程控放大器的设计方案

长江大学电子系统设计竞赛参赛方案作品名称程控放大器姓名周健（电气1083）、高秀龙（电气1083）所在院系电子信息学院完成时间2011.5.29程控放大器摘要：本设计以LF353、ATMEGA16、DAC0832芯片为核心，加以其它辅助电路实现对宽带电压放大器的电压放大倍数、输出电压进行精确控制。

放大器的电压放大倍数从0.5倍到127.5倍，以±0.5倍为最小步进可设定增益步进，控制误差不大于5%，放大器的带宽大于200KHz。

键盘和显示电路实现人机交互，完成对电压放大倍数和输出电压的设定和显示。

关键字：程控放大器、高精度、控制电压、电压变换、D/A、A/D。

一、系统方案设计与论证1、方案的比较程控放大器在信号调整与控制电路具有广泛的用途，如音响设备中音量的控制，电子设备中信号的准确放大，信号处理电路中输出信号的自动稳幅等。

准确程控增益可调放大器的实现方法通常有以下几种方案可供选用。

方案一：利用可程控的模拟开关和电阻网络构成放大器的反馈电阻，通过接入不同的电阻来实现放大器的放大倍数改变，以达到程控增益的目的。

此方案的优点是控制简单，电路实现较为容易。

缺点是多路模拟开关使用频率较低，其导通电阻对信号传输精度影响较为明显，漂移较大，输入阻抗不高，对于较为精确的控制其影响难以进行后期修正，切换时抖动引起的误差比较大，切换速度较慢。

控制精度增加一位，电阻网络就增加一级，电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。

方案二：利用数字电位器作为放大器的反馈电阻，实现放大器的放大倍数改变。

此方案和方案一原理基本相同，都是通过调节反馈电阻来实现对增益的控制，不同的是选用数字电位器来实现，缺点是数字电位器为了扩大使用电压范围，内部附加了由振荡器组成的充电泵，因而会产生有害的高频噪声,它同样不能满足高精度控制要求。

方案三：利用电流型DAC自身的乘法功能,可以实现程控放大器。

此方案实现较为容易，控制精确较高，一般不能做到宽频使用。

方案四：利用新型单片集成电压控制放大器实现程控放大器。

此方案实现也较为容易，控制电路成本较低，使用频率受限于放大器本身。

方案五：利用D／A转换器与仪表放大器一起可组成程控增益放大器。

该方案电路简单，增益可调范围大，稳定性好，性价比高，其增益由输入数字量控制，电路很容易和计算机或单片机相连，组成自动测试系统。

2、方案确定分析上述五种方案的优缺点，在满足要求的条件下，方案五具有更大的优越性和灵和性，因此我们采用D／A转换器与仪表放大器一起可组成程控增益放大器。

二、放大器的基本原理1、D/A转换器原理图一D/A转换器原理电路图如图一所示，从V REF端看进去，无论各个开关在什么位置，R-2R网络是个恒阻值R，流入R-2R网络的电流即为I TOTAL=V REF/R, 对于一个N位的MDAC来说，MSB处的2R上流过的电流大小为121I TOTAL,MSB-1处的2R流过的电流为1 22I TOTAL,MSB-2处的电流为123I TOTAL,……，在LSB上流过的电流为12NI TOTAL。

根据运放虚断的特有(V REF R⁄)×(D2N⁄)=−V OUT R FB⁄;R FB通常集成在DAC内部，从而保证和R是相等的，这样可以得到V OUT=−V REF×D2N⁄。

