1、 江西科技师范大学毕业设计（论文）基于单片机的程控放大器设计年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 电子科学与技术 指导老师: 年 月江西科技师范大学本科毕业设计(论文)摘 要本设计由直流稳压电源、前置放大电路单元、增益控制部分、功率放大部分、单片机自动增益控制部分几个模块构成。输入部分采用高速电压反馈型运放 OPA642 作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。同时利用可变增益宽带放大器 AD603来提高增益和扩大 AGC 控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。功率输出部分采用分立元件制作，提高了
2、负载阻值以及输出有效值。控制部分由 51 系列单片机、A/D、D/A 和基准源组成。整个系统通频带为 1kHz20MHz，最小增益 0dB，最大增益 80dB。增益步进 1dB，60dB 以下预置增益与实际增益误差小于 0.2dB。不失真输出电压有效值达 9.5V，输出 4.55.5V 时 AGC 控制范围为66dB，应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制,AGC 稳定性好,可控范围大,完成了设计的所有基本要求并做适当的发挥，使设计更完善。关键词：程控；宽带；自动增益控制；AD603；AGC 江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 II 页 共 29 页AbstractThe des
3、ign of the DC power supply, the preamplifier circuit unit , gain control section , the power amplifier section , SCM AGC part of several modules . The input section with high-speed voltage feedback op amp OPA642 as a follower to improve the input impedance , and without affecting the performance of
4、the conditions to the input section added protection circuit. Using a variety of measures to reduce noise interference and suppress high frequency self-excited . While taking advantage of the variable -gain broadband amplifiers AD603 to improve and expand the AGC gain control range , reducing the ga
5、in adjustment step interval and improve accuracy by software compensation. Power output section using discrete components , improving the load resistance and the output rms . Controlled in part by the 51 series micro controller , A / D, D / A and a reference source components. Passband of the entire
6、 system 1kHz 20MHz, the smallest gain 0dB, the maximum gain 80dB. Gain step 1dB, 60dB gain with the following preset actual gain error is less than 0.2dB. Undistorted output voltage effective value of 9.5V, 4.5 5.5V output when the AGC control range of 66dB, the application micro controller and digi
7、tal signal processing techniques to gain presets and control , AGC good stability , large controllable range , completed the design all the basic requirements and make the appropriate play to make the design better .Keywords: programmable ; broadband ; AGC ; AD603; AGC江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 III 页 共 29
8、页目 录摘 要 .2一、设计题目，要求，意义 .4二、方案论证与比较 .42.1 可控增益放大器部分 .42.2 功率输出部分 .72.3 测量有效值部分 .7三、具体系统设计 .83.1 总体设计思路 .83.2 系统各模块电路的设计与分析 .103.2.1 直流稳压电源 .103.2.2 前置放大电路单元 .103.2.3 增益控制部分 .113.2.4 功率放大部分 .113.2.5 自动增益控制（AGC） .12四、理论分析与参数计算 .134.1 电压控制增益的原理 .134.2 AGC 介绍 .134.3 正弦电压有效值的计算 .13五、单片机软件的设计 .145.1 软件功能 .
9、145.2 流程图 .155.3 代码分析 .15六、抗干扰措施分析 .20七、误差分析及性能总结 .217.1 误差分析 .217.2 性能总结 .21八、课程设计心得与体会 .218.1 课程设计过程 .218.2 问题与解决方法 .218.3 心得体会 .22九、参考文献 .23十、附录（电路图） .23江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 IV 页 共 29 页一、设计题目，要求，意义。1.1.设计题目基于单片机的程控放大器设计1.2.设计要求(1)输入阻抗1k；单端输入，单端输出；放大器负载电阻 600 ；（2）3dB 通频带 10kHz6MHz，在 20kHz5MHz 频带内增益
10、起伏1dB； （3）最大增益40dB，增益调节范围 10dB40dB； （4）最大输出电压有效值3V。1.3.设计意义模拟电子线路的主要知识点有三点，即放大器，振荡器和调制解调器，而后 二者也多是以放大器为基础，所以放大器实际上是模拟电子线路最重要最基础的知识点。而对放大器而言，最主要的是反映当前新技术，新器件的应用。高速宽带，增益可程控，低噪声，高输入阻抗，高共模抑制比。程控宽带放大器这个题目正是切中了这个主要知识点的诸多主要方面。同时该课题还能同单片机应用等数字化技术与微机技术，较好地体现了当前“模拟的系统概念加数字化的处理技术”这一个电子技术发展的总趋势。二、方案论证与比较2.1 可控增
