单片机控制下的程控增益放大器设计

作者:   日期:2019-08-26

摘要:采用单片机外接DA模块输出控制电压对增益控制电路进行放大电路增益调节, 负载端的采样电压经过AD转换后反馈给单片机, 单片机动态调整增益控制电路的控制电压, 使输出的信号幅度在一定范围内保持一致。

关键词:单片机; 程控; 放大器;

引言:

  程控放大器使用方便, 故可在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等等方面使用尤为适宜, 程控增益调整比手工调整更优越。在使用电路放大器过程中, 希望电路增益能够调整得到不同幅值的输出信号, 确保数据采样的精确性。程控增益放大器的放大倍数可以通过程序设定调整。程控自动增益信号放大器在测控系统、智能仪器仪表等许多领域都有重要应用。在很多信号采集过程中, 信号在传播的过程中, 随着传播距离的改变, 信号变化的幅度都比较大。如果按照固定增益的放大电路对信号进行放大, 电路输出的结果就会过大或过小, 这种不稳定性会给后续的处理电路带来很大的麻烦。使用程控增益放大器, 可以有效实现量程自动切换, 有效提高AD转换的精度, 在数据采集系统、各种智能仪器仪表和自动测控装置中, 程控增益放大器应用越来越多。



一、 系统设计

  该直流宽带放大器的基本工作原理是利用STC89c51单片机作为微控制器。单片机控制DA芯片将程序设定的增益控制字以模拟电压形式输出给自动增益放大电路, AD反馈控制模块主用用于采样自动增益放大电路的输出端信号, 反馈给单片机进行判断信号输出是否稳定。单片机通过程序设定值和信号输出值进行比对后, 动态调节DA模块的增益控制电压, 达到稳定输出信号的目的。过流保护模块主要针对自动增益放大电路模块的输出接负载时, 防止负载端短路造成模块损坏。系统的自动增益放大电路模块主要由前级放大电路、程控放大电路、功率放大电路等3部分组成。输出信号经过检波电路, 由AD采样电路将有效电压值读取后, 单片机处理并显示。采样电压值和设定值进行比较, 不断调整整个闭环系统的输出, 使输出达到预设值, 并保持稳定。

二、 硬件设计

 2.1、 DA增益控制块

  本电路模块主要实现接收单片机的增益控制设定值, 以模拟量的形式输出给自动增益放大电路模块。MAX531芯片是美信集成产品公司生产的12位数模转换集成电路, 具有12位转换精度, 接口为串行口收发。该芯片具有较好的电压偏移、线性度, 内置单电源CMOS运算放大器, 可以根据需要配置为+1或者+2的增益。芯片最大工作电流为260uA。该模块主要接收单片机P13~P16控制信号, 将增益控制字以模拟电压形式从U14第14脚输出。本电路中C32、C33、C28在电路中的作用主要是对地耦合, 有效减少电路干扰, 保持DA的输出精度。

 2.2、 自动增益放大电路

  AD603为美国ADI公司生产的具有程控增益调整功能的集成运放, 具有低噪声、增益在90MHz带宽可调的特点。自动增益放大电路如图3所示。增益放大电路模块的增益值主要由控制电压Vg决定, Vg由单片机的DA输出获得。所以通过单片机可以调节电路的增益值, 电路增益计算公式为:GAIN=40×Vg+20 (d B) 。电路存在多级放大电路模块时, 前级和后级放大电路的增益值需要经过计算获得, 主要考虑幅值及频带宽度等指标。经过可控增益放大电路模块后的信号, 再经过功率放大得到输出信号。当第7和第5两管脚的连接不同电阻时, 其放大器的增益范围也不一样, 当两脚短接时, 增益为40Vg+10 (Vg表示U9第1脚和第2脚的电压差) 。Vg在-500mV~500mV时的增益范围在-10dB~30dB。本电路采用两片AD603的2脚对地压降固定, 从而Vg由U14的输出电压控制。两片AD603采用顺序级联形式, 可以满足带宽的条件下, 有效扩大调节电路的增益范围。本电路输入信号从J5端接入, 经过电压跟随器U7进行隔离跟随后, 信号输入到U9的3脚。信号经过U9一级放大后, 在经过信号跟随器U10进行隔离后, 经过U11放大, 再经过U12隔离跟随后, 从J6端输出有效放大信号。通过单片机调节DA输出, 可以有效调节U9和U11的增益控制电压, 由此改变输出电压值。

