x，0y0011x,1y0102x,2y0113x,3y1xxnone應(yīng)用時可以通過單片機對a/b的控制來選擇輸入哪一路，例如：需要從4路輸入中選擇第二路輸入，假設(shè)使用的是y組，那么單片機只需要分別給a和b送1和0即可選中該路，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。注意第6腳為使能腳，只有為0時，才會有通道被選中輸出。4軟件設(shè)計4.程序設(shè)計思路

18、在實際設(shè)計中，本著程序簡單，高效的原則，在初期設(shè)計過程中，從復(fù)雜到簡單一步步簡化，直到最后的程序。（1） 最先想到的是模仿計算器程序設(shè)計。一共四個“8”，最后兩個固定顯示“db”字母字樣。對于前兩位，剛開始決定先由鍵盤輸入一位數(shù)，送寄存器儲存。再將其往前進(jìn)一位，然后輸入第二位數(shù)字。先鍵盤掃描，得出第一個鍵值，并且送顯示。進(jìn)行第二次掃描，得出鍵值，再送顯示。分析：這種方法較為先進(jìn)，但由于我所學(xué)知道不足，一時無法處理進(jìn)位問題，所以只能作罷。（2） 連續(xù)按兩次鍵，直接將“十”位數(shù)顯示在dp1處，“個”位顯示在dp2處。先判斷是第幾次按鍵。如果是已經(jīng)是第三次按鍵，則計數(shù)器清零，復(fù)位。第四次按重新計數(shù)。

19、如果只是第一次按鍵，則送至“十”位，并保存；當(dāng)?shù)诙伟聪聲r，顯示個位。這期間給程序一定的延時。但不知道什么原因，在實際應(yīng)用中，出現(xiàn)了這樣的問題：按第一次，“十、個”位都同時顯示。第二個鍵值輸入，卻覆蓋第一個鍵值，并且兩位數(shù)顯示同一數(shù)字。同時出現(xiàn)的問題還有，復(fù)位不能成功。每次復(fù)位后（重新上電后），數(shù)碼管顯示上次輸入的鍵值。分析有兩種可能：1，芯片有了記憶功能，將斷電前的狀態(tài)存儲下來了。2，一上電，芯片就執(zhí)行了上次的程序。后一種解釋更為合理，這說明問題出在顯示上。初始化中顯示沒有清零。（3） 更為精簡的方法。將第二個數(shù)碼管（dp2）直接顯示“0”。這樣，只要處理一個“日”字就可以。這一思路，是三個

20、中最簡單的。雖然如此，但我覺得程序就應(yīng)該簡單，實用，完成所需功能即可。所以，我決定采用第三種方法。4.2程序流程圖 圖4.1 程序流程圖程序流程圖如圖4.1所示。首先對程序進(jìn)行初始，數(shù)碼管顯示默認(rèn)為0。首先進(jìn)行鍵掃描，判斷是否有鍵按下。如果沒有鍵按下，則返回重新鍵盤掃描。如果有鍵按下，則送顯示電路，由數(shù)碼管顯示。同時，單片機控制模擬開關(guān)，根據(jù)輸入鍵值，選通運放芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后程序結(jié)束，系統(tǒng)終止工作。4.3數(shù)碼管顯示由于我在畫pcb板時,為了更好的連線,將p0口8個管腳相對應(yīng)的共陽數(shù)碼管的管腳更改,所以在處理這個程序時,就與以往的不同。數(shù)碼管顯示原理如表4.1所示。表4.1 數(shù)碼管顯示原

21、理edhcgafb00010100028h1111011100eeh20011001032h3101000100a2h4111001000e4h5101000010a1h60010000021h7111010100eah80010000020h9101000000a0h4.4cd4052程序在設(shè)計程序時,應(yīng)認(rèn)真查看芯片的pdf文檔資料。觀察芯片各個引腳的功能，哪個輸入，哪個輸出。并要注意芯片的真值，編寫程序主要就是依據(jù)此表。由前文所給出的真值表和芯片管腳圖，得芯片的選通模式程序。一共有三個模擬開關(guān)，每一個最大控制20db的放大幅度。每個模擬開關(guān)一次只能選通一個輸出。表4.2為模擬開關(guān)程序設(shè)計原

