基于單片機(jī)控制的放大器參數(shù)測試儀的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、一、題目要求和方案論證題目要求：1）制作出放大器參數(shù)測試儀1） 測試參數(shù)的種類、數(shù)量自定，電壓增益不小于1000，輸出幅度不小于10v；2） 測試參數(shù)的精度自定；3） 測試儀的功能，例如對測試的結(jié)果是否存儲、顯示、打印等自定。方案論證：方案一：基于模擬器件的信號處理方法整機(jī)測試指標(biāo)：放大器放大倍數(shù)，輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓。電路實(shí)現(xiàn)方法：前端信號采用8038集成函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生測量信號，頻率的改變利用改變外界的電阻方法來實(shí)現(xiàn)。放大器輸出幅度的測量采用二級管檢波的方法進(jìn)行測量，同時利用模擬除法電路對輸入信號和輸出信號進(jìn)行運(yùn)算，從而得到放大器的放大倍數(shù)。對于最大不失真電壓的測量采用模擬濾波

2、法，眾所周知，在放大器輸出電壓失真的情況下，會產(chǎn)生諧波分量，利用低通和高通濾波器，我們便可以將基波分量和諧波分量分離出來，從而得到基波分量與諧波分量的比值，根據(jù)比值的大小，我們便可以判斷出失真與否，還有失真的程度，即完成了對放大器參數(shù)的測量?；谀M器件的信號處理系統(tǒng)是一種比較傳統(tǒng)的信號處理方法，一般應(yīng)包括放大器、濾波器、乘法器、除法器等。這種系統(tǒng)實(shí)時性比較好，而且如果沒有對精度的特殊要求，它的造價一般也比較低。但用于這種場合是不合適的，原因在于這一信號處理系統(tǒng)要用到除法器，而模擬除法器要達(dá)到比較高的精度，其造價是比較高的，而且調(diào)試也比較困難，穩(wěn)定性很難保證，因此本設(shè)計(jì)將不采用模擬器件作為核心

3、的信號處理系統(tǒng)。方案二：基于cpld作主控單元數(shù)字測量與分析方法整機(jī)測試指標(biāo)：幅頻特性、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓、失真度的測量；電路實(shí)現(xiàn)方法：前級信號源利用fpga來實(shí)現(xiàn)，通過dds技術(shù)產(chǎn)生頻率和幅度可程控的信號源，用于對放大器的測量；后級輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓，失真度的測量，采用cpld控制外接高速ad進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，從而得到對放大器參數(shù)的測量。方案的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：完全依靠于數(shù)字化的測量，比如對最大不失真電壓的測量，可以利用cpld進(jìn)行fft，從而完成對信號頻譜的分析，得到最大不失真電壓和失真度的測量。此種方案處理速度快，實(shí)時性好。缺點(diǎn)：成本高，編程任務(wù)重，同時針對

4、題目的要求，由于電壓增益不小于1000倍，輸出幅度不小于10v,可以很明顯的看出，測量對象是低頻放大器，因此對主控單元的處理速度要求不是非常嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)過程中沒有采用此方案。方案三：基于單片機(jī)作為主控單元，利用數(shù)字器件的測量整機(jī)測試指標(biāo)：幅頻特性、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓；電路實(shí)現(xiàn)方法：信號源采用ad9850進(jìn)行生成，采用ad9850的最大優(yōu)點(diǎn)是頻率可控，頻率穩(wěn)定度高，且幅度穩(wěn)定，一般不需要外界的附加電路便可以實(shí)現(xiàn)，從而給電路的設(shè)計(jì)帶來方便，放大器的輸入阻抗測量采用等效電阻法進(jìn)行測量，放大器的輸出阻抗利用雙重負(fù)載法進(jìn)行測量，大負(fù)載接入放大器輸出端，可以將電壓信號完全采集出來，而利用

5、小負(fù)載時，由于放大器本身存在內(nèi)阻，因此當(dāng)小負(fù)載可以和放大器的輸出電阻相匹配的時候，便可以等效為放大器的輸出電阻和小電阻進(jìn)行分壓，從而利用公式可以求得放大器的輸出電阻。而最大不失真電壓的測量采用了頻域計(jì)算的方法，通過時域的測量并進(jìn)行了變換得到了最大不失真電壓。另外系統(tǒng)采用此方案，有許多優(yōu)點(diǎn)，例如不易受干擾、重復(fù)性好、調(diào)試容易、穩(wěn)定性好等，最突出的是精度高。缺點(diǎn)是：實(shí)時性較差、系統(tǒng)復(fù)雜，造價稍高，需要較多的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。對于這一系統(tǒng)，由于對實(shí)時性要求不是太高，而精度是主要矛盾，因此我們決定選取基于數(shù)字器件的信號處理系統(tǒng)，來完成本設(shè)計(jì)。綜上所述，我們選擇方案三，通過分析可以看到，方案一沒有充分應(yīng)用現(xiàn)在電

6、子器件的大規(guī)模集成電路，因此，實(shí)現(xiàn)的功能不能夠達(dá)到智能儀器的要求；方案二雖然應(yīng)用了大規(guī)模集成電路，但是成本較高，同時由于測量的放大器是低頻放大器，因此對速度要求不是非常嚴(yán)格，因此完全可以利用單片機(jī)來作為主控單元，同時前端信號的產(chǎn)生，利用了ad公司的單片dds專用芯片ad9850來實(shí)現(xiàn)，它具備與單片機(jī)方便的接口，可以通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對其產(chǎn)生信號頻率的控制，縮短了整機(jī)的開發(fā)時間。二、整機(jī)工作原理與功能實(shí)現(xiàn)1、 系統(tǒng)的方框圖設(shè)計(jì)待測放大器人機(jī)界面放大器測試儀123 圖2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖以上框圖中表示的為放大器參數(shù)測試儀的主要組成。1） 待測放大器：待測放大器的主要技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到或超過題目當(dāng)中