2、D/A转换器构成的程控增益放大器原理根据DAC的原理可知，它是一种电压输入电压输出的关系。

将待放大的模拟信号从V REF输入，就构成了一个增益小于1的放大器，其增益为A K= (1+R X R⁄)D2N⁄，为了实现放大，在接一级或多级放大。

设后级放大2x倍，则放大器的增益为A K=(1+R X R⁄)D×2X−N，其中D是给定的数字量范围为0到2N，从而构成了程控放大/衰减器。

三、系统的硬件设计与实现1、电源部分运放LF353选用±12v的双电源供电，ATmega16工作电压为+5v,电路如下：2、D/A转换器构成的放大电路电路设计如下：当输入信号十分微弱时，通常会淹没在噪声中，为此采用具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、宽频带宽特性的运算放大器LF353作为输入缓冲，它单位带宽可达4MHz, 完全满足系统频带宽10Hz到200KHz的要求，共摸抑制比高达100dB，等效输入噪声小于16nV/Hz，能有效抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比和系统的精度；放大部分采用8位的DAC0832实现的数字量程控放大，其增益为：A K=12.8×(1+9R R⁄)×D256=0.5D其中D给定的范围从1到255，因此可以实现从0.5倍到127.5倍，最小步进为0.5倍的程控放大。

满足系统增益1倍到100倍，最大步进10倍的设计要求。

3、V PP测量电路采用采样保持集成电路LF398和电压比较器LF353等组成的峰值采样保持电路，输入采样信号频率可达1MHz。

该电路通过控制信号实现对峰值采样，小于原峰值时，电容保持其原峰值，否则保持其新峰值。

其原理是:输入的电压进入采样集成，对电容充电，电压达到最大值（峰值）之后，输出的电压和输入的电压作比较，产生控制信号控制LF398的逻辑控制脚电压，使其采样保持输入信号的峰值。

使用ATmega16内部含有8 路复用的单端输入通道的10位ADC进行模数转换。

10 位精度、0.5 LSB 的非线性度、±2 LSB 的绝对精度、65 - 260 µs的转换时间、最高分辨率时采样率高达15 kSPS、可选的2.56V ADC参考电压、ADC⁄%<0.5%，理论上能满足系统误差要求。

