程序控制运算放大器-毕业设计-好

程序控制运算放大器
摘要
该论文主要包括了程序控制运算放大器的概述，系统硬件和软件的设计与实现，软件的调试过程，总结，致谢，参考文献，程序清单，电路原理图等。

主要任务：制作一个增益可数字化控制的线性放大器电路，并通过单片机小系统控制它的直流信号增益值的改变。

主要内容：设计一个实现增益可变的放大器电路，通过改变4个开关的分合状态，理论上可以形成4种不同增益方式。

用模拟开关集成块（如CD4066）实现这一开关阵，就可方便地通过单片机小系统控制放大器的增益值的改变。

运算放大器集成芯片使用LM741，单片微型计算机集成芯片使用ATMEL公司的AT89C51或AT89C52，写出满足要求的程序，合理的调试各个软件，最终就能得出仿真结果即满足设计要求。

关键词：运算放大器单片机集成芯片程控增益
Abstract
This dissertation include an overview of program-controlled operational amplifier, system hardware and software design and implementation, software debugging, sum up, thanks, bibliography, checklist, circuit schematic diagram and so on.
Main task: I intend to make a linear amplifier with gain control circuits, and control the DC signal gain value changes by a small system of single-chip microcomputer .
Main content: I want to design a variable gain amplifier circuit, and ,in theory,I can form 4 different gains by changing the State Division of 4 switches. With integrated analog switch blocks (such as the CD4066) for this switch, I can conveniently control amplifier value changes by a small system of single-chip. Operational amplifier integrated circuits use LM741. single-chip micro-computer chip chooses the ATMEL company’s AT89C51 or AT89C52. Writting the program of meetting the requirements, and reasonablely debugging the software, then we could ultimately concluded that simulation results that meet the design requirements.
Keywords: operational amplifier, microcontroller, integrated chip, program-controlled gain
目录
摘要 (I)
Abstract ..................................................................................................................... I I 目录.. (III)
前言.......................................................................................................................... - 1 -1程序控制运算放大器概述 ............................................................................. - 2 -
1.1放大器的种类及应用 .......................................................................... - 2 -
1.2 程控放大器的应用及特点................................................................. - 2 -
1.3 设计要求................................................................................................. - 3 -
1.4设计方案................................................................................................. - 3 -
1.4.1设计方案的选择........................................................................ - 3 -
1.4.2 系统的设计原理和结构.......................................................... - 3 -2系统的硬件设计 ............................................................................................... - 5 -
2.1单片机控制系统 ................................................................................... - 5 -
2.1.1单片机的介绍 ............................................................................ - 5 -
2.1.2单片机控制功能的实现 .......................................................... - 7 -
2.2模拟开关集成块CD4066................................................................... - 8 -
2.2.1 模拟开关CD4066的介绍...................................................... - 8 -
2.2.2 CD4066工作状况和技术要求............................................... - 8 -
2.2.3 模拟开关CD4066功能的实现............................................. - 9 -
2.3 运算放大器LM741 ............................................................................ - 9 -
2.3.1 运算放大器LM741的介绍.................................................. - 9 -
2.3.2 LM741的技术要求和实现方式 .......................................... - 10 -
2.4 数码显示管.......................................................................................... - 11 -
2.4.1 数码管介绍............................................................................... - 11 -
2.4.2 主要参数 ................................................................................... - 12 -3系统的软件设计 ............................................................................................. - 13 -
3.1 软件总体说明 ..................................................................................... - 13 -
3.2 按键消除抖动模块描述 ................................................................... - 14 -
3.3 数码管显示模块................................................................................. - 15 -
3.4 动态扫描模块 ..................................................................................... - 16 -4软件的调试 ...................................................................................................... - 17 -
4.1 keil 软件的调试.................................................................................. - 17 -
4.2 Proteus软件的调试 ............................................................................ - 18 -
4.2.1 Proteus软件的介绍................................................................. - 18 -
4.2.2 Proteus软件的操作步骤........................................................ - 19 -
4. 3 仿真结果 ............................................................................................. - 20 -总结........................................................................................................................ - 22 -致谢........................................................................................................................ - 23 -参考文献 .............................................................................................................. - 23 -附件1程序清单................................................................................................ - 24 -附件2电路原理图 ........................................................................................... - 26 -
前言
随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信，网络技术，多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位，8位，16位到32位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。

