毕业设计（论文）可变增益放大器软件设计

可变增益放大器软件设计目 录中文摘要中文摘要.I英文摘要英文摘要.II1 1 引引 言言.12 2 前级放大电路的设计前级放大电路的设计.22.12.1 测量放大器原理测量放大器原理.22.1.12.1.1 高共模抑制比的实现高共模抑制比的实现.22.1.22.1.2 同相并联差动运算放大器同相并联差动运算放大器.32.22.2 方案论证与比较方案论证与比较.52.32.3 总体设计思路总体设计思路.83 系统硬件电路设计系统硬件电路设计.93.13.1 中间级衰减电路中间级衰减电路.93.1.13.1.1 单片机及其外围电路单片机及其外围电路.93.1.23.1.2 拨码开关电路拨码开关电路.113.1.33.1.3 程控放大电路程控放大电路.123.23.2 数据显示电路数据显示电路.153.2.13.2.1 LEDLED 显示驱动芯片选用显示驱动芯片选用.163.2.23.2.2 电路原理图电路原理图.184 系统软件设计系统软件设计.194.14.1 拨码开关的读取拨码开关的读取.20可变增益放大器软件设计4.24.2 数码管显示程序数码管显示程序.234.34.3 向向 AD7520AD7520 送入数据送入数据.25结束语结束语.28致致 谢谢.29参考文献参考文献.30附录一附录一.31附录二附录二.32附录三附录三.33可变增益放大器软件设计I可变增益放大器软件设计摘 要本设计由四个模块电路构成：前级高共模抑制比仪器放大器、AD7520 衰减器、拨码开关输入和数码管显示处理模块。在前级高共模抑制比仪器放大器中还将输出共模电压反馈到正负电源的公共端，是运放电源电压随共模输入电压浮动，各级偏置电压都跟踪共模输入电压，从而提高了共模抑制比。AD7520 衰减器利用电阻网络的可编程性，实现衰减器衰减率的数字编程。拨码开关输入和数码管显示处理模块由拨码开关对放大倍数进行置数，单片机进行数字处理，四位七段数码管进行放大倍数的显示。程序部分主要分为主程序、数码显示子程序、拨码开关输入与读取子程序、数据转换子程序、向 AD7520 送入数据子程序五个部分。关键词 放大器 单片机 拨码开关 数码管可变增益放大器软件设计IIVARIABLE GAIN AMPLIFIERS SOFTWARE DESIGNINGABSTRACTThe measuring amplifier in this design consists of four circuit blocks: a preamplifier with high CMMR, an AD7520 attenuator, DIP switch input and LED display processing module. In the former amplifier, it feeds CM voltages output back to the power common pin, thus changing the power voltage of operational amplifier and the bias voltages at all stages so as to increase the CMRR. With the programmable resistance network, the digital programming of attenuation rate in AD7520 is achieved. DIP switch input and the digital display processing module code switch from the allocation of magnification for home on the number of single-chip digital processing, the four paragraph magnification digital tube display. Procedures for the main program is divided into parts, digital display subroutine, dial code switch input and read subroutine, data conversion routines to the AD7520 data into five parts subroutine.KEY WORDS Amplifiers Single-chip DIP switch LED可变增益放大器软件设计I1 引 言放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器的设计对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。 测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于温度、速度等的测量以及其他有较大共模干扰的缓变微弱信号的检测。 测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（CMR） 。它们通常不需要外部反馈网络。 在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器，利用它所具有的高输入阻抗、高共模抑制比和精确的电压增益，但对称的电路结构给实际应用带来不便，对外围元件的公差要求严格，所以在应用中受到限制。为此，我们设计了带高共模抑制比前置放大电路的测量放大器，它具有高共模抑制比的特点，弥补了传统仪用放大器的不足。 程控增益放大器是一种放大倍数由程序控制的放大器，也称为可编程增益放大器，缩写符号 PAG。在多通道或多参数的数据采集系统中，多个通道或多个参数共用一个测量放大器。各通道或各参数送入测量放大器的信号大小并不相同，但都要放大至 A/D 变换器输入要求的标准电压，因此各个通道要求测量放大器的增益就每个通道的数据采集而言，还可实现自动控制增益或量程自动切换。程控放大器使用方便、性能好，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。