摘 要:本系统通过STC单片机对DA置数,再经过后级放大调理电路实现了输出信号峰峰值受数字信号控制并使得增益调节达到1000量程。在实现题目功能时,增加了电源模块,并结合放大电路,A/D转换电路,单片机最小控制系统,D/A转换电路等构成闭环系统。通过采样将实际值输出到单片机,由单片机进行比较调整,控制数字量输出,从而实现AGC功能。由于使用了数字控制与采样反馈调整控制技术,该系统具有调试方便,人机交互界面好,可靠性高,精度高等优点。
关键词:单片机 DA置数 后级放大 增益调节 AGC
中图分类号:TN713文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)04(c)-0028-02
1 方案论证
方案一:采用模拟开关实现程控增益放大器。如图1所示,模拟开关可由数字编码控制以选通电阻网络中的不同阻值。该方案实现简单,但其缺点是放大倍数级差变化较大,可调范围较小。
方案二:利用数字电位器与运算放大器构成程控增益放大器,如图2。其特点是,可实现量程多级变化而且线路简单,但由于数字电位器制造工艺等因素限制,其通频带受限。
方案三:利用D/A转换器实现程控增益放大器,如图3。D/A转换器内部有一组模拟开关控制的电阻网络,与运放一起可组成可控增益放大器。该方案能很好的实现数字控制。
综上所述,方案三中采用D/A转换器组成的可编程放大器,具有较好的微机接口功能,使得其实现电路简单、可靠且通频带能满足题目要求,故选择方案三。
2 系统设计——硬件设计
2.1 稳压电源模块
稳压电源电路采用三端固定式稳压器,220V交流信号经变压、整流、滤波,再通过7812、7912、7805产生稳定电压给系统供电。在电路中,芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外,另外我们还需在芯片引出脚根部接小容量电容到地,分别用于抑制芯片的自激振荡和压窄芯片的高频带宽,减小高频噪声。
2.2 程控放大模块
为了易于实现最大60dB增益的调节,可以采用D/A芯片DAC0832的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到DAC0832是一种廉价型的8位D/A转换芯片,其输出,其中Dn为8位数字量输入的二进制值,可满足256挡增益调节,满足题目步进0.25db的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成,具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点,故可以采用DAC0832来实现信号的程控衰减。但由于DAC0832对输入参考电压Vref有一定幅度要求,为使输入信号在mV～V每一数量级都有较精确的增益,最好使信号在到达DAC0832前经过一个适应性的幅度放大调整,再通过DAC0832衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为60dB,与DAC0832的衰减分母抵消,即可实现程控放大。
2.3 功率放大模块
题目中要求,输出能够带50Ω电阻负载,而输出电压峰峰值最大可达20V,则其要求最大功率为:=1W,故要对其进行功率放大。为避免交越失真带来的信号失真,采用甲乙类双电源互补对称电路(图4)。
2.4 极性变换模块
单极性信号是指输出信号大于0,双极性信号则是指输出既有大于0的部分也有小于0的部分。因此,采用加法电路的方式将双极性信号变为单极性信号。
2.5 AGC功能模块
根据题目要求,要实现自动增益控制,使信号输出峰峰值在2到3V之间。设计该模块时,用STC52单片机内自带的AD转换器对输出信号峰值实时采样并调节内部增益,从而控制输出信号峰值(图5)。
2.6 键盘及显示模块
为满足,增益可设置、步进以及功能选择,本系统采用4×4矩阵式键盘以节省单片机IO资源;显示部分最高显示增益为1000,故采用4为一体的共阴极数码管。
3 误差分析
造成误差的原因有:(1)运放零点漂移。由于运算放大器的零点漂移,温度漂移等带来的误差,可以通过温度补偿措施来解决此误差。(2)采样电阻自热效应引起的误差。由于电阻在温度上升时阻值会发生变化,因此会引起温度飘移,给系统带来测量的误差。(3)A/D,D/A转换误差。受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制,不可避免地带来一定的误差,为了更精确的输出恒流电源,必须选用更多位数的AD、DA芯片。(4)因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。(5)纹波对电流输出的影响。
减小误差方法:采用屏蔽的方法、远离容易产生势骚动或脉冲工作方式的器件、减少IC供电电源的纹波等可减少由IC外部干扰产生的纹波。对选择低噪声的运放是解决问题的一种方法,但不幸的是大多数产品目录中均未列出噪声指标。根据少数运放的该项指标知道,其低频噪声(0.1Hz～10Hz)电压的峰-峰值为(0.1mV～20mV),因此,选择满足1×10-6稳定度要求的运放也不是很容易的。另外,在输出接近低频直流时,运放的失调电压和失调电流也是产生低频噪声的源泉,特别是失调电流,在选择运放时亦应注意。消除高频噪声可采用交流负反馈来提高运放的交流放大倍数和拓宽频带,但将造成增益降低。解决的办法是在运放前加一级晶体管或场效应管的差分级,由于分离元件便于精选,故可改变整个比较放大器的噪声指标。
4 结语
数控可编程放大器可以实现以下功能:(1)输出增益范围:0.5～1000;(2)具有“+”、“-”步进调整功能,步进增益0.5或5;(3)显示输出信号增益与实测增益的测量误差的绝对值≤测量值的5％;(4)输出级功率放大可以带50欧负载。
本设计制作完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的大部分要求,而且增加了部分功能。
目前,在电子仪器,设备中经常要用到信号增益变换电路,有时要求输出可预置,并当负载在一定范围内变化时应具有良好的稳定性,而且精度较高。该设计完全如果再经过结构优化,将具有良好的市场前景。
参考文献
[1] 全国大学生电子设计设计竞赛组委员会.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京电子工业出版社,2005.
[2] 全国大学生电子设计设计竞赛组委员会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编(第一届～第五届)[M].北京理工大学出版社,2004.
[3] 李银祥.数控电流源[R].武汉:武汉理工大学测试中心,2001.
[4]秦迎春.利用AD7542实现程控电流源[J].国外电子元器件,2003,6:32～33.
[5]张智杰.AD574在数据采集中的应用[J].国外电子元器件,2003,6:55～56.
[6]房小翠.单片机实用系统设计技术[M].北京:国防工业出版社,1999.
相关热词搜索： 可编程 放大器 单片机 硬件 设计