单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。

在工程上常采取改变放大器增益的方法对幅值大小不一的信号进行放大。

在计算机数控系统中，为实现不同幅度信号的放大，往往不希望甚至也不可能利用手动的方法来实现增益变换。

利用程控放大器可以很好的解决上述问题。

程控放大器也称为可编程放大器，是根据使用要求由程序控制改变增益的放大器，具有控制方便，线性度高，稳定可靠等优点。

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。

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，因此程控增益放大器得到广泛应用。

程控一般有两种方法，一个是模拟的，叫做自动增益控制（AGC），另外，还有先监测输出，然后调整程控增益放大器的增益，前者简单，但人工介入较麻烦，后者人工介入较简单但成本高复杂。

“先监测输出，然后调整程控增益放大器的增益”是说通过编制程序去控制电路实现。

本文分析了程控放大器的基本原理，当改变按钮闭合状态时测量放大器的增益也相应地加以改变。

这种变化通常是自动进行,即不需要人为的改变电路连接,而是通过软件控制放大器增益的改变。

这样可以实现仪器量程的自动切换。

另外,通过改变增益的方法使系统功能增强。

本次设计中我们应用AT89C52单片机、LM741运算放大器、CD4066双向模拟开关的概况及应用做的简单程控放大器，通过软件控制放大器增益的改变，采用这向项技术，可以使测量系统有宽的适用范围，提高系统的适应性，同时提高系统的测量精度。

1 程序控制运算放大器概述
1.1放大器的种类
一、A类放大器：是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。

这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，可认为它是一种良好的线性放大器。

二、B类放大器：是指器件导通时间为50％的一种工作类别。

这类放大器可以说是最为流行的一种放大器，也许目前所生产的放大器有99％是属于这一类。

三、AB类放大器：实际上是A类和B类的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。

该类放大器的偏置按B类设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类。

AB类放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。

这样在AB类状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类或B类。

1.2 程控放大器的应用及特点
程控放大器是一种放大倍数可以控制的放大器，缩写符号PGA。

程控放大器在实际当中有很多应用，可以通过程序来自动调节放大器的放大倍数。

例如，在一些比较高档的电子测量仪器中可以根据输入信号的大小自动调整量程的范围，就是通过改变放大器的放大倍数来实现的。

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，因此程控增益放大器得到广泛应用。

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。

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。

1.3 设计要求
在给定的单片机小系统板上提供人机操作界面，使操作者能通过按键操作，来控制放大器的增益等级，相应的增益值在数码管上显示。

具体指标如下：
1）通过按键操作能够实现1倍、20倍、30倍、50倍的放大；
2）输出信号用示波器显示出来并且无明显失真；
3）将具体的放大倍数通过数码管显示出来。

1.4 设计方案
1.4.1设计方案的选择
方案一：集成程控增益放大器。

它具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带等优点，但其增益有限，只能实现特定的几种增益切换。

所以我们不采用此方案。

方案二：运放+模拟开关+电阻网络。

这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大器电路的闭环增益。

此种方法通用性强，经济实惠，效果显著。

所以我们选用此方案。

1.4.2系统的设计原理和结构
设计一个实现增益可变可控的放大器电路。

通过手动改变开关的分合状态，来控制单片机小系统I/O端口的高低电平，从而来控制模拟开关的各引脚的通断，每对引脚分别与运放的四条支路串联，而每对引脚之间则是两两并联，即实现单片机小系统对增益实现模块的控制功能，同时在数码管上显示相应的增益值。

具体电路分析：将程序控制放大电路的程序写入单片机中并实时的检测电路的放大，通过P2口键盘扫描程序判断是哪个按键按下，并从P1口输出相应的键值，选通相应的模拟开关从而实现电路中对信号的放
大作用。

本设计由四个模块电路组成：单片机模块、运算放大器模块、模拟开关模块和数码显示管模块。

程控放大器模块图如图1.1所示：
图 1.1程控放大器模块图
相应的接口为：单片机P0口连接一个上拉电阻和数码显示管，P1口控制模拟开关，P2口的P2.0－P2.3分别连接四个按键开关，P2口的P2.6-P2.7分别连接数码管的1、2管脚，信号发生器分别连接一个LM741的输入端口和示波器的A端口，另一个LM741的输出端口连接示波器的B端口。

