【正文】 可編程放大器設(shè)計(jì) 摘 要 本設(shè)計(jì)主要以 DAC0832 內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)作為核心，利用 AT89S52 單片機(jī)控制所選 D/A 的電阻網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，同時(shí)利用兩個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)來(lái)控制正弦波的放大倍數(shù)，并利用四位數(shù)碼管將其顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通頻為20Hz~20KHz， Vpp 為 20mV~20V，放大 ~100 倍，且步進(jìn)為 可調(diào)的無(wú)失真的波形放大器。 關(guān)鍵詞 : AT89S52 單片機(jī) 數(shù)碼管 放大器 1 Abstract The design mainly base on DAC083239。s inside resistors regarding as the kernel,it is used on the AT89S52 MCU controlling the resistors39。 the same time,it utilizes double Individual Keys to control sinusoidal wave39。s amplify,additionally,four digital tube to display the concrete measured,the system could make the function e true. In detail,the wave amplifier39。s parameter:pass band:20Hz~20KHz, Vpp:20mV~20V,amplify:~100,step:(adjusted no distortion). Key words: AT89S52 Micro Controller Unit digital tube amplifier 2 目 錄 摘要 2 一．核心模塊的方案論證與比較 3 濾波模塊 3 控制模塊 3 顯示模塊 3 自動(dòng)增益模塊 4 波形放大模塊 4 二．方案設(shè)計(jì)與總體論證 4 三．單元電路分析與實(shí)現(xiàn) 5 濾波模塊 5 顯示模塊 6 波形放大模塊 7 自動(dòng)增益模塊 8 四．單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 9 軟件功能 9 流程圖 9 五．測(cè)試結(jié)果及分析 9 六．設(shè)計(jì)總結(jié) 10 七．附錄 11 主要元器件清單 11 程序清單 11 3 第一章 緒 論 輸入端的信號(hào)在一定幅度內(nèi)，從而保證整個(gè)儀表的測(cè)量精度。但是人工檔位調(diào)節(jié)增加了儀表操作的復(fù)雜性、影響了數(shù)據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性，同時(shí)檔位調(diào)節(jié)通常采用機(jī)械轉(zhuǎn)扭，增加了儀器的不可靠性和接觸電阻對(duì)測(cè)量精度的影響。而且傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器，如 AD8321 芯片，并且該類(lèi)放大器價(jià)格較高（如 AD8321），選擇檔位也較少（如 TI的 PGA103， 206等僅 34檔）。還有一種可滿(mǎn)足核儀器中所要求的線(xiàn)性度與增益穩(wěn)定性以及自動(dòng)穩(wěn)譜的增益要求的數(shù)控放大器。系統(tǒng)在保證放大器的增益穩(wěn)定性和線(xiàn)性指標(biāo)的同時(shí)卻降低了放大器的輸入阻抗，必然對(duì)前級(jí)電路輸出阻抗提出更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)增大反饋電阻提高輸入阻抗，另外必要時(shí)還可以增加一級(jí)電壓跟隨電路，電壓跟隨器的輸入阻抗極高，這樣可以忽略電路中的導(dǎo)通電阻對(duì)增益的影響，各級(jí)增益完全取決于所選電阻。 目前通常由于各類(lèi)測(cè) 量?jī)x表設(shè)備中的傳感器在不同測(cè)試中，其輸出信號(hào)的幅度可能相差很多，傳統(tǒng)的處理方法是對(duì)放大器增加手動(dòng)檔位調(diào)節(jié)以保證后端的 A/D采集采用單片機(jī)來(lái)自動(dòng)選擇量程檔位，采用非易失性數(shù)字電位器和儀表放大器組成的高精度、多檔位、低成本的程控放大器。 以單片機(jī)（或個(gè)人計(jì)算機(jī)）為基礎(chǔ)的儀器測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)，是電子電工測(cè)量的一項(xiàng)重大變革，具有廣闊的應(yīng)用前景。 方案一：采用 CF412 或者 LF412芯片 此方案采用 CF412 或是 LF412芯片，因?yàn)榇诵酒膸捲鲆娣e可以達(dá)到 8MHz， 理論上來(lái)說(shuō)，其上限截至頻率可以達(dá)到 100KHz，但是考慮到此芯片需要 177。18V 供電，這會(huì)給電源供電模塊帶來(lái)難度而且價(jià)格較貴，故不采用這種方案。 方案二：采用 LM324N芯片 此方案是采用 LM324N 芯片，其帶寬增益積為 1MHz，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)上限截止頻率 為 20KHz，甚至可以達(dá)到 30KHz，足以實(shí)現(xiàn)基本要求部分，而且此芯片便宜，只需 177。12V 供電，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便，故采用此方案。 4 方案一： 4*4矩陣鍵盤(pán)控制 此方案可以直接輸入所需要的波形 放大倍數(shù) ，方便 快捷，但是程序操作復(fù)雜，故不采用這種方案。 方案二：獨(dú)立按鍵控制 此方案利用兩個(gè)獨(dú)立按鍵共同控制放大倍數(shù)，其中一個(gè)按鍵用來(lái)控制倍數(shù)的放大，另外一個(gè)控制倍數(shù)的衰減，以此來(lái)達(dá)到放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，由于本系統(tǒng)元件較少，而且 51單片機(jī)正好有兩個(gè) 外部 中斷口可以利用， 程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ，故采用此方案。 