22、理。表4.2模擬開關(guān)程序設(shè)計p1.5p1.4p1.3p1.2p1.1p1.0u6u5u4u3u2u1ababab0db00000000h10db00001002h20db00000101h30db00011006h40db00010105h50db01011016h60db01010115h4.5按鍵掃描程序由原理圖可以得出，按鍵接在p3.0p3.7。表3.3為按鍵掃描程序。表3.3 按鍵掃描程序p3.7p3.6p3.5p3.4p3.3p3.2p3.1p3.001101011110111011120111101130111110140111111051011011161011101171011

23、11018101111109110101115系統(tǒng)調(diào)試檢測工具：萬用表，示波器，函數(shù)信號發(fā)生器5.1硬件檢測（1）檢測電源線，地線。用萬用表檢測電路板有沒有短路，斷路現(xiàn)象。經(jīng)檢測，線路導(dǎo)通。（2）檢測極性電容正負(fù)極有無接反，電阻大小有無接對。（3）檢測單片機。上電后，先用萬用表測試各引腳電壓。其中40腳為4.93v，晶振兩腳分別為2.39v和2.12v?；?，寫入一小的按鍵掃描程序，檢測按鍵和數(shù)碼管顯示。檢測結(jié)果，兩者正常。再次，檢測復(fù)位鍵。按下后，數(shù)碼管能歸零，說明復(fù)位成功。（4）檢測放大電路。接入四種正負(fù)電源。用萬用表測ne5532的4、8號腳的輸出電壓，測cd4052的1、7、9、10、

24、16腳，看電壓輸出是否正確。再測at89s51的vcc，四個端口的電壓值，看看是否在正常范圍之內(nèi)。經(jīng)檢測，運放8腳+11.95v，運放4腳-12.18v，cd4052的16腳+4.93v，7腳-5.10v。（5）測量三個ne5532的靜態(tài)工作點，觀察電壓是否正常。運放的1、2、3腳的電壓都為0。（6）阻容耦合電路圖5.1 阻容耦合電路圖5.1為阻容耦合電路。耦合電路的主要有三個作用：1是讓信號無損耗地通過，加到后一級電路中；2是隔離兩級放大器之間的直流；3是在前級和后級放大器之間進(jìn)行阻抗的匹配。當(dāng)放大器的輸入阻抗比較大時，可以適當(dāng)減小耦合電容的容量。降低耦合電容c1的容量，對降低耦合電容的漏電

25、有利，因為電容的容量愈大，其漏電電流就大，放大器電路的噪聲就大（耦合電容漏電流會產(chǎn)生電路噪聲），特別是輸入級放大器的輸入端耦合電容要盡可能地小 10 。耦合電容對低頻信號的容抗比中頻和高頻信號的容抗要大，所以阻容對低頻信號是不利的。當(dāng)耦合電容的容量不夠大時，低頻信號首先受到衰減，說明阻容耦合的低頻特性不好。在不同工作頻率的放大器中，由于放大器所放大的信號頻率不同，對耦合電容的容量大小要求也不同。為了降低電容漏電，愈是處于前級的耦合電容，其容量要求愈小 11 。當(dāng)耦合電路中的元器件開路時，信號不能加到下一級電路中，使放大器無信號輸出。當(dāng)耦合電容漏電或擊穿時，會影響前后兩級放大器的直流電路工作，從

26、而影響交流電路的工作，放大器輸出信號將不正常。(7)信噪比信噪比等于信號功率大小與噪聲功率大小之比,信號功率用s表示,噪聲功率用n表示,信噪比用s/n表示.放大器的信噪比愈大愈好。噪聲也是放大器電路中的一種“信號”，是一種無用、有害的信號，它愈小愈好，但放大器中不可避免地會存在噪聲，當(dāng)噪聲太大時，將來得影響電路性能。多級放大器電路中，前級放大器產(chǎn)生的噪聲被后級放大器作為“信號”而加以放大，所以對前級放大器，要重點進(jìn)行噪聲抵制 12 。解決噪聲的方法，適當(dāng)提高放大器的輸入電阻，這樣可以降低輸入端耦合電容的容量，以減小因電容漏電而產(chǎn)生的噪聲。至此，硬件電路檢測基本檢測完畢。結(jié)果表明，一切正常。5.