2 系统的硬件设计
2.1 单片机控制系统
2.1.1 单片机的介绍
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器。

单片机芯片如图2.1所示：
图2.1单片机芯片
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选
择。

单片机是靠程序运行的，并且程序可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是一些独特的功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

本次设计选用的是AT89C52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

单片机管脚说明：AT89C52引脚排列如图2.2所示：
图 2.2 AT89C52引脚排列图
P0口——8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可驱动8个TTL逻辑电平。

当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0口能够用
于外部程序数据存储器，它也可以被定义为数据/地址的第八位。

在FILASH编程时，P0口作为源码输入口，当FIASH进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口——带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能够接收输出4个TTL逻辑电平。

P1口管脚输入“1”时，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口将作为低八位地址接收。

P2口——带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL逻辑电平，P2口当用于外部程序存储器或者16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址高八位。

在给出地址1时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口——带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉为高电平，并用做输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。

在编程和校验时，P3口可接收某些控制信号。

由于本次设计未使用RST、ALE/PROG等端口，故在此不多做介绍。

2.1.2 单片机控制功能的实现
在本次设计当中， P0口接数码管，由于P0口内部没有上拉电阻所以需要先接一个上拉电阻，P1口控制虚拟开关的通断，P2口的P2.0－P2.3分别连接四个按键开关，P2口的P2.6-P2.7分别连接数码管的1、2管脚。

将程序控制放大电路的程序写入单片机中并实时的检测电路的放大，手动按下按键，通过P2口键盘扫描程序判断是哪个按键按下，并从P1口输出相应的键值，同时数码管显示出相应的放大倍数值，从而选通相应的模拟开关即实现对模拟开关的控制。

2.2 模拟开关集成块CD4066
2.2.1模拟开关CD4066的介绍
模拟开关C D4066是一种四路电子开关集成电路，在电视机、影碟机、电话机、各种电子仪器仪表等上应用相当广泛。

CD4066集成电路内部主要由四路功能完全相同的电子开关组成，各组开关分别受其相应引脚输入的电平控制，使电子开关接通或断开。

CD4066主要用作模拟或数字信号的多路传输。

引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。

另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。

CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。

这种结构消除了开关晶体管阀值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。

与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。

2.2.2 CD4066工作状况和技术要求
图 2.3CD4066工作状况表
技术要求：(1) CD4066的电源供电电压范围为3～15V，本项目为5V；
(2)抗高频噪声能力为0.45 VDD (typ.)；
(3)工作温度：-40℃～+85℃。

2.2.3模拟开关CD4066功能的实现
本设计中，P1口控制模拟开关（CD4066）的各引脚（共四对引脚）的通断，每对引脚分别与运放的四条支路串联，而每对引脚之间则是两两并联。

通过P1口来选通相应的模拟开关，从而实现改变相应电阻串并联情况的功能。

各接口定义如下：
表2-1各接口定义
2.3 运算放大器 LM741
2.3.1运算放大器LM741的介绍
运算放大器LM741是模拟电路的最重要的模块之一，是所有线性电路中最重要的基本单元电路，是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。

由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。

它的引脚图如下所示：
图2.4LM741放大器引脚图
LM741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压+Vdc 与-Vdc ，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op 放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压+Vdc 或小于负电源电压-Vdc ，输入电压差经放大后若大于外接电源电压+Vdc 至-Vdc 之范围，其值会等于+Vdc 或-Vdc ，输出电压于达到+Vdc 或-Vdc 后会呈现饱和现象。

LM741的特点:（1）不需要处部频率补偿；（2）输入有过压保护；
（3）输出有过载保护； （4）无阻塞和振荡现象。

2.3.2 LM741的技术要求和实现方式
相关技术要求为：（1）工作温度为：-20℃~75℃；（2）电源电压不能大于18V ，本次给运放提供的电源电压为±5V ；（3）输入阻抗为1MΩ。

实现方式：选择的电阻值分别：100KΩ, 5KΩ, 3.3KΩ, 2KΩ，根据反
向比例放大器的增益计算公式： 从而实现不同放大倍数的增益要求。

连接方式如下图所示：
∑
=-=n k n k
f o v R R v 1图2.5 增益实现连接图。