在使用放大器的场合中，往往希望增益能够调整，以使波形显示更完美，数据采集更精确。而程控增益调整比手工调整更优越，因此程控增益放大器得到广泛应用。可变增益放大器软件设计22 前级放大电路的设计2.1 测量放大器原理测量放大器是在高精度集成运算放大器的基础上发展起来的运算放大器，其最主要的特点是，极高的共模抑制比、极高的输入电阻、可以达到上千倍的闭环电压增益、极低的噪声。2.1.1 高共模抑制比的实现由于差动放大器具有良好的共模抑制能力，因此，在高共模抑制比电路的实现中往往采用差动放大器，如图 2-1 所示。123456ABCD654321DCBATitleNu mb erRevisionSiz eBDate:26 -M ay-2 009Sh eet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn By:A3ARfRfRFRFUs cUs r1Us r2图 2-1 差动放大器电路为了获得尽可能高的共模抑制比，通常差动放大器的各个电阻选择同一阻值的电阻，这样带来的问题就是输入阻抗低和增益低。这是因为差动放大器在完全对称的条件下才能达到集成运算放大器自身的共模抑制比，稍有一点微小的不对称，就会降低电路的实际共模抑制比。可变增益放大器软件设计32.1.2 同相并联差动运算放大器（1）基本电路图 2-2 是同相并联差动运算放大器的基本电路。差动输入信号和共模输入信号从两只运算放大器的同相端送入，所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大。电路的平衡对称结构使两只放大器的共模增益、失调及漂移所产生的误差电压具有相互抵消的作用。和串联组合电路相比，并联组合电路的主要优点是不需要精密匹配电阻，而且能差动输出，适合用于不接地的“浮动”负载，缺点是输出信号中有较大的共模信号。123456ABCD654321DCBATi tleNu mb erR evisi onSiz eBDate:26 -M ay-2 009Sh eet of Fil e:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn B y:R F 1R F 2aw R wA2Us r1Us r2A1Us cUs c1Us c2图 2-2 同相并联差动运算放大器在这个电路中，并不要求外部回路电阻用任何形式的匹配来保证自己的共模抑制比能力，这就避免了精确匹配电阻所遇到的困难。实质上，加载电位器 Rw 上的差动电压决定了整个电路的工作电流，而加在电位器上的共模电压却对这个差动WR电流毫无影响，不论其他电阻取何值都是如此，所以电路的共模抑制比能力与外部回路电阻是否匹配完全无关。考虑到平衡对称结构有利于克服失调及其漂移的影响，故在实际应用时常取 = （2-1）1FR2FRFR这样，增益常用表达式为=1+ （2-2）FKsrscUU1212srsrscscUUUUWWFRR2改变电位器的滑动比，就能使增益在它的最小值WRW可变增益放大器软件设计4 =1+ （2-3）minFKWFRR2与某一个高增益值之间进行调节。可见增益调节相当简单，不过调节特性仍是非线性的，故宜选用多圈电位器，并在中串接一个固定电阻来保护组件。WRWR虽然电路的共模抑制能力与外部电路的电阻是否匹配无关，而且电路的对称结构有利于相互抵消两只放大器的共模抑制比有限所造成的影响，但当 A1 和 A2 的和不等时，应用电路的共模抑制比仍是有限的。可以证明，图 2-2 中1CMRR2CMRR电路的共模抑制比为: （2-4）2121CMRRCMRRCMRRCMRRCMRR因此，提高本电路共模抑制能力的关键字于使 A1 和 A2 的共模抑制比尽可能的匹配。上述分析说明，两只运算放大器的性能参数若能彼此匹配，就可以充分发挥对称电路误差电压相互抵消的长处。这种利用电路结构对称、失调互补的原理已成为获得低漂移放大器的一种基本方法。（2）性能改进上述基本电路的主要缺点是，它按 1：1 的比例把输入端的共模信号传递到输出端，共模输入信号有多大，共模输出信号就有多大。此外，由于共模输出信号占用了一定的工作范围，所以差动信号的有效工作范围变窄了。因此，它只适宜于工作者低增益、共模输入信号较小的场合。对于接地负载，或者不希望输出电压包含共模信号的负载，基本电路必须加以改造才能胜任。显然，抑制共模信号传递的最简单方法是在基本同相并联电路之后，再接一级差动运算放大器，它不仅能隔断共模信号的传递，还能将双端输出变为单端输出，适应接地负载的需要，其电路如图 2-3 所示。它是图 2-3 中同相组合电路与基本差动放大器的简单串联，它们相互取长补短，使组合后的电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿，以及输出不包含共模信号等一系列优点，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略有下降。可变增益放大器软件设计5123456ABCD654321DCBATitleNu mb erRevisionSiz eBDate:26 -May-2 009Sh eet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn By:Rr0Rr3aw RwA2Usr1Usr2A1A3RfRfRFRFUsc图 2-3 高输入阻抗差动放大器的性能改进不难证明，这个电路的理想闭环增益为 （2-5） fFWWFsrsrscsrscFRRRRUUUUUK)21 (012共模抑制比为 （2-6）1231212312CMRRCMRRKCMRRCMRRKCMRRFF假若 （2-7）31212CMRRKCMRRF则上式可近似为 （2-8）312CMRRKCMRRF式中，和为 A1 和 A2 组成的前置级的理想闭环增益和共模抑制比；12FK12CMRR为 A3 组成的输出级的共模抑制比。3CMRR2.2 方案论证与比较根据上述测量放大器原理，前级放大电路共提出了以下几种方案：方案一：同相关联式高阻测量放大器，见图 2-4。