27、2軟件檢測（1）檢測鍵盤掃描程序測試目的：每按一個按鍵，數(shù)碼管全部顯示一個數(shù)字。一般地，對任何帶有鍵盤掃描的硬件電路來說，在進(jìn)行軟件檢測時，首先應(yīng)檢測的就是鍵盤掃描。即寫個小的鍵掃程序，看鍵盤掃描電路是否連接成功。利用反轉(zhuǎn)法，寫一個3x3的掃描程序，并送鍵盤顯示。經(jīng)過測試，鍵掃電路連接成功。（2）檢測cd4052控制程序測試目的：按下一個按鍵，則相應(yīng)的模擬開關(guān)會被選通。如表5.1所示。表5.1 模擬開關(guān)選通對應(yīng)表第一個模擬開關(guān)第二個模擬開關(guān)第三個模擬開關(guān)按鍵5腳2腳5腳2腳5腳2腳0000000110000020100003100100401010051001016010101測試結(jié)果：模擬開

28、關(guān)選通程序正確。（3）主程序測試前面兩個子程序較容易寫，寫主程序時有一定的困難。經(jīng)過不斷的測試，修改，再測試，再修改，直到最后成功。在主程序中，一共調(diào)用三個子程序，它們分別是鍵盤掃描keys，數(shù)碼管顯示disp，運放放大部分fangda，三個子程序用lcall調(diào)用。keys根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，主要模仿3x3按鍵掃描程序而寫。出現(xiàn)的問題：雖然前面子程序測試中鍵盤掃描程序成功，但寫入改進(jìn)后的4x4程序卻沒有成功。按任一鍵，數(shù)碼管沒有顯示。對比3x3程序，主要有兩個原因。1 調(diào)用每一個判斷鍵值程序后，子程序并沒有返回主程序。2 返回主程序，送顯示之前，所判斷鍵值并沒有送寄存器保存。以至于送顯示后后，累加

29、器中沒有值送數(shù)碼管顯示。解決方法，寫一個kk3子程序。先調(diào)用kk3子程序，再將鍵值保存到累加器。kk3: mov shi,a ret（4）復(fù)位不成功按下復(fù)位鍵后，數(shù)碼管并不能清零。并且顯示上一次按鍵鍵值。經(jīng)過分析，根據(jù)程序執(zhí)行順序，系統(tǒng)上電后，有鍵按下后，送顯示。如果總是顯示上一次程序處理的結(jié)果，這說明顯示程序沒有初始化。解決方法：對十位數(shù)值進(jìn)行保存。shi equ 30hmov shi,#00h5.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)簡單的硬件測試，軟件修改之后，將硬件和軟件結(jié)合起來進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。原以為能夠容易成功，可實際中卻出現(xiàn)了大量的問題。（1）準(zhǔn)備工作校正示波器：校正后，出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的方波，說明示波器良好，可以使用

30、。輸出信號：將探頭直接接函數(shù)信號發(fā)生器輸出端，共地端接地。觀察示波器。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出1khz的波型，邊觀察示波器邊調(diào)幅度旋鈕，直至出現(xiàn)20mv vpp.（2）第一次測量輸入10mv正弦信號，通過探頭,觀察示波器。發(fā)現(xiàn)居然輸出的是方波信號。經(jīng)過分析，是因為放大倍數(shù)過大。ne5532不能處理過大電壓（12v以內(nèi)），在高電平處截斷波形，以至產(chǎn)生方波。而且程序控制并沒有起到作用，并沒有以10db步進(jìn)。經(jīng)分析認(rèn)為，此時電路已經(jīng)產(chǎn)生過大放大，所以程序控制此時已失去作用。（3）第二次測量 按指導(dǎo)老師的意見，將整個三級放大電路拆開，分成三個獨立的放大電路，逐級檢查。斷開第二，第三級ne5532,先不輸入信

