自動增益控制放大器

1、吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計報告書課 程 單片機(jī)課程設(shè)計 課 題： 自動增益控制放大器 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 年 級： 指導(dǎo)教師： 基地指導(dǎo)教師： 2014 年 11 月一、項目介紹與設(shè)計目的（1）此為2014年湖南電子設(shè)計大賽C題的設(shè)計報告，要求為： 一、基礎(chǔ)部分 1、輸入一個電壓為0.01-0.03V的直流電壓（峰值），要求輸出電壓為10V（峰值） 2、輸入一個電壓為0.1V的直流電壓（峰值），要求輸出電壓為10V（峰值） 3、輸入一個電壓為10V的直流電壓（峰值），要求輸出電壓為10V（峰值） 二、提高部分 1、輸入一個電壓為0.01-0.03V的交流電壓（峰值），要求輸出

2、電壓為10V（峰值） 2、輸入一個電壓為0.1V的交流電壓（峰值），要求輸出電壓為10V（峰值） 3、輸入一個電壓為10V的交流電壓（峰值），要求輸出電壓為10V（峰值）（2）目的在于培養(yǎng)我們的實踐創(chuàng)新意識與基本能力、團(tuán)隊協(xié)作的人文精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)； 有助于我們工程實踐素質(zhì)的培養(yǎng)、提高我們針對實際問題進(jìn)行電子設(shè)計制作的能力。二、設(shè)計方案1項目環(huán)境要求基于MSP430單片機(jī)2項目功能模塊1、 放大電路：考慮到負(fù)載電阻為10，輸出值要等于10V，所以電壓仍需放大，第1部分為輸入緩沖和固定增益放大模塊，運(yùn)放搭建電壓跟隨器作為輸入緩沖，同時提高輸入阻抗，固定增益放大部分將輸入的微弱信號放大到適

3、合后級處理的電壓范圍，前級放大將小信號放大50倍。VCA810增益控制電路增益后達(dá)不到所需要求，所以在后又加了一個放大電路圖一為前級放大電路，圖二為后級放大電路 圖一 圖 二 2、壓控增益電路 可控增益調(diào)節(jié)部分我們使用壓控增益放大器 VCA810，VCA810 在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-40dB+40dB ，且控制電壓與增益dB 數(shù)成線性關(guān)系，滿足設(shè)計要求。其中 1 腳為了匹配輸入阻抗并接了50的電阻，8 腳接25的偏置電阻，其中 5 腳接 500的負(fù)載電阻.如圖所示 。3設(shè)計內(nèi)容一、 總體設(shè)計思想。根據(jù)要求，總體電路可由三個電路構(gòu)成：1.前級放大電路；2.自動增益電路；3.后級放大

4、電路。前級放大自動增益后級放大1、 放大電路方案一：選擇運(yùn)放LM324，LM324是四運(yùn)放集成電路，正負(fù)電源供電，無需外部偏置元件，但對高頻信號的放大效果不好。方案二：選用運(yùn)放A74，是高增益單運(yùn)算放大器，也是正負(fù)電源供電，適應(yīng)電壓范圍廣，對高頻信號的放大效果較好。綜合兩個方案，選擇方案二2、增益控制部分方案一：采用場效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場效應(yīng)管的可變電阻區(qū)（或三極管等效為壓控電阻）實現(xiàn)增益控制，本方案由于采用大量分立元件，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差。 方案二：根據(jù)題目對放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實現(xiàn)（如運(yùn)放 VCA810）。其特點是以dB 為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)增益

5、±40dB，可以用單片機(jī)方便地預(yù)置增益。 方案三電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。所以本系統(tǒng)采用方案三。二、 理論分析與計算前后級固定增益放大器為同相比例運(yùn)算電路，根據(jù)虛短與虛段的概念，可求出公式uo=（1+Rf/R）u1根據(jù)前后電壓放大倍數(shù)，及增益的計算公式，gain=20log（VOUT/VIN），可以算出前后放大的固定增益大約為50db。由于VCA810的線性增益調(diào)節(jié)范圍為-4040 dB，如圖所示。但經(jīng)實際電路測試當(dāng)增益高于30 dB或者低于-30db時，電路容易出現(xiàn)自激振蕩，由于前后級固定增益大約為50db，加上VCA810的增益調(diào)節(jié)范圍后實際圖像

6、不失真范圍可達(dá)到0-80db的增益，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到所需要求。三、 整體方案流程圖1、硬件電路流程圖后級放大電路輸入信號前級放大電路自動增益電路=1否是2、程序流程圖：開始系統(tǒng)初始化ADC_Voltage = 1NDAC_DAT =ADC_VoltagePID算法處理ADC_Voltage結(jié)束Y 3、算法：首先，通過ADC_0采樣輸入信號的峰值Vpp_0，根據(jù)ADC_0的值確定DAC輸出值；然后同ADC_1采樣輸出信號峰值Vpp_1,經(jīng)PID算法處理，反饋調(diào)節(jié)DAC輸出值，使輸出放大電壓穩(wěn)定。四、 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析1、 測試方法（1）用直流穩(wěn)壓源輸入要求幅值的信號（2）用示波器觀察輸出信號幅值，2、