11、益放大器部分方案一 由晶体管简单放大电路的放大电路可以实现重叠，图 1 是一个分立放大器装置的电路图。为了满足 40dB 的增益的要求可以采用多级放大器电路来实现。二极管检测器的自动增益调整前产生反馈电压调节器电路的输出级电路。因为该程序使用了大量的分立元件，如晶体管和其它电路是比较复杂的，难以调整工作点，特别是定量的增益调整是非常困难的。此外，采用多级放大器电路的稳定性差，容易产生自激现象。江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 V 页 共 29 页图 1 分立元件放大器电路图方案二 原理框图如图 2 所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对 V的分压。采用场效应管作
12、AGC 控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。 图 2 场效应管放大器电路图方案三 为了便于最大 40dB 的增益调整，可以使用 D / A 芯片 AD7520 改变反馈电阻网络电压，从而控制电路的增益的权利。又考虑到 AD7520 是一种廉价型 10 - 位D / A 转换芯片，输出 VOUT = DN Vref/210 ，其中 DN 是 10 个数字输入的二进制值，可满足 210 = 1024 块的增益调整，以满足精度要求被检体。它是由 CMOS 电流开关和电阻梯形网络的结构，具有结构简单，精度高，体积小
13、，易于控制，简化江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 VI 页 共 29 页外部接线和其它特征，它可以被用来实现 AD7520 可编程的信号衰减。然而，由于输入基准电压 Vref AD7520 具有用于将输入信号在一定的保证金要求在毫伏V 分别具有增益的更精确的大小，最好的信号之前通过一个自适应振幅调整到达 AD7520 放大器，并然后通过 AD7520 衰减围绕相应的级放大级的增益，使 1024 的情节，而分母的衰减补偿 AD7520 可以通过编程来实现放大。然而 AD7520 的输入范围是必需的，特别是实现更复杂的和非线性变换误差大，几 kHz 的带宽，频带不能满足要求。方案四 使用增益
14、控制电压是线性的，可编程增益放大器 PGA ，用控制电压和增益（dB ）可变增益放大器之间的线性关系来实现增益控制（图 3） 。根据对放大器增益控制要求的主题，考虑直接选择可调增益运算放大器，如 AD603 。内的 R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器，它被施加到由固定增益放大器的输出，衰减的通过在所确定的增益控制的基准电压施加的衰减量的梯形网络的信号输入端接口;而这个参考电压可以由微控制器可操作性和控制 D / A 输出控制电压的芯片来，以达到更精确的数控。 AD603 也可以通过直流可以提供到 30MHz 工作带宽比可以提供超过增益单级实际工作中衰减 20dB，你可以得到 40dB 以上的
15、增益多两至后级放大器的输出级联后，也是在高频率提供了更多的比增益 60dB 的。这种方法的优点是该电路的高集成度，相干清晰，易于控制，易于使用的单芯片数字处理。 图 3 可变增益的运放放大器电路图江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 VII 页 共 29 页总之，程序四个选择，集成了可变增益放大器 AD603 的增益控制。 AD603 是一款低噪声，精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高 0.5dB 的最大增益误差，以满足主体的精度要求，增益（分贝）与控制电压（V）是线性的，所以你可以很容易使用的 D / A 输出电压控制放大器的增益。2.2 功率输出部分 级联放大器电路由两个 AD603
16、，输入信号可以是不同大小的前置放大器。因为最大输出电压 AD603 是小的，不符合主体的要求，所以，通过输出 RMS 来达到一个更高的水平所需要的前置放大器信号放大。方案一 采用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单，使用方便，性能稳定，具有详细的文档。但要求高于 3V rms 输出，而在电子市场上很难买到这样的芯片，而我们买的 AD811 ， HA- 2539 等芯片，虽然输出电压的大小，以满足需求，但它是问题容易出现不稳定的情况。方案二 采用分立元件来建立自己的后级放大器。难使用分立元件，调试繁琐，但它可以通过最合适的输入和输出阻抗，放大和其它参数来计算设计，电阻器和电容器，可能需要更换，
17、这似乎在这一点上比 IC 灵活。所以，自行设计的放大器的优点是显而易见的综上所述，采用方案二。2.3 测量有效值部分方案一 程序上高速 ADC 电压进行采样，一个星期内，数据输入和计算微控制器的有效值，电压有效值可以得出： 21niiUN江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 VIII 页 共 29 页该程序具有很强的抗干扰能力，设计灵活，精度高，但难以调试，高频率采样困难和计算密集型，增加了软件的难度。方案二 精密整流和集成，以获得正弦电压，那么 ADC 采样的平均值，用平均值和有效值计算有效值显示之间的简单转换关系的信号。只有一个简单的整流滤波电路和微控制器就可以完成交流信号的有效值测量。
18、但是，衡量非正弦波的这种方法会导致较大的误差。 方案三 真有效值转换与集成芯片，真正的 RMS 输出直接测量信号。这有效值测量，从而实现任意波形。综上所述，使用方案三，变换芯片 AD637 的选择。 AD637 是一个真有效值转换芯片，它可以测量信号有效值高达 7V ，精度优于 0.5 ，和更少的外部元件，频带宽，对于 1V 信号为 8MHz 其 3dB 带宽的有效价值，你可以输入信号以 dB 为单位的水平表明该程序的硬件，软件简单，准确度也高，但不超过 8MHz 的信号更高。这个程序的硬件很容易实现，并为 8MHz 或更低时测得的 RMS 精度可以得到保证，在被摄物体的精确度要求高，在通频带
19、 10kHz 到 6MHz 的。 三、具体系统设计3.1 总体设计思路根据拍摄对象的要求，结合考虑各种选项，模拟和数字系统充分利用各自的优势，发挥自己的优势，采用单片机前置放大器增益和控制方法，大大提高了系统的精度和可控性 ;后期放大器，设计用于由分立元件的使用互补推挽输出放大器增加输出电压有效值，从而使信号一直是最合理的前置放大器在单芯片数字控制算法。系统框图：江西科技师范大学本科毕业设计(论文)第 IX 页 共 29 页由输入信号前置放大增益放大电压通过 D 由单片机控制的控制/ A 转换器提供。的 AD603 Vg 的（= V1-V2）根据公式：增益 GAIN = 40 Vg 的 20 （ dB）被置位，并且在 AGC 模式下，控制电压 Vg 由 AGC 电路，而不是供应链管理的反馈电压而得到。后的最终级放大器之后的预放大信号都经过精确的测量和计算，以获得所需的输出信号，前，后级增益的匹配。由峰值检波电路中，反馈到由 RMS 得到的微控制器，