顯示模塊 方案一： 1602液晶顯示 此方案中液晶顯示器可以由 ASCll碼控制，控制簡(jiǎn)單，可以顯示更多的信息，比如 放大倍數(shù)和 單位等，但是價(jià)格相對(duì)昂貴，故不為本系統(tǒng)所采用。 方案二：數(shù)碼管顯示 此 方案中利用共陰極數(shù)碼管并對(duì) 0~9 這 10 數(shù)字進(jìn)行編碼，并利用數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描形式來(lái)顯示不同的數(shù)字，以達(dá)到顯示放大倍數(shù)的目的。由于本系統(tǒng)僅需對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行顯示，利用四段數(shù)碼管已經(jīng)足以達(dá)到要求，程序設(shè)計(jì)也相對(duì)容易，產(chǎn)品價(jià)格低廉，故本設(shè)計(jì)采用這種方案實(shí)現(xiàn)。 方案一：采用 MOSFET 實(shí)現(xiàn) 此方案通過(guò)輸入信號(hào)控制 MOS 管的 Rds 來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，由于 Rds 不好調(diào)節(jié)，尤其是信號(hào)較小時(shí)， Rds 變化不明顯，需要找到非常合適的電阻，才可以將信號(hào)幅度控制在 2V~3V 的范圍內(nèi)，雖然電路簡(jiǎn)單， 但準(zhǔn)確度不高，參數(shù)的選擇較為麻煩，故不采用這種方案。 方案二：采用 ADC0809 實(shí)現(xiàn) 此方案首先通過(guò)峰值檢測(cè)電路，檢測(cè)出輸入信號(hào)的峰值，然后將峰值電壓輸入ADC0809，由 A/D與單片機(jī)結(jié)合，再通過(guò)單片機(jī)控制 D/A來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，該方案簡(jiǎn)單，容易調(diào)節(jié)，故采用這種方案 。 5 方案一：采用模擬開(kāi)關(guān) CD4051 此方案中 采用具有 八路模擬開(kāi)關(guān)的 電子芯片 CD4051，這樣可以實(shí)現(xiàn)八種不同的放大倍數(shù)， 若 采用兩片，就可以實(shí)現(xiàn)十六種不同的放大倍數(shù)，以此類(lèi)推。但是 顯然，這 不可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào) 節(jié)，且其內(nèi)部的 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通 阻值較大， 也 會(huì) 給波形放大 帶來(lái) 較 大的誤差，故不采用 這種方案 。 方案二：采用 DAC0832 此方案是利用 51 單片機(jī)來(lái)控制 D/A 內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，以此來(lái)控制其內(nèi)部電阻的變化，從而控制放大倍數(shù) 。 由于 DAC0832 輸出的是電流信號(hào)，所以需要利用 LM324N運(yùn)算放大器來(lái)將其轉(zhuǎn)換成電壓形式，以此來(lái)輸出放大后的正弦波 ， 故采用 這種方案 。 本文的設(shè)計(jì)思路 本章提出了一種基于 AT89C51單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易程控放大器系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)DAC0832將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量經(jīng)放大器放大輸出最后通過(guò)液晶顯示。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于 AT89C51 單片機(jī)和運(yùn)算放大器，通過(guò)調(diào)節(jié)外部獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電壓的大小。 本文的主要內(nèi)容 （ 1） DAC0832 的工作原理 （ 2） 放大器工作原理 （ 3） LCD1602 液晶的驅(qū)動(dòng) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程控放大器可以實(shí)現(xiàn)如下功能： ? 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的程控放大器系統(tǒng)，它可以通過(guò)按鍵輸入來(lái)控制輸出的電壓大小。 ? 輸出的值可通過(guò) LCD1602液晶顯示。 ? 能夠自己改變放大器的放大倍數(shù)。 6 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 該方案 是 以單片機(jī) AT89S52 控制為核心， 兩 個(gè)獨(dú)立按鍵和 D/A 芯片與單片機(jī)結(jié)合 參與工作，實(shí)現(xiàn)波形 放大 以及 放大倍數(shù) 的調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方式，設(shè)置參數(shù) 較為方便 ， 可以 實(shí)現(xiàn)倍數(shù) 的快速調(diào)節(jié)， 誤差 也 較小， 并且通過(guò)數(shù)碼管 將其 顯示出來(lái) 。 再加上 峰值檢測(cè)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換， 可以 實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 濾 波輸 入 信 號(hào)5 1 單 片 機(jī)鍵 盤(pán)D A C 0 8 3 2峰 值 檢 測(cè)電 路A D C 0 8 3 2數(shù) 碼 管顯 示輸 出 信 號(hào) 圖 21 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 AT89S52 單片機(jī) AT89S52為 ATMEL 所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flsah 存儲(chǔ)器。 （一）、 AT89S52主要功能列舉如下： 擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng) 可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）為 256字節(jié) 32 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn) 8 個(gè)中斷向量源 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 全雙工 UART 串行通道 7 （二）、 AT89S52各引腳功能介紹 ,如圖 22： 圖 22 AT89S52 引腳圖 VCC： AT89S52電源正端輸入，接 +5V。 VSS： 電源地端。 XTAL1： 單芯片系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端 。 XTAL2： 系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計(jì)上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動(dòng)作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。 RESET： AT89S52的重置引腳，高電平動(dòng)作，當(dāng)要對(duì)晶片重置時(shí)，只要對(duì)此引腳電平提升至高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間， AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)動(dòng)作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址 0000H 處開(kāi)始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。 EA/Vpp： EA為英文 External Access的縮寫(xiě)，表示存取外部程序代碼之意，低電平動(dòng)作，也就是說(shuō)當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會(huì)取用外部的程序代碼（存于外部 EPROM中）來(lái)執(zhí)行程序。因此在 8031 及 8032 中， EA 引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時(shí)，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至 8751內(nèi)部 EPROM時(shí)，可以利用此引腳來(lái)輸入 21V的燒錄高壓（ Vpp）。 ALE/PROG： 8 ALE 是英文 Address Latch Enable的縮寫(xiě)，表示地址鎖存 器啟用信號(hào)。AT89S52 可以利用這支引腳來(lái)觸發(fā)外部的 8 位鎖存器（如 74LS373），將端口 0 的地址總線(xiàn)（ A0～ A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因?yàn)?AT89S52 是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時(shí)在程序執(zhí)行時(shí) ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的 1/6，因此可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他周邊晶片的時(shí)基輸入。此外在燒錄 8751程序代碼時(shí)，此引腳會(huì)被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來(lái)使用。 PSEN： 此為 Program Store Enable的縮寫(xiě)，其意為程序儲(chǔ)存啟用，當(dāng) 8051被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時(shí)（ EA=0），會(huì)送出此信號(hào) 以便取得程序代碼，通常這支腳是接到 EPROM 的 OE 腳。 AT89S52 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分別啟用存在外部的 RAM與 EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而共用 64K的定址范圍。 PORT0（ ～ ）： 端口 0 是一個(gè) 8 位寬的開(kāi)路汲極（ Open Drain）雙向輸出入端口，共有 8 個(gè)位， 0， 1，依此類(lèi)推。其他三個(gè) I/O端口（ P P P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路， P0 在當(dāng)做 I/O 用時(shí)可以推動(dòng) 8 個(gè)LS的 TTL負(fù)載。如果當(dāng) EA引腳為低電平 時(shí)（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），P0就以多工方式提供地址總線(xiàn)（ A0～ A7）及數(shù)據(jù)總線(xiàn)（ D0～ D7）。設(shè)計(jì)者必須外加一鎖存器將端口 0送出的地址栓鎖住成為 A0～ A7，再配合端口 2所送出的 A8～ A15合成一完整的 16位地址總線(xiàn)，而定址到 64K 的外部存儲(chǔ)器空間。 PORT2（ ～ ）： 端口 2是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O端口，每一個(gè)引腳可以推動(dòng) 4個(gè) LS的TTL負(fù)載，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時(shí)，此端口便能當(dāng)成輸入端口來(lái)使用。 P2除了當(dāng)做一般 I/O 端口使用