转换结束中断,其误差为12104、显示电路此部分采用4个独立键盘完成功能的选择、放大倍数及增益步进的设置。

信号的幅值大小、放大倍数、步进大小以及工作模式等通过12864液晶进行显示，实现了友好的操作界面。

5、系统控制电路采用ATMEL公司的一款8位单片机ATMEG16来完成信号放大倍数的控制、信号峰值的检测以及显示数值功能，其电路设计如下：系统电路图四、软件程序设计1.12864的驱动时序2、按键驱动时序3、DAC0832的驱动时序4、测量V PP子程序流程图5、按键响应程序流程图INT0中断函数流程图定时器1中断函数流程图6、系统程序流程图附录：附录1：主要元器件清单表附录2：程序源代码/*名称：Atmega16-程控放大器源代码*/ /*时钟：8MHZ */ /*交互器件：LCD128*64、DAC0832、按键*4、模拟量输入*2 */ /*最后修改：2011-5-28 */ #include <avr/io.h>#include <avr/interrupt.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define RS_H() PORTD|=_BV(0); //H=数据; L=指令#define RS_L() PORTD&=~_BV(0);#define RW_H() PORTD|=_BV(1); //H=读; L=写#define RW_L() PORTD&=~_BV(1);#define E_H() PORTD|=_BV(3); //输入使能#define E_L() PORTD&=~_BV(3);#define PSB_H() PORTD|=_BV(4); //H=并口; L=串口#define PSB_L() PORTD&=~_BV(4);#define RST_H() PORTD|=_BV(5); //Reset Signal 低电平有效#define RST_L() PORTD&=~_BV(5);#define DAC_H() PORTA|=_BV(3); //DAC0832输入使能#define DAC_L() PORTA&=~_BV(3);#define ok 0x01 //按键定义#define change 0x02#define add 0x03#define reduce 0x04uchar digit[10]={"0123456789"}; //数字表volatile uchar state = 0; //指令状态值volatile uchar frame = 0; //当前界面状态量volatile uchar key = 0; //键值volatile uchar key_state1 = 0; //进入中断时的按键状态volatile uchar key_state2 = 0; //按键是否弹起volatile uchar key_time = 0; //按键是长按还是短按volatile uint Data_in = 1000; //输入幅度值,这样可以避免过多的浮点数运算volatile uint Data_out = 1000; //输出幅度值,这样可以避免过多的浮点数运算volatile uint multiple_set = 10; //倍数初值设定,这样可以避免过多的浮点数运算volatile uint amplitude_set =1000; //幅值初值设定,这样可以避免过多的浮点数运算volatile float multiple_real =1; //实际放大倍数void delay_ms(uint num){uint i,j;for(i=0;i<num;i++)for(j=0;j<400;j++);}void delay_us(uint num){uint i;for(i=0;i<num;i++);}void DAC0832() //利用DA实现程控放大{static uint temp = 2;static uchar state_new = 1; //防止设定的倍数对反馈产生干扰if(state==1) //确定倍数设定{state = 0;state_new = 0;temp = (uchar)((multiple_set*2)/10);//写给DAC0832的值要对放大倍数乘以2}else if(state==2) //确定幅值设定{state = 0;state_new = 0;temp = (uchar)(amplitude_set*2/Data_in); //写给DAC0832的值要对放大倍数乘以2//由于Data_in单位是ms ,amplitude_set单位是s}else state_new = 1;if(temp>255) temp = 255;PORTB = (uchar)(temp);DAC_L();delay_us(5);DAC_H();if(!state){if((multiple_real*2)<(float)(temp-1)&&temp<255) temp += 1; //temp-1可保留一定死区，增加稳定性else if((multiple_real*2)>(float)(temp+1)&&temp>0) temp -= 1;//temp+1可保留一定死区，增加稳定性}}void Check_Busy() //128*64忙检测{PORTC=0XFF;DDRC = 0x00;RS_L();RW_H();E_H();while(0X80 & PINC);E_L();DDRC = 0xff;}void Write_cmd(uchar cmd) //对128*64写指令{Check_Busy();RS_L();RW_L();E_H();PORTC=cmd;delay_us(2);E_L();}void Write_data(uchar data) //对128*64写数据{Check_Busy();RS_H();RW_L();E_H();PORTC=data;delay_us(2);E_L();}void Write_char(uchar addr,uchar ch) //对128*64指定位置写字符{Write_cmd(addr);Write_data(ch);}void Write_str(uchar addr,uchar *s) //对128*64指定起始位置写字符串{Write_cmd(addr);while(*s)Write_data(*s++);}void describe() //开机说明{Write_cmd(0x30);Write_cmd(0x01); //清屏Write_str(0x80,"输入幅值: <5V");Write_str(0x90,"输出幅值: <5V");Write_str(0x88,"放大范围:0.5-128");Write_str(0x98,"倍数步进:0.5");delay_ms(4000);}void display_Data_in() //显示输入幅度{uchar