线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模输入电阻大的特点外，可变增益放大器软件设计6两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需要精密匹配电阻。后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻精度则要求匹配。增益分配一般是前级取高值，后级取低值。该方案电路结构简单，易于定位和控制，但要调节增益必须手动调节变阻器，虽然也可将放大倍数设成固定的几挡，但仍不能满足要求。123456ABCD654321DCBATitleNu mb erRevisionSiz eBDate:26 -May-2 009Sh eet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn By:R1R1RwA2Usr1Usr2A1A3R2R2R3R3Vo ut图 2-4 同相关联式高阻测量放大器方案二：电路结构与方案二基本相同，只是为了达到增益调节的要求，考虑用两片 R-2R 的 D/A 代替上图中的 RW，结合单片机通过改变 D/A 的电阻网络来改变公式中 RW值，从而改变增益。其优点是输入电阻大，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。其缺点是由于电阻匹配的要求也使用了两片 D/A，即增加了控制的工作量，又提高了成本，而且精度也不能满足要求。方案三：利用浮动电源提高前置放大器共模抑制比的电路。与图 2-3 相比，这个电路多加了一级电压跟随器 A4 ,A4的输入信号取自两只电阻 R0组成的共模信号引出电路，所以它的输入电压等于共模输入电压，输出电压亦是如此。A4的输出加到运算放大器 A1和 A2正、负电源电压的涨落幅度的公共端，使正负电源电压浮动起来。若 A4具有理想特性，则正、负电源电压的涨落幅度与共模输入电压的大小完全相同。这样，虽然共模输入电压照样加在放大器的 A1和 A2同相端，但却因放大器本身电源对共模输入信号的跟踪作用，使它的影响大大消弱。这样就算 A1和 A2的元件参数不完全对称，但由于有效共模电压减小，输出端的差动误差电压也是很小的，也可变增益放大器软件设计7就意味着前置级的共模抑制比能力提高了。显然，这个电路的共模抑制比仍可由式（2-6）表述，但式中的前置放大器的共模抑制比应考虑隔离级 A4的作用而12CMRR加以修正。当运算放大器 A1、A2和 A4的共模抑制比分别为,和1CMRR2CMRR时，整个前置级的共模抑制比可表述为4CMRR12CMRR (2-9)2142112CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRR从上式可知，由于 A4使电源电压跟随共模输入电压浮动，使前置级的共模抑制比提高了倍。这样，即使 A1和 A2的共模抑制比不太匹配，整个电路的共模4CMRR抑制比用式（2-8）来描述也是足够精确的，从而使电路的共模抑制比接近理想值2。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSiz eBDate:26-May-2009Sheet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By:R1R1RwA2Usr1Usr2A1A3R2R2R3R3R0R0A4+V-VVout图 2-5 高共模抑制测量放大器经比较，方案四既可满足本文要求，电路又不太繁琐，控制较简单，成本又不高，所以采用该方案。在没有更好的集成运算放大器（包括增益可程控的集成运算放大器）的条件下，实现测量放大器的最好方案是应用通用集成运算放大器中的精密集成运算放大器OP07。为了充分发挥 OP07 的性能，要将 OP07 的调零电路包括在测量放大器电路之内，其具体实现电路如 2-6 所示。可变增益放大器软件设计8123456ABCD654321DCBATi tleNu mb erR evisi onSiz eBDate:9-Jun-200 9 Sh eet of Fil e:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn B y:71543260P071745236OP071745236OP075k5.1 k5.1 k5k10 k10 k5.1 k5.1 k71543260P072.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 +5 V30 k30 k+1 5V-1 5V30 k+1 5V30 k2.2 +1 5V+1 5VVi n1Vi n2-1 5V+1 5V10 为了改善集成运算放大器的电源阻抗，在每个集成运算放大器的正负电源端对地均有用于旁路的 2.2F 的陶瓷贴片电容器。图 2-6 前级放大具体实现电路2.3 总体设计思路根据题目的要求和前边所讨论的各种方案，认真取舍，充分利用了模拟和数字系统各自的特点，发挥其优势，采用单片机控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度；采用仪器放大器输入，大大提高了放大器的品质；由 4 片运放构成的前级高共模输入的仪表差动放大器，对不同的差模输入信号电压进行相同倍数的放大，再经过后级程控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。单片机系统包括 89C51、74LS138 译码器以及 8255A 等外围芯片。 图 2-7 所示即为本系统原理方框图。可变增益放大器软件设计9拨码开关显示驱动显示程控增益放大输出 低噪声前置放大电路 单片机图 2-7 采用单片机控制的可变增益放大器系统组成框图3 系统硬件电路设计硬件设计是本设计的一个重要的组成部分，这部分的设计直接影响到后续软件编制的难易程度，因此设计出一个良好的硬件电路是必要的，在前面的总体设计思路中我们已经确定了设计的基本思路，在这里将做具体的介绍。本设计中的可变增益放大器的硬件电路主要包括前级放大电路、中间级衰减电路和数据显示电路三部分，前级放大部分已在方案论证中讨论过，下边依次对其余各个部分电路进行介绍。