程控放大器的設(shè)計(jì)

程控放大器的設(shè)計(jì)

所在院系：信息工程學(xué)院專業(yè)（班級(jí)）：電信04級(jí)2班學(xué)生姓名：于麗麗指導(dǎo)教師：李澤光概述程控放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）是指可以通過(guò)程序或指令控制而改變其增益等性能的放大器，PGA的基本形式是由運(yùn)算放大器和模擬開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成。模擬開(kāi)關(guān)則由數(shù)字編碼控制。數(shù)字編碼可用數(shù)字硬件電路實(shí)現(xiàn),也可用計(jì)算機(jī)硬件根據(jù)需要來(lái)控制。

1.1論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值當(dāng)前，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類測(cè)量?jī)x表越來(lái)越趨于采取數(shù)字化和智能化方向的發(fā)展。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(jī)，以保證儀表的精度和速度要求。而對(duì)于前端電路，由于傳感器輸出信號(hào)的幅度和驅(qū)動(dòng)能力均比較微弱，必須加接高精度的測(cè)量放大器才能滿足后端電路的要求。在自動(dòng)控制系統(tǒng)或智能儀器中,當(dāng)被測(cè)信號(hào)的幅值變化范圍很大時(shí)，為了保證測(cè)量精度的一致性，經(jīng)常采取改變量程的辦法，采用程控放大器可進(jìn)行量程自動(dòng)切換。當(dāng)改變量程時(shí)測(cè)量放大器的增益也相應(yīng)地加以改變。這種變化通常是自動(dòng)進(jìn)行,即不需要人為的改變電路連接,而是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)放大器增益的改變。PGA在現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中是經(jīng)常會(huì)用到的，隨著各種新型元器件的不斷發(fā)展，PGA的實(shí)現(xiàn)并不太難，但由于PGA必須具有可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)增益的功能，因而其精度總會(huì)因使用一些調(diào)節(jié)元器件而受到影響，在精密測(cè)量場(chǎng)合對(duì)PGA的精度要求比較高，實(shí)現(xiàn)較精密的PGA是眾望所歸。1.2目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)由于各類測(cè)量?jī)x表設(shè)備中的傳感器在不同測(cè)試中，其輸出信號(hào)的幅度可能相差很多，傳統(tǒng)的處理方法是對(duì)放大器增加手動(dòng)檔位調(diào)節(jié)以保證后端的A/D采集輸入端的信號(hào)在一定幅度內(nèi)，從而保證整個(gè)儀表的測(cè)量精度。但是人工檔位調(diào)節(jié)增加了儀表操作的復(fù)雜性、影響了數(shù)據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性，同時(shí)檔位調(diào)節(jié)通常采用機(jī)械轉(zhuǎn)扭，增加了儀器的不可靠性和接觸電阻對(duì)測(cè)量精度的影響。而且傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器，如AD8321芯片，并且該類放大器價(jià)格較高（如AD8321），選擇檔位也較少（如TI的PGA103，206等僅3-4檔）。還有一種可滿足核儀器中所要求的線性度與增益穩(wěn)定性以及自動(dòng)穩(wěn)譜的增益要求的數(shù)控放大器。系統(tǒng)在保證放大器的增益穩(wěn)定性和線性指標(biāo)的同時(shí)卻降低了放大器的輸入阻抗，必然對(duì)前級(jí)電路輸出阻抗提出更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)增大反饋電阻提高輸入阻抗，另外必要時(shí)還可以增加一級(jí)電壓跟隨電路，電壓跟隨器的輸入阻抗極高，這樣可以忽略電路中的導(dǎo)通電阻對(duì)增益的影響，各級(jí)增益完全取決于所選電阻。目前通常采用單片機(jī)來(lái)自動(dòng)選擇量程檔位，采用非易失性數(shù)字電位器和儀表放大器組成的高精度、多檔位、低成本的程控放大器。以單片機(jī)（或個(gè)人計(jì)算機(jī)）為基礎(chǔ)的儀器測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)，是電子電工測(cè)量的一項(xiàng)重大變革，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.1程控放大器系統(tǒng)原理框圖本文設(shè)計(jì)的程控放大電路系統(tǒng)主要采用單片機(jī)最小系統(tǒng)、模擬開(kāi)關(guān)芯片CD4051和放大器芯片LF353。程控放大器總體設(shè)計(jì)原理框圖如下圖所示

左圖所示，控制接口采用AT89C51單片機(jī)作為程控放大器電路的控制中心，放大部分由LF353運(yùn)算放大器二級(jí)放大，并通過(guò)程序控制CD4051來(lái)選擇放大的倍數(shù)。最后通過(guò)把正弦信號(hào)加與放大電路的輸入端，通過(guò)示波器觀察并顯示輸出端所測(cè)得的波形或者用毫伏表觀察結(jié)果，不同的放大倍數(shù)將顯示出不同的放大現(xiàn)象。2.2硬件電路器件選擇