i,j,k,l;i=Data_in/1000;j=(Data_in%1000)/100;k=(Data_in%100)/10;l=Data_in%10;Write_cmd(0x80);Write_data(digit[i]);Write_data('.');Write_data(digit[j]);Write_data(digit[k]);Write_data(digit[l]);}void display_Data_out() //显示输出幅度{uchar i,j,k,l;i=Data_out/1000;j=(Data_out%1000)/100;k=(Data_out%100)/10;l=Data_out%10;Write_cmd(0x84);Write_data(digit[i]);Write_data('.');Write_data(digit[j]);Write_data(digit[k]);Write_data(digit[l]);}void display_multiple() //实际放大倍数显示{uchar i,j,k,l,m;uint temp;temp = (uint)(multiple_real*100);i=temp/10000;j=(temp%10000)/1000;k=(temp%1000)/100;l=(temp%100)/10;m=temp%10;Write_cmd(0x90);Write_data(digit[i]);Write_data(digit[j]);Write_data(digit[k]);Write_data('.');Write_data(digit[l]);Write_data(digit[m]);}void Show_multiple_set() //倍数设定值显示{uchar i,j,k,l;i=multiple_set/1000;j=(multiple_set%1000)/100;k=(multiple_set%100)/10;l=multiple_set%10;Write_cmd(0x9c);Write_data(digit[i]);Write_data(digit[j]);Write_data(digit[k]);Write_data('.');Write_data(digit[l]);}void Show_amplitude_set() //幅度设定值显示{uchar i,j,k,l;i=amplitude_set/1000;j=(amplitude_set%1000)/100;k=(amplitude_set%100)/10;l=amplitude_set%10;Write_cmd(0x9d);Write_data(digit[i]);Write_data('.');Write_data(digit[j]);Write_data(digit[k]);Write_data(digit[l]);}void Show_menu1() //主菜单1 {frame = 0;Write_cmd(0x01); //清屏Write_char(0x83,'V');Write_char(0x87,'V');Write_str(0x89,"> 倍数设定");Write_str(0x99," 幅值设定"); }void Show_menu2() //主菜单2 {frame = 1;Write_cmd(0x01); //清屏Write_char(0x83,'V');Write_char(0x87,'V');Write_str(0x89," 倍数设定");Write_str(0x99,"> 幅值设定");}void Show_multiple() //设定倍数界面{frame = 2;Write_cmd(0x01); //清屏Write_char(0x83,'V');Write_char(0x87,'V');Write_str(0x88,"倍数设定:");Write_str(0x98,"步进5");Show_multiple_set();}void Show_amplitude() //设定幅值界面{frame = 3;Write_cmd(0x01); //清屏Write_char(0x83,'V');Write_char(0x87,'V');Write_str(0x88,"幅值设定:");Write_str(0x98,"步进0.5");Show_amplitude_set();}void Frame_multiple()//倍数设定界面中有按键按下{static uchar stepping=1;switch(key){case ok: Show_menu1(); state = 1; break; //确定倍数设定case change:if(key_time==1) Show_menu1();else{if(stepping==1){Write_str(0x98,"步进0.5");stepping=2;}else{Write_str(0x98,"步进5 ");stepping=1;Show_multiple_set();}break; //key = change;case add:if(stepping==1){multiple_set += 50;if(amplitude_set>1250) amplitude_set = 1250;}else{multiple_set += 5;if(multiple_set>1280) multiple_set = 1280;}Show_multiple_set();break; //key = reduce;case reduce:if(stepping==1){if(multiple_set>50) multiple_set -= 50;}{if(multiple_set>5) multiple_set -= 5;}Show_multiple_set();break; //key = add;}}void Frame_amplitude()//输出幅值设定界面中有按键按下{static uchar stepping=1; //1对应0.5 2对应0.05 3对应0.005switch(key){case ok: Show_menu1(); state = 2; break; //确定幅值设定case change: if(key_time==1) Show_menu2();else{if(stepping==1){Write_str(0x98,"步进0.05 ");stepping=2;}else if(stepping==2){Write_str(0x98,"步进0.005");stepping=3;}else if(stepping==3){Write_str(0x98,"步进0.5 ");stepping=1;}Show_amplitude_set();}break; //key = change;case add:if(stepping==1){amplitude_set += 500;if(amplitude_set>3000) amplitude_set = 3000; //令最大输出幅值}else if(stepping==2){amplitude_set += 50;if(amplitude_set>3000) amplitude_set = 3000; //令最大输出幅值}else{amplitude_set += 