31、號,測ne5532的1腳。發(fā)現(xiàn)在即使沒有輸入信號的情況下，示波器也測出有在幅值的波形。得出結(jié)論：系統(tǒng)出現(xiàn)自激振蕩。（4）自激振蕩現(xiàn)象概念：系統(tǒng)在輸入量為零的情況下，輸出卻產(chǎn)生了一定頻率和一定幅值的信號，就稱電路產(chǎn)生了自激振蕩。電路中只有滿足相位、幅值平衡條件，才能產(chǎn)生自激振蕩 13 。（5）第三次測量這次測量是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下完成的。測試三極管9018的三腳的電壓。測試三個ne5532芯片的1、2、3腳電壓，看是否為0。測試9018的發(fā)射極輸出波形。經(jīng)觀察，此處波形完好，沒有失真現(xiàn)象。拔掉二級、三級芯片，測試第一塊芯片的3、2、1號腳。3號腳為同相輸入端，經(jīng)測試，信號正常，清晰可見。但測試1

32、號腳時，波形明顯放大。拔掉第一塊cd4052芯片，用導(dǎo)線將1、3號腳短路，觀察波形。1、3號腳短路，使得運放處于電壓跟隨器狀態(tài)，即理論上是不會放大，信號原樣輸出。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)信號確實是原樣輸出。這說明系統(tǒng)并沒有產(chǎn)生自激振蕩。那么，之所以出現(xiàn)1號腳波形明顯放大，不是程序沒控制成功，就是電路板線路有問題。開始認(rèn)為是耦合電容問題。對于運放芯片ne5532的8腳引入+12v電源，0.01f電容并不能很好消除干擾。所以，每個電容再關(guān)聯(lián)一個47f的電容。經(jīng)過修改，波形比前次清晰很多，取到了一定的效果。但放大現(xiàn)象依舊沒有改變。（6）第四次測量 這次測量是在李順福同學(xué)指導(dǎo)下完成。檢查程序，發(fā)現(xiàn)程序并沒有錯誤。

33、每一個按鍵程序，成功控制相應(yīng)的模擬開關(guān)。這樣，說明電路存在問題。經(jīng)計算，0db時，1號腳放大10db，10db時1號腳放大20db。根據(jù)運放放大倍數(shù)計算公式，有這樣大的放大，剛開始認(rèn)為rf存在問題。用萬用表測量1、2腳間的內(nèi)阻值。rf只有8.9khz,根據(jù)公式,這不足以導(dǎo)致這么大的放大倍數(shù)。于是，檢查r1。對照電路圖，觀察電路板，發(fā)現(xiàn)所接的r1不等于電路圖上的1khz，只有500hz。將電阻換下來后，再測試輸出波形，發(fā)現(xiàn)波形正確。0db時不放大，原樣輸出，10db時放大3.16倍，屬于合理放大范圍。（7）第五次測量經(jīng)過前四次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，基本上可以成功。但再最后一天檢測時，電路板又出現(xiàn)了問題。又出

34、現(xiàn)0db時，運放芯片出現(xiàn)信號放大現(xiàn)象。這次，很沒辦法。重新考慮從1到5的步驟，都沒有檢查出來。這時，指導(dǎo)老師指出，可能又是耦合電容的問題。于是，決定在每個運放芯片以及單片機芯片連上一個104的小電容。三個運放原有的0.01f電容被替代，單片機vcc和地之間連上一個104電容。再次測試，測第一級芯片的3腳，信號正常。再測1腳，信號原樣輸出，表示成功一半。再進(jìn)行10db放大，觀察示波器，得62mv的波形，又成功。再測20db放大，很到169mv的正弦波，波形清晰，穩(wěn)定，幾乎沒有什么干擾。作品成功。5.4數(shù)據(jù)記錄測試方法：輸入20mv（vpp）的正弦信號，通過單片機的控制調(diào)節(jié)放大器的增益。并記錄相關(guān)

35、數(shù)據(jù)，列表5.2。表5.2 數(shù)據(jù)記錄電壓增益db10 db20 db30 db 40 db 50 db 60 db放大電壓(vpp)62mv 169mv498mv1884.5mv7230mv17610mv數(shù)據(jù)分析：（1）當(dāng)按下按鍵1時，示波器輸出62mv。經(jīng)過計算,放大倍數(shù)為3.1倍，根據(jù)公式, a=20lgu0/ui (1)得放大10db。（2）當(dāng)按下按鍵2時，示波器輸出169mv。同樣,經(jīng)過計算,放大倍數(shù)為8.45倍,放大20db。進(jìn)行誤差計算，誤差為-2db，符合設(shè)計要求。數(shù)據(jù)綜述：前兩級信號放大倍數(shù)符合設(shè)計要求。但第三級芯片，由于電路干擾較大，出現(xiàn)較大的誤差，這也是本作品在今后需要改進(jìn)