7、給定的測量指標(biāo)。經(jīng)過直接測量，放大器的最大放大倍數(shù)為1200倍，輸出最大不失真電壓為14v,輸入阻抗為10k，輸出阻抗為50-100歐姆。由此可見，這樣的低頻模擬放大器基本可以滿足我們的測試要求。待測放大器電路采用集成運(yùn)算放大器完成，集成運(yùn)算放大器性能指標(biāo)大大優(yōu)于晶體管組成的分立元件放大器。理想集成運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)：差模增益趨向于無窮大，輸入電阻趨向于無窮大，即兩個輸入端之間的等效電阻很大。集成運(yùn)放的共模抑制比很大，通常大于80至100db。關(guān)于集成運(yùn)放的輸出端與輸入端之間相位關(guān)系特性主要有下列幾點(diǎn)：同相輸入端與輸出端的信號相位相同，反負(fù)相輸入端與輸出端信號相位相反。在反相輸入端信號電壓不

8、變時，同相輸入端的輸入信號電壓增大，輸出端的信號也在增大；同相輸入端的輸入信號電壓減小，輸出端的信號也在減小。在同相輸入端信號電壓不變時，反相輸入端的信號電壓增大，輸出端的信號電壓減?。环聪噍斎攵说男盘栯妷簻p小，輸出端的信號電壓增大。集成運(yùn)放的輸出電壓由下式?jīng)Q定：uoao（ui1ui2）式中：uo為集成運(yùn)放的輸出電壓；ao為集成運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)；ui1為集成運(yùn)放同相輸入端信號電壓；ui2為集成運(yùn)放反相輸入端信號電壓。從上式中可以看出，當(dāng)輸入信號電壓uo1大于輸入信號uo2時，輸出信號電壓uo1大于零（為正）；當(dāng)輸入信號電壓uo1小于輸入信號uo2時，輸出信號電壓uo1小于零（為負(fù)）。為了電路

9、分析和計(jì)算的方便，需要將電路中的集成運(yùn)放看成是一個理想的集成運(yùn)算放大器，顯然當(dāng)集成運(yùn)算放大器的性能愈好時，計(jì)算和誤差就會愈小，所設(shè)計(jì)的實(shí)際電路與理論計(jì)算就愈接近。1：反相放大器反相輸入運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系為+_+uo_+ui_r1rfrpuo=- auf ui=-rf ui/r1輸入電阻 ri=r1輸出電阻ro0平衡電阻rp=r1/rf 圖2-2 反相放大器電路反饋電阻的阻值不可太大，否則會產(chǎn)生教大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐到幾百兆歐。r1的取值應(yīng)遠(yuǎn)小于信號源的內(nèi)阻。反相放大器的實(shí)際輸出電阻在一定的輸入電壓ui作用下，反相放大器的輸出端可以看作是電勢為一定值的有源二端網(wǎng)絡(luò)，其等效輸出電阻

10、是在無負(fù)載時輸出開路電壓uo除以負(fù)載短路電流ik，roe=uo/ik如下圖2-3所示，由于輸出端短路接地，輸出對反相端的反饋電壓為零，反相端對地的電壓為輸入電壓ui的分壓值+ui-r1u-r2rdr3i2ro+eo-ioik圖2-3 放大器輸出電阻等效計(jì)算電路u- =uir2/（rd+r3）/r1+r2/（rd+r3） =uir2（rd+r3）/r2（rd+r3）+r1（r2+r3+rd）差模輸入電壓經(jīng)過差模放大后的輸出電壓為eo= -ad（u-u+）=-adu-rd/（rd+r3）反相放大器的輸出短路電流ik是eo經(jīng)過ro的短路電流io和經(jīng)r2流入地的電流i2之和。則有ik=eo/ro+u-

11、/r2=-adr2rd+ro（rd+r3）ui/ror2（rd+r3）+r1（r2+r3+rd）由以上式子可求得反相放大器的等效輸出電阻為roe=uo/ik=ror2（rd+r3）+r1（r2+r3+rd）/rdr1ad+（rd+r3）（r2+ro）+r1（r2+r3+rd+ro）因?yàn)閞or1、r2，則roero/（1+ad f）可見反相放大器的輸出電阻與集成運(yùn)放的輸出電阻ro相比，降低了（1+ad f）倍。當(dāng)輸入交流信號時，由于運(yùn)放的開環(huán)增益是頻率的函數(shù)，反相放大器的輸出阻抗也是頻率的函數(shù)，則zoe=zo/1+ad（j）f一般信號頻率n，則輸出阻抗zoero/（1+adf），當(dāng)輸出頻率比較高

12、時，輸出阻抗將有很大的變化。2：同相放大器 同相放大器的電路圖如下圖2-4所示：+_+uo_+ui_r1rfrp圖2-4 同相放大器電路輸入與輸出之間的關(guān)系為 uo=（r1+rf）ui/r1輸入電阻 ri=ric此式中ric 為運(yùn)放本身同相端對地的共模輸入電阻，一般比較大，約為100兆歐母左右。同相放大器的輸出電阻與反相放大器的輸出電阻一樣 ro0平衡電阻為 rp=r1/rf同相放大器與反相放大器相比，同相放大器具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻是很好的阻抗變換器。2）放大器測試儀：這是測試放大器的最關(guān)鍵的部分，此部分可以實(shí)現(xiàn)對輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓，幅頻特性的測量。主要框圖如下：