5;if(amplitude_set>3000) amplitude_set = 3000; //令最大输出幅值}Show_amplitude_set();break; //key = reduce;case reduce:if(stepping==1){if(amplitude_set>500) amplitude_set -= 500;}else if(stepping==2){if(amplitude_set>50) amplitude_set -= 50;}else{if(amplitude_set>5) amplitude_set -= 5;}Show_amplitude_set();break; //key = add;}}void Frame_main1() //主菜单1中有按键按下{switch(key){case ok: Show_multiple(); break; //设定倍数case change: Show_menu2(); break; //key = change;case reduce: Show_menu2(); break; //key = reduce;case add: Show_menu1(); break; //key = add;}}void Frame_main2() //主菜单2中有按键按下{switch(key){case ok: Show_amplitude(); break; //设定幅值case change: Show_menu1(); break; //key = change;case reduce: Show_menu2(); break; //key = reduce;case add: Show_menu1(); break; //key = add;}}void Init_12864() //初始化128*64{delay_ms(5);PSB_H();RST_H();Write_cmd(0x30); //选择基本指令集Write_cmd(0x01); //清除显示，并且设定地址指针为00HWrite_cmd(0x06); //指定在资料的读取及写入时，设定游标的移动方向及指定显示的移位Write_cmd(0x0c); //开显示，关游标}int main(){DDRA = 0x0C;DDRB = 0XFF;DDRC = 0XFF;DDRD = 0XFF;PORTA = 0XFF;PORTB = 0XFF;PORTD = 0XFF;TIMSK |= _BV(TOIE0); //使能定时器0溢出中断GICR |= _BV(INT0); //使能外部中断0MCUCR |= _BV(ISC01); //INT0的下降沿产生异步中断请求TCCR0=0X03; //定时器0 64分频，8MHZ时8us加1,定时器250时2ms一次中断，采样达到500次/STCCR1B = _BV(CS12); //定时器1 256分频，8MHZ时64us加1TCNT0=5; //2ms一次中断PORTB = 0x02;DAC_L();delay_us(5);DAC_H();Init_12864();describe();Show_menu1();sei();while(1){display_Data_in();display_Data_out();display_multiple();delay_ms(200); //数据刷新率：5次/秒if(key_state2){switch(frame){case 0x00: Frame_main1(); break; //当前在主界面状态1case 0x01: Frame_main2(); break; //当前在主界面状态2case 0x02: Frame_multiple(); break; //当前在设定倍数界面case 0x03: Frame_amplitude(); break; //当前在设定幅值界面default: break;}key = 0;key_state2 = 0;}}}SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) //定时器0中断函数，8位{TCNT0=5;ADMUX = 0x40; // 参考电压选择AVCC,右对齐,通道0ADCSRA = 0xcf; //ADC使能，转换开始，中断允许，128分频给ADC时钟}SIGNAL(SIG_OVERFLOW1) //定时器1中断函数，16位{uchar temp;temp = PINA;temp = temp&0xf0;if(temp != 0xf0) //是按键{key_state1 = 1; //确定有按键MCUCR |= _BV(ISC01)|_BV(ISC00); //INT0上升沿中断TCNT1 = 0; //开始测量按下时长switch(temp){case 0x70: key = ok; break;case 0xB0: key = change; break;case 0xD0: key = reduce; break;case 0xE0: key = add; break;default: break;}}TIMSK &= ~_BV(TOIE1); //关闭定时器1溢出中断}SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) //外部中断0函数{uint temp;if(key_state1==0) //按键按下{TCNT1 = 65222; //利用定时器延时20msTIMSK |= _BV(TOIE1); //允许定时器1溢出中断}else{key_state1 = 0;key_state2 = 1; //得到按键值，时长MCUCR &= ~_BV(ISC00); //INT0的下降沿产生异步中断请求temp = TCNT1;if(temp<15625) key_time = 0; //小于1s，短按else if(temp>31250) key_time = 1; //大于2s，长按}}SIGNAL(SIG_ADC) //ADC转换完成函数{static uchar ADC_flag = 1;uint temp1,temp2;if(ADC_flag) //通道0转换完成{ADC_flag = 0;temp1 = ADCL;temp2 = ADCH&0x03;Data_in =(uint)((unsigned long)(temp1 + temp2*256)*5000/1024);ADMUX = 0x41; // 参考电压选择AVCC,右对齐,通道1ADCSRA = 0xcf; //ADC使能，转换开始，中断允许，128分频给ADC 时钟}else //通道1转换完成{ADC_flag = 1;temp1 = ADCL;temp2 = ADCH&0x03;Data_out = (uint)((unsigned long)(temp1 + temp2*256)*5000/1024);ADMUX = 0x00; //关闭ADCADCSRA = 0x00;multiple_real = (float)Data_out/(float)Data_in;DAC0832();}}。