 2.3、 AD反馈控制

  AD模块主用用于采样输出端信号, 反馈给单片机进行判断输出是否稳定。单片机通过设定值和输出值进行比对后, 动态调节U9和U11的增益控制电压, 已达到稳定输出信号的目的。TLC548是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片, 可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT 3条口线进行串行接口。Q3和RT11、R5组成模块的基准源, 其电压值可以通过RT11调节。自动增益放大电路输出信号接U13第2脚。信号读写和AD输出值的读取由单片机的P20~P22控制。

 2.4、 过流保护模块

  本模块主要对自动增益放大电路模块的输出接负载时, 防止输出电流过流。过流保护电路如图5所示。采样增益放大电路模块的输出信号从本模块R24处输入U16的同相端。由运放U16组成同相比例放大电路, R2为负反馈电阻;U15作为比较器, 当负载过流时, U15的第2脚电压值会大于第3脚的基准源, 由此导致Q1管导通, 使得光耦U17导通后, 蜂鸣器LS1报警;与此同时U15第1脚输出低电平, 出发单片机的外部中断0, 执行过流保护程序。过流值可以通过调节U15的基准比较电压来实现, D1、RT10、R9组成基准调节电源。本过流保护电路模块, U16为OP07集成运放, 工作在比例放大状态, 主要是对采用电阻上的电压进行采集, 按照比例系数进行放大, 使得其第6脚的输出电压范围保持在0~5V的范围之内。U15为LM393集成运放, 该运放为比较器, 主要是将反相端的电压和同相端电压相比较, 反相端的电压为U16的输出电压, 同相端的电压可以通过RT10进行调节, 当U15第3脚电压大于第2脚电压时, U15第1脚输出端输出高电平;当U15第3脚电压小于第2脚电压时, U15第1脚输出端输出低电平。当U15输出高电平时, Q1管子就截止, 当U15输出低电平时, Q1管子就导通。

三、 软件设计

  系统软件流程图如图6所示。系统首先扫描按键, 获得设定值后DA输出, 增益控制块获得DA控制字后, 输出设定放大倍数的信号并通过液晶显示器显示, 同时进行AD采样和系统设定值进行比较, 形成闭环稳定输出。单片机不断采用输出端电压值, 并通过闭环反馈到输入端, 和设定值进行不断比较, 动态调节电路输出端, 使输出保持稳定, 有效减少系统的稳态误差。

四、 测试结果与分析

  搭建电路, 用信号发生器产生20mV/1MHz的正弦信号加在电路的输入端, 通过程序设置增益值, 测试电路实际输出幅值, 并和理论幅值做比较, 由此计算出信号增益误差。具体测试数据如表1所示, 测量的误差主要来自实验现场的电脑及仪器产生的电磁干扰。从表1可以分析得知:增益的误差基本稳定在0.2db范围之内, 随着预设增益增大, 电路输出信号幅度误差有所下降, 说明电路后级放大电路接近饱和状态, 因此, 可以通过提高后级电路的电源电压, 增强电路的增益稳定性。

五、 结语

  设计了基于单片机的程控增益放大器, 通过采用单片机系统设定程控增益值, 测试信号从电路输入端输入, 经过增益控制放大电路放大并进行AD采样反馈形成闭环控制, 经实验测试分析, 系统输出信号幅度误差保持在较小的范围波动, 较好地稳定了信号幅值。

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