2.2.1單片機(jī)的選擇此設(shè)計(jì)將采用89C51單片機(jī)來(lái)控制。89C51單片機(jī)其引腳采用40只雙列直插封裝方式，如右圖所示。89C51單片機(jī)具有較好的存儲(chǔ)效果，內(nèi)部結(jié)構(gòu)豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)算功能，對(duì)復(fù)雜電路的控制有很好的處理能力。其是一個(gè)低功耗、高性能的含有4KB閃爍存儲(chǔ)器的8位CMOS單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz，其具有的4K字節(jié)可電氣燒錄及擦除的程序空間，可以快速擦除程序并燒錄新的程序，方便實(shí)驗(yàn)。89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如上圖所示：89C51單片機(jī)片內(nèi)各功能部件都是通過(guò)單一總線連接而成，由微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（ROM）、4個(gè)8位的并行I/O口、一個(gè)串行口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)和特殊功能寄存器（SFR）組成。2.2.2開(kāi)關(guān)電路的選擇撥碼開(kāi)關(guān)可以用來(lái)控制開(kāi)關(guān)電路，在測(cè)試的時(shí)候使用撥碼開(kāi)關(guān)很方便，但是在開(kāi)關(guān)電路選擇的時(shí)候不能實(shí)現(xiàn)程序的控制，只能手動(dòng)控制，因此本設(shè)計(jì)在放大電路中使用模擬開(kāi)關(guān)芯片CD4051來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路的控制。CD4051在放大電路中驅(qū)動(dòng)作用很強(qiáng)，基于設(shè)計(jì)，每個(gè)CD4051使用三個(gè)開(kāi)關(guān)。因此在二級(jí)放大電路中只需要二個(gè)CD4051即可。這樣可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)“軟件實(shí)現(xiàn)硬件”的原則，且降低了外設(shè)硬件的成本。1.CD4051管腳圖

CD4051是單邊8通道的單刀八擲開(kāi)關(guān)。其引腳結(jié)構(gòu)如下圖：2.CD4051引腳功能說(shuō)明

CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來(lái)決定。圖1中，C、B、A為二進(jìn)制控制輸入端，改變C、B、A的數(shù)值，可以譯出8種狀態(tài)，并選中其中之一，使輸入輸出接通?！癐NH”是禁止端，當(dāng)“INH”=1時(shí)，各通道均不接通；當(dāng)INH=0時(shí)，通道接通。改變圖中IN/OUT0~7及OUT/IN的傳遞方向，則可用作多路開(kāi)關(guān)或反多路開(kāi)關(guān)。表1：?jiǎn)伟寺纺M開(kāi)關(guān)CD4051真值表2.2.3放大器芯片LF353雙JFET輸入運(yùn)算放大器放大器芯片LF353雙JFET輸入運(yùn)算放大器其管腳如下圖5所示：圖5放大器芯片LF353雙JFET輸入運(yùn)算放大器管腳圖2.2.4驅(qū)動(dòng)電路的選擇MC1413和74LS07，它們?cè)隍?qū)動(dòng)功能上有很大不同。其管腳如下圖所示，74LS07是正向驅(qū)動(dòng)元件，它具有升壓的作用，而MC1413是反向驅(qū)動(dòng)元件，由于驅(qū)動(dòng)功能不同，因而用在不同的電路中。當(dāng)電路中的電流或電壓不能達(dá)到所需電路的電流或電壓時(shí)，就需要使用驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)在放大電路中選擇7407。是因?yàn)?4LS07具有正向驅(qū)動(dòng)功能，所以在二級(jí)放大電路中采用74LS07來(lái)驅(qū)動(dòng)4051。左為74ls07管腳圖、右為MC1413管腳圖2.3系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.3.1主要模塊硬件設(shè)計(jì)1.單片機(jī)最小系統(tǒng)圖6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路在此程控放大電路中，盡使用最小系統(tǒng)板中的一部分8255和鍵盤(pán)，如上圖6所示，通過(guò)8255C口來(lái)讀取鍵盤(pán)，由單片機(jī)控制選擇需要放大的倍數(shù)，此最小系統(tǒng)能夠使操作人員通過(guò)它編程，利用單片機(jī)控制放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)的放大。2.可控增益放大電路的設(shè)計(jì)程控放大器千變?nèi)f化，但脫離不了3種基本類型，即反相放大器、同相放大器和差分放大器，而差分放大器實(shí)現(xiàn)程控較麻煩，所以往往用反相放大器或同相放大器的原型來(lái)設(shè)計(jì)程控放大器，如下圖所示，左圖為反相放大器，右圖為同相放大器。增益為：反相放大Av=-R1/R同相放大Av=1+R1/R本文設(shè)計(jì)的程控放大電路采用同相放大器，在此，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻部分采用劃線變阻器，這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻來(lái)適當(dāng)減少誤差。一級(jí)可控增益放大電路如下圖所示，放大電路采用LF353運(yùn)算放大器，其中U