13、信號源待測放大器檢波器多路開關(guān)a/d數(shù)據(jù)采集主控器mcu鎖存器圖2-5 放大器參數(shù)測試原理框圖3）人機(jī)界面：主要由兩大部分組成，分別為上位機(jī)顯示界面和下位機(jī)操作系統(tǒng)所構(gòu)成。對于下位機(jī)的操作系統(tǒng)主要包括，鍵盤部分，數(shù)碼管顯示部分，數(shù)據(jù)上傳部分，電源部分所構(gòu)成。其中，利用鍵盤，用戶可以選擇要測量的放大器參量，從而進(jìn)行相應(yīng)的測量；數(shù)碼管顯示部分，可以顯示用戶操作是否正確，操作的提示信息等附加功能；數(shù)據(jù)上傳部分是整個系統(tǒng)的連接紐帶，負(fù)責(zé)向上位機(jī)傳送測得的數(shù)據(jù)；電源部分主要為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源。2、各級電路的選取以及工作原理1）幅頻特性測量電路的選取采用檢波法測量輸入輸出的信號幅度，然后進(jìn)行除法

14、運(yùn)算，從而達(dá)到了測量幅頻特性的目的。對于前端信號利用了ad公司的專用集成芯片ad9850，它具有于單片機(jī)便捷的接口，因此可以通過軟件對輸出信號的頻率進(jìn)行控制，由于測量的對象是低頻放大器，因此我們使ad9850輸出的頻率范圍是從0500khz, 幅度的測量通過二極管檢波。在實(shí)際電路當(dāng)中，根據(jù)實(shí)際需要對電路參數(shù)進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置。為了保護(hù)ad9850，同時減小信號源的輸出阻抗，我們在ad9850的后側(cè)放了一級射隨，采用了ad813完成，此運(yùn)算放大器的帶寬為10mhz,完全可以滿足我們的需要，信號經(jīng)過射隨之后，經(jīng)過檢波管進(jìn)行檢波，所得的直流進(jìn)入a/d,放大器的輸出信號也要經(jīng)過檢波管進(jìn)行檢波,防止檢波電

15、路對前級放大器輸出造成影響，因此在放大器與檢波器之間加了一級的緩沖，從而達(dá)到了相互隔離的目的。檢波之后，得到的直流進(jìn)入a/d轉(zhuǎn)換，a/d的輸入切換通過模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，雖然模擬開關(guān)在導(dǎo)通時有一定的內(nèi)阻，但是電路采用模擬開關(guān)，切換的是電壓信號，用模擬開關(guān)便可達(dá)到這一目的，并且不會給系統(tǒng)帶來特別大的誤差；如果采用繼電器，雖然導(dǎo)通內(nèi)阻為零，但是切換速度不能過快，給系統(tǒng)的實(shí)時性造成影響。鑒于此種原因，我們選擇了模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)對電壓信號的切換測量。a/d轉(zhuǎn)換器，我們采用的是ti公司的8位串行單通道ad tlc0831，它占用外界資源少，接口簡單，編程方便。圖2-6 幅頻特性測試電路（一）圖2-7 幅頻特性測

16、試電路（二） 2） 輸入阻抗測量電路的選取在輸入阻抗測量電路的選取上，我們首先考慮到把放大器的輸入阻抗等效為一個待測電阻，建立起來這個概念之后，對于輸入阻抗測量電路的選取，就有了一個整體的認(rèn)識。將前端信號源和放大器的輸入端之間串入了一個已知阻值的電阻，然后通過檢波管對信號源的幅值和放大器等效輸入阻抗上的電壓幅值進(jìn)行檢波，送入a/d，并且通過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，便可以得到放大器的輸入電阻。具體的電路如下圖所示。圖2-8 輸入阻抗測試電路需要說明的是，對于測量放大器的輸入阻抗時上端已知電阻的選取到底以何種標(biāo)準(zhǔn)為宜，經(jīng)過我們反復(fù)的測試，發(fā)現(xiàn)這個已知電阻的選取既不能太大，又不能太小，太大則導(dǎo)致落在放大器等

17、效輸入阻抗的電壓值過小，測量不準(zhǔn)確；同理，如果阻值過小，導(dǎo)致信號源的壓降全都落在放大器的等效輸入電阻上，也不能精確的測量放大器的輸入電阻值。3） 輸出阻抗電路的選擇對于輸出阻抗的測量的方法與輸入阻抗有類似的方面，輸出阻抗也可以等效，這樣我們在放大器輸出時接入兩種不同的負(fù)載，一種是無窮大，相當(dāng)于開路時測量放大器輸出的電壓值，一種情況是接入一個阻值賦在很小的負(fù)載，這樣由于放大器本身存在內(nèi)阻，導(dǎo)致有一部分電壓會落在內(nèi)阻上，從而通過檢測電壓值，便可以計(jì)算出放大器的輸出阻抗。具體電路形式見下圖。圖2-9 輸出阻抗測試電路4） 最大不失真電壓測量的電路選取對于最大不失真的測量，已經(jīng)在前面的方案選擇里講到了

18、很多種的實(shí)際測量方法，可以利用時域分析法，頻域法；在這里我們采用了頻域分析的方法，利用a/d轉(zhuǎn)換器對放大器的輸出電壓進(jìn)行測量，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行fft變換，從而得到電壓的頻譜，再設(shè)計(jì)作品的實(shí)際過程中，我們利用了tektronix tds220數(shù)字示波器對放大器地輸出電壓進(jìn)行了頻譜分析，得到了其基波與各次諧波之間的頻譜幅度關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放大器的輸出電壓出現(xiàn)失真時，它的基波分量和三次諧波分量會有較大的變化，特別是三次諧波分量會很快上升，而基波分量有小幅度的下降，從而在對輸出電壓進(jìn)行fft之后，對其的基波與三次諧波的幅度進(jìn)行比較，便可以得到該放大器的輸出電壓是否失真，并可以得到最大不失真電壓。具