3.1 中间级衰减电路中间级衰减电路主要是通过单片机控制来实现的。其中运用拨码开关来实现数据的输入，AD7520 中的电阻网络来实现衰减，下边将对中间级衰减电路的各个部分做详细的介绍。3.1.1 单片机及其外围电路可变增益放大器采用AT89C51单片机来实现对放大器的程控控制。AT89C51 包含2 个16 位定时/ 计数器、1个具有同步移位寄存器方式的串行输入/ 输出口和可变增益放大器软件设计104K8 位片内FLASH 程序存储器。16 位定时/ 计数器用于实现待测信号的频率测量。同步移位寄存器方式的串行输入/ 输出口用于把测量结果送到显示电路。4K 8 位片内FLASH 程序存储器用于放置系统软件。AT89C51 与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容，如： 89C52(8K8 位) 或89C55 (32K8 位) ，为系统软件升级打下坚实的物质基础。其外围电路有振荡电路、复位电路。单片机的振荡电路和复位电路如图 3-1 所示123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSiz eBDate:7-Jun-2009 Sheet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By:P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RS T9RX D/P3.010TX D/P3.111IN T0/P3.212IN T1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515W R/P3.616RD /P3.717XTAL218XTAL119GN D20Vcc40P0.0/A D039P0.1/A D138P0.2/A D237P0.3/A D336P0.4/A D435P0.5/A D534P0.6/A D633EA /Vpp31P0.7/A D732ALE/PRO G30PS EN29P2.6/A 1427P2.7/A 1528P2.5/A 1326P2.4/A 1225P2.3/A 1124P2.2/A 1023P2.1/A 922P2.0/A 82189C5110F22pF22pF11.0592M10kIN 4148+5V+5V图 3-1 单片机振荡和复位电路（一） 单片机的振荡电路 单片机的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式，同时，振荡周期和时钟周期又决定了 CPU 的时序。 AT89C51 单片机有一个高增益反相放大器，反相放大器输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2。在 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接石英晶体及两个微调电容就构成了振荡器，如图 3-1 所示。C1 和 C2 一般取 30PF 左右，振荡频率范围是 1.2-12MHz。本设计中晶振约为 12 MHz.。 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。单片机的复位电路可变增益放大器软件设计11 (二) 单片机的复位电路本文中单片机的复位电路采用的是按键电平复位电路。 复位是单片机的初始化工作，复位后中央处理器 CPU 和单片机内的其他功能部件都处在一定的初始状态，并从这个状态开始工作。一般在单片机刚开始接上电源时，或是断电、发生故障后都要复位。复位后不会改变片内 RAM 中低于 128B 的内容，但是特殊功能寄存器 SFR 的值被初始化。其值如表 3-1 所示。表 3-1 复位后内部寄存器状态寄存器名内容寄存器名内容PCACCBPSWSPDPTRP0-P3IPIE0000H00H00H00H07H0000HFFHXXX00000B0XX00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SCONSBUFPCON00H00H00H00H00H00H00H不定0XXX0000B3.1.2 拨码开关电路本论文采用的是四位 KSA-3 型的 BCD 拨码开关，其 10 进制输入，BCD 码输出，用来预置调节差模电压增益。它的优点是断电后再开启时，不用重新置数6。拨码开关电路如图 3-2 所示可变增益放大器软件设计12123456ABCD654321DCBATitleNu mb erRevisionSiz eBDate:10 -Jun -20 09Sh eet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn By:PC 1PC 2PC 3PC 0PC 7PC 6PA 7PA 6PA 5PA 4PA 3PA 2PA 1PA 0CSRDWRA0A1D0D1D2D3D4D5D6D7PB2PB7PB6PB5PB4PB3PB1PB082 55ABCDCS1ABCDCS2ABCDCS3ABCDCS455555555+5 V+5 V图 3-2 拨码开关电路在图 3-2 所示的电路中，共有四位拨码开关，其中千位和百位与 8255A 的 PC0端口连接，十位和各位与 PC1 端口连接。拨码开关的输出位通过 5 电阻与 5V 电源相连，使拨码开关输出位一直处于高电平状态。当拨码开关工作时，只需把它的输入端置为低电平即可，即：当 PC0=0 时，拨码开关的千位和百位可输入数据；当PC1=0 时，拨码开关的十位和个位可输入数据。3.1.3 程控放大电路为了改变放大器的增益，一般有两条途径：一是改变反相端的输入电阻阻值，二是改变负反馈电阻阻值。通过设计一个电阻网络和开关来实现这种功能。为了解决电阻网络的匹配问题，考虑能否利用集成的高精度电阻网络。鉴于D/A 转换器能把数字量变为模拟量，它的内部结构一般是电阻 R-2R 梯形网络，并集成有多路模拟开关。因此，我采用了与常规 D/A 变换不同的用法。