7、 測試儀器（1）直流穩(wěn)壓源030V/2A（2）函數(shù)信號發(fā)生器（3）雙蹤示波器3、 總結(jié)和分析1、 測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)部分直流信號幅值0.010.020.030.110輸出電壓9.5810.410.310.311.62、 數(shù)據(jù)分析 由表數(shù)據(jù)在0.03V以下范圍內(nèi)輸出電壓控制并不穩(wěn)定,但是誤差較小，在0.1V與10V輸出時誤差較大，但較穩(wěn)定，且整體電路增益倍數(shù)已超過題目要求。 3、結(jié)論 3.1作品達(dá)到了題目所有基本和部分?jǐn)U展功能及指標(biāo)的要求： （1） 完成了基本要求，但誤差較大（2）。 作品在高頻率中失真較嚴(yán)重，在低頻率下波形較好，但是不太穩(wěn)定。（3）輸入電壓在TFT屏上可以顯示，且精度高于穩(wěn)壓源電壓，

8、便于數(shù)據(jù)記錄。 3.2存在問題及改進(jìn)措施： 問題：對電路增益控制不太精確，且電壓過小時會出現(xiàn)失真。措施：需要對軟件的程控分析的更加細(xì)致，同時硬件進(jìn)行電路改進(jìn)減少誤差，使用更廉價的芯片或者運(yùn)放達(dá)到所需要要求。部分設(shè)計代碼：void main()unsigned int adNum5; float value0,value1,V1;float V2=0.5,VG1,VG2,VG3,Vg1;uint gain,VG=0;LcdInit();V1=0.52;while(1) Pcf8591SendByte(3); /發(fā)送外部輸入電壓轉(zhuǎn)換命令adNum0=Pcf8591ReadByte()*2;/將前一

9、次轉(zhuǎn)換結(jié)果讀走value0=adNum0/2*0.01953; /轉(zhuǎn)為電壓值/value0=value0*100;adNum0=value0*100; /保留兩位小數(shù)LcdWriteCom(0x80+0x40);LcdWriteData('0'+adNum0%1000/100);LcdWriteData('.');LcdWriteData('0'+adNum0%100/10);LcdWriteData('0'+adNum0%10);LcdWriteData('V'); adNum0=Pcf8591ReadByte(

10、)*2; /ADC讀取外部輸入電壓 Pcf8591SendByte(2); /發(fā)送轉(zhuǎn)換命令adNum1=Pcf8591ReadByte()*2; value1=adNum1/2*0.01953; /轉(zhuǎn)為電壓值adNum1=value1*100; /保留兩位小數(shù)LcdWriteCom(0x80+0x46);LcdWriteData('0'+adNum1/1000);LcdWriteData('0'+adNum1%1000/100);LcdWriteData('.');LcdWriteData('0'+adNum1%100/10);L

11、cdWriteData('0'+adNum1%10);LcdWriteData('V'); key_scan(); if(num=0) if(value1>1.2)V1=V1-0.05;if(value1<0.8) V1=V1+0.05; VG1=log(value1/value0)/log(10); if (num=1) VG1=0.01; VG2=VG1-0.43;VG3=VG2/2;V1=V2+VG3; if (num=2) VG1=0.025; VG2=VG1-0.43;VG3=VG2/2;V1=V2+VG3; if (num=3) VG1=

12、0.1; VG2=VG1-0.43;VG3=VG2/2;V1=V2+VG3; if (num=4) VG1=0.25;VG2=VG1-0.43;VG3=VG2/2;V1=V2+VG3; if (num=5) if(value1>0.6)V1=V1-0.05;if(value1<0.4) V1=V1+0.05;VG1=2*V1+0.43; if(VG1<0) Vg1=VG1*(-1); VG=1; else Vg1=VG1; VG=0 ; LcdWriteCom(0x80); LcdWriteData('g'); LcdWriteData('a'

13、); LcdWriteData('i'); LcdWriteData('n'); LcdWriteData(':'); / LcdWriteCom(0x87); LcdWriteCom(0x86); gain=20*Vg1*10; A1=gain/10%10; A2=gain%10; A3=gain/100; P1=gain; LcdWriteData(tableVG); Lcd1602_Delay1ms(2);LcdWriteData(tableA3);Lcd1602_Delay1ms(2); LcdWriteData(tableA1); Lc

14、d1602_Delay1ms(2); LcdWriteData('.'); LcdWriteData(tableA2); Lcd1602_Delay1ms(2);/-DA輸出-/adNum2=V1*107;Pcf8591DaConversion(adNum2/2); /DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換 void Pcf8591SendByte(unsigned char channel)I2cStart();I2cSendByte(WRITEADDR);/發(fā)送寫器件地址I2cSendByte(0x40|channel);/發(fā)送控制寄存器I2cStop();unsigned char Pcf8591ReadByte()unsigned char dat;I2cStart();I2cSendByte(READADDR);/發(fā)送讀器件地址dat=I2cReadByte();/讀取數(shù)據(jù)I2cStop(); /結(jié)束總線 return d