19、體電路如下圖所示：圖2-10 最大不失真電壓測試電路5） 信號源電路與a/d電路信號源采用ad公司的專用集成芯片ad9850，可以產(chǎn)生頻率可控的正弦信號。由于測量對象屬于低頻放大器，因此產(chǎn)生信號的頻率范圍是從0-500khz；ad9850采用32位頻率控制字，由于單片機(jī)是8bit數(shù)據(jù)寬度，因此需要4個字節(jié)便可以完成對9850頻率的設(shè)置；對于頻率與頻率控制字之間的關(guān)系，如下公式所示：其中公式當(dāng)中的fout是ad9850輸出的頻率值；頻率控制字；clkin是ad9850的主振時鐘。可以看到，根據(jù)所要得到的頻率值，很容易就可以得到ad9850的頻率控制字。通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對ad9850的操作就很容易的

20、得到了測量放大器的前端信號源。其中，ad9850的各位控制字和讀寫時序見下圖：圖2-11 ad9850時序圖a/d數(shù)據(jù)采集電路采用tlc0832進(jìn)行測量，a/d轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是05v，8bit串行，因此與微處理機(jī)接口與編程都十分方便。 tlc0832的基本特性：tlc0832是八位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它有兩個可選擇的輸入通道。tlc0832的特點(diǎn)如下：*8位分辨率；*可和微處理器接口或獨(dú)立使用；*可滿量程工作或使用5v基準(zhǔn)電源；*具有單通道或多路器選擇的雙通道，并可選擇單端或差分輸入；*采用單5v供電，輸入范圍為05v；*輸入和輸出與ttl和cmos兼容；tlc0832處于工作狀態(tài)時，置cs

21、端方可啟動轉(zhuǎn)換，并使所有的邏輯電路使能。cs在整個轉(zhuǎn)換過程中必須置為低電平，接著從處理器接受一個時鐘。當(dāng)一個時鐘的時間間隔被自動插入后，可以使多種轉(zhuǎn)換器選定的通道穩(wěn)定。而當(dāng)do脫離高阻狀態(tài)時，可提供一個時鐘的時間間隔的前導(dǎo)低電平，以使多路器穩(wěn)定。sar比較器用于對電阻梯形網(wǎng)絡(luò)輸出的逐次信號和輸入模擬信號進(jìn)行比較，比較器輸出則用于表示劉大于還是小于電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的輸出。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)同時從do端輸出，并以最高位(msb)開頭。在經(jīng)過8個時鐘后，轉(zhuǎn)換完成，cs變高，內(nèi)部所有寄存器清零，此時，輸出電路變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果希望開始另一個轉(zhuǎn)換，cs必須有一個從高到低的跳變，且后面應(yīng)緊跟著輸入地址數(shù)

22、據(jù)。 tlc0832的輸入配置可在多路器尋址時序中進(jìn)行，多路器地址通過di端移入寄存器。用多路器地址選擇模擬輸入通道的方法如表2-1所列，其工作時序圖如圖1所示。表2-1 選擇模擬輸入通道通道號ch0ch1輸入數(shù)據(jù)流（bit）110111圖2-12 tlc0831時序圖6） 數(shù)據(jù)處理與主控電路由于對數(shù)據(jù)采集與處理的速度要求不太高，同時以控制和運(yùn)算為主的系統(tǒng)一般選用單片機(jī)來處理數(shù)據(jù)，單片機(jī)技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，它的特點(diǎn)是以程序控制的方式把比較復(fù)雜的問題化大為小逐步求精，（如：乘法可以化為若干次加法處理）這樣一來非常復(fù)雜的問題也可以處理了，缺點(diǎn)是實(shí)時性較差，單片機(jī)由于其使用面非常之廣因此價格極其低

23、廉，對于本系統(tǒng)使用單片機(jī)是再合適不過了。在有些場合速度要求較高而問題又比較復(fù)雜（如：數(shù)字濾波技術(shù)）就需要我們另辟蹊徑了，比如dsp器件就是專為解決這些問題設(shè)計(jì)的。dsp器件從本質(zhì)上說和單片機(jī)類似也是程序控制方式，但其采用了不同于馮-諾依曼的哈佛結(jié)構(gòu)使程序運(yùn)行速度更快，在總線上采用流水線結(jié)構(gòu)，并專設(shè)有用于乘法運(yùn)算的硬件乘法器。這些技術(shù)的綜合運(yùn)用使得dsp器件執(zhí)行一條指令的時間以ns計(jì)。dsp器件的缺點(diǎn)是成本高對開發(fā)人員的數(shù)學(xué)功底要求較苛刻，但dsp器件以其固有的優(yōu)點(diǎn)代表著數(shù)字信號處理器件發(fā)展的方向。本系統(tǒng)采用89c51單片機(jī)，由于其優(yōu)良的性能和低廉的價格，用在本系統(tǒng)的數(shù)字處理機(jī)部分是非常合適的。

24、單片機(jī)按其性能可分為8位和16位，16位單片機(jī)由于其造價較高使用不多，8位單片機(jī)以51系列為代表。at89c51單片機(jī)是51系列單片機(jī)性價比較高的一種，內(nèi)含4k電可擦rom、128字節(jié)ram。用戶程序可以直接燒錄到芯片內(nèi)而不需要外配rom和ram非常方便，at89c51內(nèi)含兩個16位定時器，一個全雙工串口，5個雙優(yōu)先級中斷源，4個8位i/o口。這些資源在大多數(shù)場合已足夠用，這里也不例外，因此本設(shè)計(jì)的數(shù)字處理機(jī)電路非常簡潔。7） 顯示與鍵盤電路對于這部分電路、一般常用兩種辦法：a：利用專門譯碼芯片如cd4053和專用編碼芯片icl8279控制數(shù)碼管和鍵盤。b：利用單片機(jī)、i/o口直接驅(qū)動輸入方法