36、的地方。5.5使用說明程控放大器經(jīng)測試成功后，便可投入使用。電路板有一五線連接器，為電源插槽。從左至右分別為gnd、-12v、+12v、+5v、-5v，每條電源線已接有連接器，可方便地接上實驗板電源。電源插槽右邊有一六腳插槽，為程序下載器。最左的為gnd，最右邊的為+5v電源線路。在接入電源和插入下載線時，應(yīng)注意是哪個插槽以及插槽的方向。否則,如果正負(fù)電源接反,易燒毀電阻;如果將電源線接至下載器,易燒壞單片機芯片。電路板上還有兩個用6線排線相連的6腳插槽，用來連通單片機和cd4052。電路板左上腳有一兩腳輸入信號端口,引出一條輸入信號線，可直接接函數(shù)信號發(fā)生器。下載器左邊有一兩腳輸出信號端口，

37、下端為gnd。寫入程序后，接上電源，連上函數(shù)信號發(fā)生器和示波器。調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器，輸入20mv(vpp)信號。根據(jù)實際需要，按鍵選擇放大倍數(shù)，即可得到需要放大的信號。6總結(jié)根據(jù)題目的要求，本設(shè)計基本上完成了基本部分的設(shè)計要求。在放大器模塊中，做到了電壓增益為60db，增益10db可調(diào)。但本設(shè)計中，也存在一些問題如：由于pcb畫線路時自己經(jīng)驗不足,元件布局不太合適,導(dǎo)致電路板產(chǎn)生一定的干擾,影響信號,這是我要進(jìn)一步改進(jìn)的和不斷學(xué)習(xí)的。在實際調(diào)試過程中,經(jīng)常會燒壞芯片,電阻。主要是接入電源時正負(fù)極接反。我的電源連接線沒有處理好。因為不用做電源，剛開始處理時，做了個5腳的的插座。而實際電源制作了兩

38、個地，導(dǎo)致我必須做了個獨立的連接器。這樣，使得在實際操作中容易接錯線路，導(dǎo)致短路、等現(xiàn)象。雖然燒了芯片，但正是這些問題的出現(xiàn)給了我很好的提升自己的機會。在實際調(diào)試，分析電路的過程中，發(fā)現(xiàn)自己有很多知識沒有掌握或者基本上遺忘了。所以，在做畢業(yè)設(shè)計過程中，查找課本一個知識點一個知識點去學(xué)習(xí)，補充。比如，運放的負(fù)反饋放大，深度負(fù)反饋下的自激振蕩現(xiàn)象，傳輸門的工作原理以及匯編語言。以前的學(xué)習(xí)中，不太喜歡使用，也不太會用函數(shù)信號發(fā)生器和示波器。但這次畢業(yè)設(shè)計，自己必須用到這兩樣。本著踏踏實實的態(tài)度，重新學(xué)習(xí)樣使用工具，受益匪淺。參考文獻(xiàn)1王煒.程控放大器及其典型應(yīng)用的實例j.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研

39、究所.1998:89 942周春光.程控放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用j.電子技術(shù)應(yīng)用.1987,3：77803傅越千.程控放大器的設(shè)計與應(yīng)用j.寧波高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2002,4:37 404房慧龍.程控放大器的實現(xiàn)方法j.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系.2004,8:52565邵雄凱,張文燦,黃文斌.一種程控放大器的分析與實現(xiàn)j.湖北工學(xué)院學(xué)報,1997,4：45516吳建平,李建強.數(shù)字程控放大器設(shè)計與應(yīng)用j.成都理工學(xué)院報,2002,6：6656687余錫存,曹國華編著.單片機原理及接口技術(shù)m.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000,7：27288彭楚武主編.微機原理與接口技術(shù)m.長

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