又考虑的到AD7520 是一种廉价型的 10 位 D/A 转换芯片，有 CMOS 电流开关和梯形电阻网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活，其内部电阻网络有薄膜电阻构成，激光修可变增益放大器软件设计13正，相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点4。其等效电路图为图 3-3 所示。从参考电压流经梯RV形网络至端的电流和没有分流电阻时的电流 I 相比，其关系为1OUTIFI0R，故。因此，这种程控增益放大器的增益 A 为：IDIF)1024/(0)/1024(RDRf (3-1)01024RRDRRAfbffb123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSiz eBDate:10-Jun-2009Sheet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By:VoutRfR0RfbVrR-2R业业业业OU T1OU T2程序控制放大电路由 AD7520 和运算放大器 OP07 组成，增益控制字由单片机送出。程序控制放大电路的原理框图如图 3-4 所示，实现电路如图 3-5 所示。采用四位 BCD 拨码开关，用来预置调节差模电压增益，它的优点是断电后再开启时，不用重新置数。单片机用于将拨码开关设置的数值转化为程控放大器的控制字，并且送显示电路。程控放大部分包括 D/A 转换器 AD7520 和输出放大。通过D/A 转换器 AD7520 把输入电压放大到手工调节的倍数5。图 3-3 AD7520 等效 R-2R 电阻网络的放大器可变增益放大器软件设计14译码驱动拨码开关单片机程控输入部分增益显示图 3-4 程控放大电路原理框图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSiz eBDate:9-Jun-2009 Sheet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By:Iout1Iout2M SB_1BIT_2BIT_3BIT_4BIT_5BIT_6BIT_7BIT_8BIT_9LS B_10RfbVrefINVddAD 75201745236OP0730k2.22.2+15V-15VVout20K+5V图 3-5 程控放大电路增益控制的实现过程如下：D/A 转换器 AD7520 的管脚排列如图 3-6 所示。将模拟信号从参考电源端输入，而放大倍数所转换成的二进制从 BIT1BIT10 输REFU入。可变增益放大器软件设计15123456ABCD654321DCBATitleNu mb erRevisionSiz eBDate:19 -M ay-2 009Sh eet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn By:SE G A14SE G B16SE G C20SE G D23SE G E21SE G F15SE G G17SE G D P22DIG02DIG111DIG26DIG37DIG43DIG510DIG65DIG78V+19IS ET18CL K13DIN1LO AD12DO UT24GN D4GN D9R?M AX7 219M SB-14BIT-25BIT-36BIT-47BIT-58BIT-69BIT-710BIT-811BIT-912LS B-1 013Verfin15Rfb16Io ut22Io ut11Vdd14AD 75 20图 3-6 AD7520 引脚排列通过 D/A 转换将模拟信号放大到欲实现的放大倍数并有倒相功能。设计中要求将信号放大 01023 倍。十位二进制能表示的最大十进制为 1023。如果将每位定为0，则十进制也为 0；如将十位二进制全定义为 1，则（1111111111）B=1023。AD7520 可看成是一个 R-2R 电阻网络，而 10 位数据口的输入则相当于对该网络的输入电阻进行编程，对于输入不同的数值量，得到不同的输出、输入电压比。由于前级放大器已经做了相应的放大，中间级又作了相应的放大，只要调整相应的输出放大器就得到要求的放大倍数。现在采用的单片机控制的数/模转换器AD7520 是 10 位的 D/A 转换集成芯片，与微处理器完全兼容。10 位DAC（AD7520）数字量没改变一个 BIT,该放大器输出就改变输入量的 1/1024。因此，完全可以实现放大倍数步距为 1 的变化。比如要求得到 1000 倍的放大倍数，则只要前级和中间级的放大倍数 A 为： （3-1040)101 . 521 (51 . 5KKKA1）由,对输出放大器置数成 3F8H 就可以得到 1000 倍HFD831016102410001040的放大。又如要得到 500 倍的放大倍数，则由,对输出放FCHD150810245001040大器置数成 1FCH 就可以 500 倍的放大3。可变增益放大器软件设计163.2 数据显示电路本设计的数据显示电路主要是在 51 单片机系统中使用专用的 LED 显示驱动芯片实现 4 位 LED 数码管显示，据此可将这部分电路分为 3 个模块： LED 显示驱动芯片和单片机的接口电路。 LED 显示驱动芯片和 4 位数码管的接口电路。 单片机控制 LED 显示驱动芯片实现 4 位数码管显示的 C51 程序。3.2.1 LED 显示驱动芯片选用LED 显示驱动芯片选用 MAXIM 公司的 MAX7219，是基于以下考虑的：MAX7219 能够驱动 8 个 LED,可方便地对每位 LED 进行单独控制、刷新，不需重写整个显示器寄存器。外围电路仅需一个电阻即可设定峰值段电流，可用于亮度调节，同时也支持软件方面调整显示亮度。通信方式采用串行数据方式，可与任何一种单片机方便的接口，仅适用单片机的 3 个 I/O 口即可完成 8 位 LED 数码管的显示控制和驱动。可设置为低功耗模式，此模式下单片机仍可对其传送数据和修改控制方式，而且芯片耗电仅为 150A.其引脚分布如图 3-7 所示。