25、和完成對鍵盤的控制。顯示ad985089c51單片機(jī)鍵盤max7219圖2-13 顯示與鍵盤電路由于本設(shè)計(jì)用了多達(dá)16個鍵盤和8個數(shù)碼管，用專用模塊編碼譯碼成本相對較高(icl8279零售價40元)，所以不采用a方案。另一方面，考慮到本設(shè)計(jì)中單片機(jī)負(fù)荷較重，需要同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，并控制多個模塊工作，難以再給出i/o口來對鍵盤和數(shù)碼管進(jìn)行控制，因而b方案也是不合適的。針對以上分析，根據(jù)題目要求，我們用max7219來管理8位數(shù)碼管，利用單片機(jī)的p1口完成對鍵盤的掃描與控制，從而完成了廉價高效的顯示和鍵盤單元，由于max7219內(nèi)部有128字節(jié)的ram，因此還為系統(tǒng)提供了128位的ram，

26、以及更為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可謂一舉多得。實(shí)踐證明這樣的設(shè)計(jì)是行之有效的。8） 與上位機(jī)通訊電路串口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要介質(zhì)，所以串行通信在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中有著廣泛的應(yīng)用。而microsoft公司的vc+6.0功能強(qiáng)大，其基礎(chǔ)類庫（mfc）封裝了win32 api中的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)，可方便的支持串口通信。在放大器參數(shù)測試儀的設(shè)計(jì)中，為了能夠?qū)⒎l特性曲線、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓通過pc進(jìn)行顯示，我們運(yùn)用了串口進(jìn)行了下位機(jī)（單片機(jī)）與上位機(jī)（pc機(jī)）的通信。二者通過rs-232串行口接收或上傳數(shù)據(jù)和指令。傳輸介質(zhì)為二芯屏蔽電纜，接線圖如下圖所示：圖2-14 rs-232串

27、行口接線圖rs-232信號的電平和單片機(jī)串口的電平不一致，必須進(jìn)行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。在此使用的集成電平轉(zhuǎn)換芯片max232為rs-232c/ttl電平轉(zhuǎn)換芯片。它只使用單+5v為其工作，配接4個1uf電解電容即可完成rs-232電平與ttl電平之間的轉(zhuǎn)換。其原理圖如下圖所示，轉(zhuǎn)換完畢的串口信號txd、rxd直接和單片機(jī)at89c51相連接。圖2-15 rs-232c/ttl電平轉(zhuǎn)換圖3、電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1) 待測放大器的設(shè)計(jì)為了滿足測試要求，設(shè)計(jì)的放大器應(yīng)該具有放大倍數(shù)在1000倍以內(nèi)可調(diào)的特點(diǎn)，因此我們采用兩級運(yùn)放，第一級最大放大倍數(shù)50倍，第二級最大放大倍數(shù)為20倍，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

28、同相放大器與反相放大器相比，同相放大器具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻是很好的阻抗變換器。因此為了提高放大器本身的性能，我們第一級放大采用同相而第二級采用反相放大。其電路圖如圖2-15所示，圖2-16 放大器原理圖圖2-17 放大器電路圖2) 輸入阻抗測量電路的設(shè)計(jì)在輸入阻抗電路設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算過程中，考慮到了幾個參數(shù)的選取，包括檢波器的輸入阻抗，檢波二極管的抬升電壓的獲取，放大器輸入端固定電阻的阻值選??；為了提高檢波器的輸入阻抗，在檢波管的后級電阻選取了大電阻，為了提高低頻信號的檢波質(zhì)量，與其并聯(lián)的電容也選取了較大值，根據(jù)實(shí)際效果，檢波電阻為50k，檢波電容為10uf，通過實(shí)際測量，可以滿足

29、電路的要求。為了對幅度小的信號也能進(jìn)行檢波，防止檢波管的死區(qū)電壓影響檢波管的效率，在檢波管上加了一個偏置電壓，該電壓能夠讓檢波管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，從而提高了檢波效率。根據(jù)實(shí)際情況，選擇的檢波管型號為2ap9，屬于鍺管，因此將偏置電壓設(shè)置為0.3v，實(shí)際證明，效果很好。由于檢波電路的輸入阻抗與前面提到的電路均有直接關(guān)系，因此，在前面的電阻選擇上，我們均選用了較大的電阻，以免使檢波電路的輸入阻抗過小，影響前級電路。3）幅頻特性電路參數(shù)的計(jì)算在幅頻特性測量上，也應(yīng)用了檢波電路，具體電路參數(shù)與輸入阻抗的參數(shù)計(jì)算過程近似。電路實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在放大器放大倍數(shù)超過800倍時，放大器輸出檢波器會對放大器的輸出

30、信號造成影響，這對測量輸出阻抗和最大不失真電壓是極為不利的。防止出現(xiàn)這種失真，我們在放大器的輸出端加了一級射隨器，這樣解決了放大器失真的問題。4） 輸出阻抗的測量參數(shù)的計(jì)算對待測放大器進(jìn)行了手動測量，發(fā)現(xiàn)放大器的輸出阻抗在10歐姆-30歐姆之間，如此小的輸出阻抗，給實(shí)際的自動測量帶來了很多技術(shù)難題。針對這個問題，我們采用了雙負(fù)載對輸出信號進(jìn)行提取，對于雙負(fù)載的切換，并沒有采用模擬開關(guān)，而是采用繼電器，因?yàn)檩敵鲎杩贡旧砭洼^小，采用模擬開關(guān)，由于其本身存在導(dǎo)通電阻的問題，因此會給測量帶來很大的誤差。雖然繼電器切換頻率不能過快，但是對于放大器輸出阻抗的測量上并不需要對繼電器進(jìn)行過高頻率的切換，因此采

31、用繼電器實(shí)現(xiàn)切換是理想的選擇。放大器的雙負(fù)載，在實(shí)際過程中，我們分別選擇了100k和100歐姆，因此可以對放大器的輸出阻抗進(jìn)行測量。三、at89c51軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 放大器各參數(shù)測量程序設(shè)計(jì)此部分處理程序主要控制著a/d轉(zhuǎn)換器的工作，檢測峰值，繼電器和模擬開關(guān)的切換，與微機(jī)的通信和顯示鍵盤通信等。1）主程序設(shè)計(jì)初始化部分用于加載各特殊功能寄存器的值，和一些重要的寄存器初始狀態(tài)，然后檢測是否開始測量，這時程序不停檢查各測量標(biāo)志位的狀態(tài)，一旦有要測量的指標(biāo)，馬上跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序完成對相應(yīng)指標(biāo)的測量，放入暫存器保存當(dāng)前值，以備用于上傳到pc機(jī)。（詳細(xì)程序見附錄）2）中斷程序設(shè)計(jì)中斷程序主要用于鍵盤檢

32、測與相應(yīng)功能標(biāo)志位的置位，一旦有中斷申請，證明要測量放大器的某個參數(shù)，程序馬上執(zhí)行置標(biāo)志位的工作，并迅速跳回主程序，主程序可以通過判斷相應(yīng)的測量標(biāo)志位是否置位來執(zhí)行相應(yīng)的程序，這樣可以保證對鍵盤響應(yīng)的測量任務(wù)每一次都能以最快的速度執(zhí)行，并且不會影響其他中斷源的工作。3）定時器中斷程序設(shè)計(jì)定時器中斷程序主要用于控制a/d轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，由于在測量放大器的輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓的過程中，要通過信號源加入一定頻率的正弦信號，然后通過測量輸入信號與待測量點(diǎn)之間的關(guān)系來計(jì)算出各個放大器的參數(shù)，信號源提供的頻率為300hz,因此采樣速率我們設(shè)置為5k,因此在一個周期當(dāng)中相當(dāng)于采集了16個點(diǎn)，

33、總共采集點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)，在測來能夠最大不失真電壓的時候，我們利用的單片機(jī)進(jìn)行fft變換，實(shí)踐證明由128個數(shù)據(jù)點(diǎn)來進(jìn)行fft變換得到信號的頻譜是比較好的。定時器初值計(jì)算：0ebhtl0 0fehth0h100592.11/8102.6553665536102.5k64-=-=-=-ebfes時鐘周期定時時間初值定時時間1-44）串行通訊中斷子程序設(shè)計(jì)串行通訊主要用于接收微機(jī)的控制信號，和握手信號，握手信號是一個特殊數(shù)值，當(dāng)單片機(jī)接到這個信號后，馬上在返回給微機(jī)這個信號，這樣微機(jī)就可以判斷出和本系統(tǒng)是否連上，為下一步的處理做準(zhǔn)備，由于程序很簡單，在此就不多作介紹了，詳細(xì)情況參見源程序清單。波特率

34、計(jì)算：晶振選用11.0592mhz的原因，只有這一晶振頻率下才能保證單片機(jī)工作最快且定時器的初值為整數(shù)，否則或者單片機(jī)工作速度下降或者波特率不準(zhǔn)影響通訊質(zhì)量。第二節(jié) 顯示與鍵盤處理程序設(shè)計(jì)顯示與鍵盤處理程序擔(dān)負(fù)著原始數(shù)值信號到顯示七段碼的變換，對數(shù)碼管和鍵盤的掃描等功能。此部分程序由于在數(shù)碼管掃描時采用的是max7219專用數(shù)碼管掃描芯片，max7219是串行接口，能驅(qū)動8位數(shù)碼管，其讀寫時序非常簡單，根據(jù)下面的時序圖，我們很容易的編寫了at89c51的程序，在單片機(jī)當(dāng)中，我們開辟了8個字節(jié)作為顯示緩沖區(qū)，同時用max7219的最大優(yōu)點(diǎn)是，一旦單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給max7219之后，那么單片機(jī)就

35、不用去管理數(shù)碼管了，可以由max7219單獨(dú)來完成掃描過程。mxa7219時序圖如下圖所示：圖3-1 max7219時序圖鍵盤程序采用中斷設(shè)計(jì)方法，通過與門連接到單片機(jī)的中斷口上，我們利用了中斷int0，從而實(shí)現(xiàn)了對4*4鍵盤的掃描。由于程序設(shè)計(jì)不是很復(fù)雜，在此不再加以贅述，詳見程序清單。四、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)對于單片機(jī)與pc機(jī)通訊采用了協(xié)議，傳輸波特率為9600，通過vc+ 6.0編寫上位機(jī)的程序，在windows 環(huán)境下提供了完備的api應(yīng)用程序接口函數(shù)，程序員通過這些函數(shù)與通信硬件接口。通信函數(shù)是中斷驅(qū)動的：發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將其放入緩存區(qū)，串口準(zhǔn)備好后，就將其發(fā)送出去；傳來的數(shù)據(jù)迅速申請中斷，

36、使windows 接收它并將其存入緩沖區(qū)，以供讀取。發(fā)送過程較易實(shí)現(xiàn)，接收處理方式主要有查詢和中斷方式。采用查詢方式時，cpu要不斷測試串口是否有數(shù)據(jù)，以防止接收串口數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤、遺漏、效率低；而采用中斷方式則無需測試串口，一旦有數(shù)據(jù)傳至，cpu終止當(dāng)前任務(wù)，由中斷服務(wù)程序完成操作，所以，中斷方式具有效率高、接收準(zhǔn)確、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此在上位機(jī)程序的編寫過程中采用的是中斷接收方式。第一節(jié) 通信協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)傳輸，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，我們在單片機(jī)與上位機(jī)通訊時，約定了協(xié)議，當(dāng)單片機(jī)向pc機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字時，pc機(jī)程序才執(zhí)行相應(yīng)的功能?，F(xiàn)將雙方的通訊協(xié)議介紹如下：波特率為9600bit ,n8