可变增益放大器软件设计17123456ABCD654321DCBATitleNu mb erRevisionSiz eBDate:19 -May-2 009Sh eet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.dd bDrawn By:SE G A14SE G B16SE G C20SE G D23SE G E21SE G F15SE G G17SE G D P22DIG02DIG111DIG26DIG37DIG43DIG510DIG65DIG78V+19IS ET18CL K13DIN1LO AD12DO UT24GN D4GN D9R?M AX7 219图 3-7 MAX7219 引脚分布示意图引脚功能说明如下：DIN（1 脚）：串行数据输入脚。在 CLK 上升沿，数据装入内部的 16 位移位寄存器中。DIG07(2、11、6、7、3、10、5、8 脚)：8 位数位驱动线。输出位选信号，从LED 的公共阴极吸入电流。GND(4、9 脚)：装载数据输入脚。在 LOAD 上升沿，串行数据的最后 16 位被锁存。CLK（13 脚）：串行时钟输入脚。做个输入频率为 10MHz,在 CLK 的上升沿，数据移入内部一位寄存器；在 CLK 的下降沿，数据被移至 DOUT 端。SEG AG,SEG DP(14、16、20、23、21、15、17、22 脚)：LED 7 段显示器段驱动脚，其中 SEG DP 为小数点段驱动脚。ISET（18 脚）：LED 段峰值电流提供脚。它通过一只电阻与电源相连以设置LED 段峰值电流。V+ (19 脚)：+5V 电源端。DOUT(24 脚)；串行数据输出脚。DIN 引脚输入的时间在 16.5 个时钟周期后送到 DOUT 脚输出。此引脚可用于以菊花链的方式级联多片 MAX7219. MAX7219 内部主要包括移位寄存器、控制寄存器、译码器、数位驱动器、段驱可变增益放大器软件设计18动器以及亮度调节和多路扫描电路等。MAX7219 采用串行接口方式，只需要 LOAD、DIN 和 CLK 三个引脚便可实现数据的串行传送。MAX7219 的 16 位串行数据（D15D0）的作用如表 3-2 所示；表 3-2 MAX7219 的 16 位串行数据D15 D14 D13 D12D11 D10 D9 D8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0无关比特地址数据位其中，低 8 位表示显示数据本身，最高的 4 位 D15D12 为无关比特，D11D8为用于寻址 4 个内部寄存器。16 位中最先接收的是最高有效位 D15。MAX7219 内部具有 14 个可寻址数位和控制寄存器。8 个数位寄存器由一个片内双端口 SRAM 实现。它们可直接寻址，因此，可对单个数位进行更新，并且88通常只要超过 2V 数据就可以保留下去。除 8 个数位寄存器之外，MAX7219 内部V还有无操作、译码方式、亮度调整、扫描位数、低功耗模式和显示测试 6 个控制寄存器，它们的功能如下：无操作寄存器：用于多片 MAX7219 的级联。译码方式寄存器：用于设置每个数位工作于 BCD 译码方式或是非译码方式。亮度调整寄存器：用于显示亮度的数字化调整。显示器的领导可以通过模拟与数字两种方式进行调整。模拟方式是在 VCC 与 ISET 引脚之间外接一个电阻,调SETR整该电阻的大小即可改变显示器亮度；数字方式是使用亮度调整寄存器，此时芯片内启用一个脉宽调制器，它受亮度调整寄存器低半字节 D3D0 的控制，产生 16 种占空比不同的输出脉冲，形成 16 级亮度调整。扫描位数寄存器：设置显示数据位的个数。低功耗模式寄存器：用于节省电源消耗，延长显示器的使用寿命。上电时，所有的控制寄存器都复位，显示器都熄灭，芯片进入低功耗模式。显示测试寄存器：用于显示器的测试。测试时，以 31/32 或 15/16 的占空比什么全部数位段，使得所有显示器的所有段以最大的亮度点亮1。3.2.2 电路原理图数码管显示电路的单片机、MAX7219 和数码管部分原理图如图 3-8 所示。可变增益放大器软件设计19单片机 AT89C51 工作于 12MHz 时钟，它和 MAX7219 的串行接口通过 3 根线DIN、CLK 和 LOAD 实现。4 个 7 段 LED 管与 MAX7219 的接口信号是段驱动信号 ag、dp 和位驱动信号COM0COM7。图中的 R2 是用于模拟亮度调整的，其阻值不应低于 10,这里用了 47。KK123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSiz eBDate:26-May-2009Sheet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By:P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RS T9RX D/P3.010TX D/P3.111IN T0/P3.212IN T1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515W R/P3.616RD /P3.717XT AL 218XT AL 119GN D20Vcc40P0.0/A D039P0.1/A D138P0.2/A D237P0.3/A D336P0.4/A D435P0.5/A D534P0.6/A D633EA /Vpp31P0.7/A D732AL E/PRO G30PS EN29P2.6/A 1427P2.7/A 1528P2.5/A 1326P2.4/A 1225P2.3/A 1124P2.2/A 1023P2.1/A 922P2.0/A 82189C51SE G A14SE G B16SE G C20SE G D23SE G E21SE G F15SE G G17SE G D P22DIG02DIG111DIG26DIG37DIG43DIG510DIG65DIG78V+19IS ET18CL K13DIN1LO AD12DO UT24GN D4GN D9M AX7219abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcomDPY_7-S EG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcomDPY_7-S EG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcomDPY_7-S EG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcomDPY_7-S EG_DP4711.0592M0.01F+5V22pF22pF10FIN 414874LS0410kS1+5V +5V可变增益放大器软件设计20图 3-8 数码管显示电路原理图4 系统软件设计在本设计中，可变增益放大器的增益控制是由 AT89C51 单片机及其外围电路控制实现的。