37、1(無奇偶校驗(yàn)，8數(shù)據(jù)位，1停止位),每個字節(jié)使用ascii碼1、 幅頻特性（單位：橫軸k歐姆，縱軸倍數(shù)）a 總點(diǎn)數(shù) x 坐標(biāo) x 坐標(biāo) 。 s起始位1字節(jié) 幅頻特性總點(diǎn)數(shù)4字節(jié) 1字節(jié) 7字節(jié) 。 停止位1字節(jié)2、 輸入阻抗（單位：k歐姆）i 輸入阻抗 s 起始位1字節(jié) 3字節(jié) 停止位3、 輸出阻抗（單位：歐姆）o 輸出阻抗 s1字節(jié) 5字節(jié) 停止位4、 最大輸出不失真電壓（單位：v）v 最大輸出不失真電壓 s1字節(jié) 2字節(jié) 停止位 第二節(jié) 程序?qū)崿F(xiàn)與流程該程序?qū)崿F(xiàn)主要功能為：以圖形的方式顯示被測放大器的幅頻特性，輸入阻抗，輸出阻抗及最大不失真電壓。程序?qū)崿F(xiàn)方法，串口通過mscomm控件接收

38、數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并在屏幕上顯示出來。1. 在oninitdialog中配置串口串口設(shè)置為二進(jìn)制方式，大于等于一個字符則發(fā)出一個oncomm事件，配置為“9600，n,8,1”。2. oncomm函數(shù)oncomm函數(shù)接收數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，檢測到s后則判為一組新數(shù)據(jù)接收完，發(fā)出wm_comnewdata消息。3數(shù)據(jù)處理oncomnewdata()函數(shù)響應(yīng)wm_comnewdata消息并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為防止前一數(shù)據(jù)未處理完畢又接收到新數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)丟失，特設(shè)一循環(huán)檢測直到處理完畢。4屏幕顯示在onpaint()函數(shù)中將接收到的數(shù)據(jù)按其特定的方式顯示出來。各部分程序流程圖ny清空m

39、_fa將得到的新值賦給m_fa按得到的頻點(diǎn)對未采集到的插值ym_strrxdata中有無i解碼后送給m_rin即輸入阻抗解碼后送給m_routm_strrxdata中有無v解碼后送給m_violocitym_strrxdata中有無o開始m_strrecv從開始到s賦給m_strrxdatam_strrecv中有無sm_strrxdata中有無a結(jié)束ynnyny圖4-1 屏幕顯示程序流程圖上位機(jī)的程序流程如下圖所示：將內(nèi)存位圖顯示在顯示器結(jié)束開始創(chuàng)建內(nèi)存dc及位圖背景圖放入內(nèi)存 在內(nèi)存dc上繪制網(wǎng)格線在內(nèi)存dc上繪制字符標(biāo)注繪制幅頻響應(yīng)曲線圖4-2 上位機(jī)程序流程五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量與誤差分析為了

40、驗(yàn)證所作放大器參數(shù)測試儀是否能夠達(dá)到測試指標(biāo)，我們用儀器進(jìn)行了實(shí)際的測量，實(shí)驗(yàn)儀器與測試數(shù)據(jù)如下。我們用到的測試儀器是，wyk302b2直流穩(wěn)壓源、sg1640b信號發(fā)生器、tektronix tds220數(shù)字示波器、da-16型晶體管毫伏表、sabtronics （5000 dmm/scanner型） 高精度7位半數(shù)字電壓表。1）放大器幅頻特性測試表5-1 放大器幅頻特性測試數(shù)據(jù)直流電源vcc=+15v，輸入信號峰峰值：vpp=10mv輸出信號uo也是峰峰值f/hz10023554376410181300157018602160uo/v12.212.212.212.212.212.212.1

41、512.112.0au122012201220122012201220121512101200f/khz2.542.903.504.044.725.285.926.958.05uo/v11.911.8511.8011.6511.5011.4011.3011.2010.90au119011851180116511501140113011201090f/khz9.2510.6211.9012.5012.9914.5017.7920.2825.03uo/v10.309.648.968.688.487.686.485.684.44au1030964896868848768648568444f/khz3

42、3.0039.5050.7660.2065.2080.3989.30101.5131.5uo/v3.242.581.841.381.160.8240.6880.5600.388au32425818413811682.466.856.033.8f/khz155.2259.3353.9413.4491.5uo/v0.2760.1080.0980.0820.051au27.610.89.88.25.1根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以畫出放大器的幅頻特性圖如下所示，為了方便觀察，我們將此圖分為0500khz和0100khz兩檔來畫。 圖5-1 放大器幅頻特性圖（0500khz）(12990hz,848)圖5-2 放大

43、器幅頻特性圖（0100khz） 由以上的數(shù)據(jù)和幅頻圖分析我們可以很明顯的看到，放大器的低頻放大倍數(shù)為1220倍，通頻帶為0hz13khz，滿足低頻放大器的要求。2）最大不失真電壓直流電源vcc=+15v ，f為輸入信號頻率，vpp為最大不失真電壓表5-2 最大不失真電壓測量數(shù)據(jù)（一）f/khz0.1010.3960.5621.021.342.454.916.428.57vpp/v14.414.514.514.414.314.414.414.314.3可見在08.57khz范圍內(nèi)最大不失真電壓基本保持不變，因此，在測量時采用300hz信號輸入。最大不失真電壓vpp=13.380.08v直流電源v

44、cc=+12v ，f為輸入信號頻率，vpp為最大不失真電壓表5-3 最大不失真電壓測量數(shù)據(jù)（二）f/khz0.1150.3260.5871.121.983.565.126.778.43vpp/v11.611.511.611.411.311.411.411.311.3可見在08.43khz范圍內(nèi)最大不失真電壓基本保持不變，因此，在測量時采用300hz信號輸入。最大不失真電壓vpp=11.40.1v3）輸入電阻的測量放大器輸入電阻測試電路如下圖所示rin放大器r1+uin-+u1- us=u1+uin u1/uin=r1/rin +us-rin=uinr1/u1 r1=5.6k 圖5-3 放大器輸

45、入電阻測試電路表5-4 放大器輸入電阻測試數(shù)據(jù)（一）f=306hzus/v0.4961.2001.4501.7201.990uin/v0.2460.5720.7080.8500.980u1/v0.2500.6280.7420.8701.010rin/k5.5105.1015.3435.4715.433表5-5 放大器輸入電阻測試數(shù)據(jù)（二）f=510hzus/v0.5820.7821.3501.7002.020uin/v0.2640.3640.6540.8501.010u1/v0.3180.4180.6960.8501.010rin/k4.6494.8765.2625.6005.600表5-6

46、放大器輸入電阻測試數(shù)據(jù)（三）f=5.01khzus/v0.6300.8561.0801.5902.010uin/v0.2880.3940.5700.8101.020u1/v0.3420.4620.5100.7800.990rin/k4.7164.7766.2595.8155.769由以上數(shù)據(jù)可見在05khz范圍內(nèi)放大器的輸入電阻變化不大，因此，在測量時采用300hz信號輸入來測量放大器的輸入電阻。rin=5.30.4k4）放大器輸出電阻的測量放大器輸出電阻的大小反映了放大器帶負(fù)載的能力，ro越小，帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，當(dāng)ro rl時，放大器可以等效為一個恒流源。測量電路如下圖所示。在波形不失真的前

47、提下，首先測量rl 沒有接入的輸出電壓u，然后接入負(fù)載rl再測量此時放大器的輸出電壓uo，則放大器的輸出電阻為 ro=（u/uo1）rl測量時兩次測量輸入電壓ui要保持相等，而且大小要適當(dāng)，保證在接入和斷開時輸出波形不失真。rl與ro數(shù)量相當(dāng)，同時考慮到lm358的最大輸出電流為1020ma，為了使輸出波形不至于失真，因此選擇rl=200。+ui-rororl+uo-放大器+u-k圖5-4 放大器輸出電阻測量電路表5-7 放大器輸出電阻測試數(shù)據(jù)（一）f=306hzu/v0.502.083.104.145.12uo/v0.481.902.803.684.48ro/20.8318.9521.432

48、5.0028.57由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出當(dāng)信號頻率為300hz時，放大器的輸出電阻為ro=234表5-8 放大器輸出電阻測試數(shù)據(jù)（二） f=500hzu/v1.031.371.682.062.51uo/v0.9761.291.581.962.36ro/11.0712.4112.6610.2112.71由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出當(dāng)信號頻率為500hz時，放大器的輸出電阻為ro=121從測量和計(jì)算的結(jié)果來看，輸入信號的頻率不同測得的放大器輸出電阻也不一樣，其基本趨勢是隨著頻率的升高輸出電阻減小，這是由于運(yùn)算放大器的輸出級晶體管的節(jié)電容的容抗隨著頻率的升高而減小造成的；而且當(dāng)輸入交流信號時，由于運(yùn)放的開環(huán)增

49、益是頻率的函數(shù)，放大器的輸出阻抗也是頻率的函數(shù)， zoe=zo/1+ad（j）f則當(dāng)輸出頻率變化時，輸出阻抗將發(fā)生變化。 所以，放大器輸出電阻隨輸入信號的頻率變化而變化是可以接受的。在測量過程中，由于放大器輸出電阻基本在十幾到幾十歐，我們采用300hz輸入信號來進(jìn)行測量。利用放大器參數(shù)測試儀測量的實(shí)際效果如下圖所示：圖5-6 放大器參數(shù)測試儀測量實(shí)際效果圖綜上所述：利用放大器參數(shù)測量儀測得的數(shù)據(jù)，基本上是準(zhǔn)確的，存在一定的誤差，這是由于各方面的因素導(dǎo)致的，比如a/d精度，運(yùn)算放大器的噪聲，檢波二極管的非線性等導(dǎo)致。六、系統(tǒng)存在的問題和改進(jìn)的措施1）存在的問題a: 參數(shù)測量不是特別精確在測量輸出

50、阻抗時很明顯，這是由于a/d的精度問題，同時運(yùn)算放大器本身存在干擾，實(shí)測表明，a/d轉(zhuǎn)換器的前端信號存在10mv的噪聲，因此，在單片機(jī)讀入a/d的轉(zhuǎn)化數(shù)值之后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。會給每次的測量帶來一定的誤差。b: 上位機(jī)界面過于簡單由于時間有限，同時對儀器儀表方面的知識積累還很不夠，所以一個能夠讓所有用戶都能滿意的儀器到底是什么樣的用戶界面，還是一個值得我們認(rèn)真去調(diào)查、去思索的問題，因此，界面的設(shè)計(jì)上肯定會出現(xiàn)不完備的情況。2）解決的方法a：測量不精確的解決方法輸出穩(wěn)定的改進(jìn)在不對本設(shè)計(jì)進(jìn)行原則性改動時可以使用rc濾波器對噪聲進(jìn)行濾除，同時單片機(jī)軟件上可以采用平均的辦法在一定程度上改善穩(wěn)定性。b：界面改進(jìn)的問題這方面的改進(jìn)還是很好做的，主要是對界面的功能進(jìn)行改進(jìn)，比如增加同頻帶指示線，還可以讓測量的幅頻特性以db形式表現(xiàn)。3）前景展望此系統(tǒng)還有很大的開發(fā)空間和潛力，可以分為以下幾個方面來講。