上电后整个系统开始工作，通过设置拔码开关使得放大器的增益值达到所需要的，然后由单片机取出存储器中的由拨码开关输入的数字，通过对其进行BCD 码转换，然后送入 AD7520，此时的 AD7520 作为一个可编程的电阻网络来实现增益控制。本系统的主程序流程图如图 4-1 所示上电开始初始化While (1)读拨码开关数据转换LED 显示送 AD7520图 4-1 主程序流程图可变增益放大器软件设计214.1 拨码开关的读取在设计中，前级放大电路固定的对信号进行了 1040 倍的放大，拨码开关的作用在于：用户可以通过拨码开关来选择 11023 之间任意所需的放大倍数。拨码开关输入数值是否能够正确读取对后续程序控制产生着直接的影响，它直接影响放大电路的放大倍数。因此要做到拨码开关数据的正确读取，图 4-2 是拨码开关数据读取的程序流程图。当需从拨码开关输入和读取数据时，首先必须先让 8255A 的片选端口=0，_CS置 8255 控制端口：写有效置控制字：PC0=0，PC1=1置 8255 控制端口：读有效读入数据并存入数组 X1 中置 8255 控制端口：写有效置控制字：PC0=1，PC1=0置 8255 控制端口：读有效读入数据并存入数组 X2 中拨码开关输入与读取子程序图 4-2 拨码开关输入与读取子程序流程图可变增益放大器软件设计22选中 8255A；然后置 8255A 的控制端口，输入数据时，其控制端口要置为写有效，当 PC0=0 时，拨码开关的千位和百位即可输入数据；当 PC1=0 时，拨码开关的十位和个位即可输入数据；读取数据时，其控制端口置为读有效，这样输入数据即可以读出并存入指定的存储单元中。拨码开关读取子程序如下：void bomanum()P37=1;P36=0;P27=0; /WRITE8255 Cont=0 x00; /PC0 口置 0Cont=0 x03;/ PC1 口置 1P37=0;P36=1;P27=0;x1=bb; /读千位和百位P37=1;P36=0;P27=0;Cont=0 x01;/PC0 口置 1Cont=0 x02;/ PC1 口置 0P37=0;P36=1;P27=0;x2=bb;/读十位和个位因所用的拨码开关为 10 进制输入，BCD 码输出型的拨码开关，输入的 10 进制数从拨码开关输出时，都为压缩 BCD 码形式，故需将其转换为二进制形式。其转换流程图如下：可变增益放大器软件设计23转换子程序如下：void transf()qian=x1&0 x0f;bai=x1&0 xf0;bai=bai4;数据转换子程序数组 X1 与 0X0F 相与，得千位数组 X1 与 0XF0 相与，屏蔽低四位高四位右移四位，得百位数组 X2 与 0X0F 相与，得十位数组 X2 与 0XF0 相与，屏蔽低四位高四位右移四位，得个位图 4-3 数据转换子程序子程序可变增益放大器软件设计24shi=x2&0 x0f;ge=x2&0 xf0;ge=ge4;4.2 数码管显示程序数据显示程序的流程图如图 4-4 所示图 4-4 数码管显示子程序流程图LED 显示测试MAX7219 初始化延时约 3S退出显示测试While（1）再次初始化 MAX7219判断哪位 LED 被选中，并显示输入数字开始延时 2s可变增益放大器软件设计25需要显示数据时，首先对 MAX7219 进行初始化，就是通过对 MAX7219 的寄存器操作，设置其扫描界限、译码方式、亮度和工作模式等。然后点亮所有 LED，对四个数码管进行测试，因为 MAX7219 是串行驱动芯片，在本论文中需延时 3S，可保证四个数码管测试完毕，之后退出显示测试模式。根据单片机送入的数据选择哪个数码管亮和显示哪个数字。数码管显示的子程序如下所示：void display( )InitDisplay ();/ MAX7219 初始化WriteWord (DisplayTest,TestMode); / 开始显示测试，点亮所有 LEDDelay (3000); / 延时约 3SWriteWord (DisplayTest,TextEnd); / 退出显示测试模式While (1)uchar i, j;Delay (2000);/ 间隔约 2SInitDisplay ();/* 4 个数码管以相同时间间隔 2S 同时变化显示 09 的数字 */for(i=0;i=9;i+)for (j=0;j=3;j+)DisBufferj=i;WriteWord (Digit0,DisBuffer0);WriteWord (Digit1,DisBuffer1);WriteWord (Digit2,DisBuffer2);WriteWord (Digit3,DisBuffer3);可变增益放大器软件设计264.3 向 AD7520 送入数据从拨码开关中输入的数据经过数据转换后，送入单片机中进行处理，然后将处理后的数据送入数码管进行显示，最后送入 D/A 转换器 AD7520 中实现增益控制的功能。其流程图如图 4-5 所示。 在向 AD7520 送入数据之前，先要把从拨码开关中读入的数据经过公式转换，之后通过 8255A 的 PA 口和 PC6、PC7 共 10 个端口送入 AD7520 的 10 位输入端口里面，从而通过 AD7520 实现增益的控制。向 AD7520 送入数据的子程序如下：void write_ad() uint output ,x;图 4-5 向 AD7520 送入数据子程序流程图向 AD7520 送入数据子程序数据按公式转换取出低 8 位取出高 8 位写入控制字置 8255 控制端口，读有效向 AD7520 送入数据可变增益放大器软件设计27 uchar output1, output2; x= qian * 1000+bai*100+shi*10+ge; output=1040*x/1024; output1=output&0 x00ff; output2=output&0 xff00; P37=1; P36=0; P27=0; Cont=0 x82; P37=1; P36=0; P27=0; aa=output1; cc=output2;可变增益放大器软件设计28结束语在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器，但仪用放大器对电路的对称结构和外围元件的参数都要求的很严格，使其在实际应用中受到了很大的限制。为此，我们设计了带高共模抑制比前置放大电路的测量放大器，它具有高共模抑制比的特点，弥补了传统仪用放大器的不足。程控放大器比手工调节的放大器更具有优越性，其使用方便、性能好、采集数据更精确，所以在实际应用中得到了广泛的应用。本文在高共模抑制比前置放大器电路的基础上采用单片机进行控制，D/A 转换器 AD7520 实现衰减，四位数码管进行显示，实现了程控放大器的设计。本文的重点是软件设计，采用 Kiel C 编程实现了由拨码开关对放大倍数进行置数，单片机进行数字处理，四位七段数码管进行放大倍数的显示。程序部分主要分为主程序、数码显示子程序、拨码开关输入与读取子程序、数据转换子程序、向AD7520 送入数据子程序五个部分。本文还有很多地方需要进一步完善。比如说由于成本问题，没有加入软键盘的设计。但是如果能加入软键盘，就会使可变增益放大器的使用更加简洁方便，所以设计软键盘亦是一种趋势。此外，本设计采用数码管进行显示，但液晶显示更具有优越性，在以后的设计中，液晶显示会逐渐的进入人们的视野。可变增益放大器软件设计29致 谢毕业设计做了三个参考文献1戴佳，戴卫恒 51 单片机 C 语言应用程序设计实例精讲 北京：电子工业出版社，2006.4：1121212全国大学生电子设计竞赛组委会编著 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编 北京理工大学可变增益放大器软件设计30出版社，2004.8：1982023伍乾永,陈彬 基于单片机的可控增益放大器设计 内肛科技 2008.4：1011024张志良 单片机原理与控制技术 北京：机械工业出版社，2001.6：1761885周海胜 王栋臣 可变增益放大器的实现方法 仪表技术与传感器 2001.04 ：32346王小娟 数字式可变增益放大器的实现 仪表技术 2008.07 ：787张剑平 程控放大器及其精度研究j 仪器仪表学报 2006.6 ：38The AD7520 data sheet M，ANALOG Inc 2007：129The LM318 data sheetM,T1 Inc 1994.4:1410The MC14495 data sheetM, MOTOROLA Inc 2001:1211魏福安 电子电路设计与实践M，山东：山东科技出版社，2001：7 12何立民 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社，1991.1：303313李清泉，黄昌宁 集成运算放大器原理及应用 科学出版社，1980.2：414214秦世才 王朝英 集成运算放大器应用原理 天津科学出版社,1983.10：121515余淑美 微机原理接口技术及应用 中国广播电视出版社，1993.9：424516赵新民 智能仪器设计基础M 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999:121517李超青 单片机原理及接口技术M 北京:北京航空航天大学出版社,1998:11111218 Robert G. Irvine. Operational amplifier characteristics and applications. Prentice - Hall, Inc. ,1981：140.19孙涵芳 MCS51/ 96 系列单片机原理与应用(修订版) 北京：北京航空航天大学出版社,1996 ：212 215.20何立民 单片机应用技术选编(6) 北京：北京航空航天大学出版社，1998 ：558.附录一系统电路原理图一可变增益放大器软件设计31123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSiz eBDate:10-Jun-2009Sheet of File:D:业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By:71543260P071745236OP071745236OP07Iout1Iout2M SB_1BIT_2BIT_3BIT_4BIT_5BIT_6BIT_7BIT_8BIT_9LS B_10RfbVrefINVddAD 7520PC 1PC 2PC 3PC 0PC 7PC 6PA 7PA 6PA 5PA 4PA 3PA 2PA 1PA 0CSRDWRA0A1D0D1D2D3D4D5D6D7PB2PB7PB6PB5PB4PB3PB1PB08255P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RS T9RX D/P3.010TX D/P3.111IN T0/P3.212IN T1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515W R/P3.616RD /P3.717XTAL218XTAL119GN D20Vcc40P0.0/A D039P0.1/A D138P0.2/A D237P0.3/A D336P0.4/A D435P0