基于51单片机的程控增益放大器设计报告

基于51单片机的程控增益放大器

设计报告

一、研究内容及系统功能

运算放大电路在各种仪器仪表中能够完成小信号放大电路，本设计旨在利用单片机实现与数字电位器进行I2C通信，控制数字电位器输出，且能显示输出增益变化。增益可控放大器可由基本运算放大器、数字电位器和控制逻辑组成。

本次设计要求实现以下功能：

1、利用单片机、数字电位器、运算放大器设计一个增益可控及能够显示增益变化的电路。增益变化范围1~50，步进为1。

2、提交设计硬件电路图及软件编程代码；

二、程控增益放大器硬件电路设计

为了能更好的了解程控增益放大器的原理，本章首先给出设计方案并介绍了程控增益放大器的基本原理，然后对其各模块进行了分析。本设计程控增益放大器硬件电路的设计主要包含四个模块：电源模块、电路控制模块、增益放大模块以及液晶显示模块，其设计结构图如图2-1所示:

图2-1 程控增益放大器设计结构图

2.1 电源模块

本设计电源模块包含四个部分:电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，电源模块原理框图及直流稳压电源波形变换图参见图2-2：

图2-2 电源模块原理框图

2.2.2 电源模块硬件电路设计

本设计中，电源模块主要需要生+12V 、-12V 以及+5V 为控制模块、液晶显示模块以及增益放大模块供电。电源模块硬件电路设计图参见图2-3及图2-4。

T A C 220V

LM-317

U1~

~

图2-3 电源电路

U3

+5V

图2-4 电源电路

本设计选取变压器规格为:功率50W ，220V 转双路15V 输出，整流电路采用4个整流二极管1N4007来构成单相桥式整流电路转换成直流电，经整流电路后，选取两只4700uF/50V 的电解电容作为滤波电容，滤波电路利用电容的充放电作用，会使得

电压趋于平滑。为保证电路获得稳定性好的直流电源，在整流、滤波电路后稳压电路部分选用LM317和LM337稳压芯片构成稳压电路，从而生成+12V和-12V为增益放大器模块的运放芯片供电保证其正常工作。选用7805作为产生+5V电源的稳压芯片为后级单片机及数字电位器供电。

通常LM317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V--37V，LM337 的输出电压范围是 -1.25V 至 -37V，LM337和LM337硬件电路非常简单，仅需两个外接电阻来调节其输出电压，此外线性调整率和负载调整率也比其他标准固定稳压器好。采用78系列三端稳压芯片组成的稳压电源在硬件电路连接上也只需要极少的外围元件，电路内部包含过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且成本低廉，所以本设计电源模块选取了7805芯片来生成5V电压为电路控制模块及液晶显示模块供电。

2.2 增益放大模块

在本设计中，前级用到电压跟随电路提高输入阻抗以及使用反相运算放大电路进行增益放大，电压跟随器后采用四级反相比例放大电路对信号进行增益放大，利用数字电位器控制四级运放的反馈电阻。图2-5及图2-6分别为电压跟随器电路与增益放大电路:

图2-5 电压跟随器

图2-6 增益放大电路

在本模块硬件电路设计中，选取了OP37芯片作为运放芯片，OP37可提供与OP27

一样的高性能，但前者的设计针对增益大于5的电路进行了优化，可以使微弱电平信号得到精确的高增益放大，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。并选用了反相比例运算放大电路，该电路具有增益变化范围宽的优势。

增益放大模块在对低频小信号进行放大时，信号Vi首先经过电压跟随器阻抗隔

离，之后对跟随器的输出V O1

，进行四级放大，由于设计内容增益变化范围为1-50，且反馈电阻选用X9241W数字电位器阻值变化最大值为10KΩ，变化范围较窄，所以设计每级反相放大器反相端输入电阻选取2KΩ固定电阻，通过单片机对反馈端数字电位器的控制来调整增益，实现每级增益变化范围为1-5，采用四级放大电路级联来实现高增益。比如要实现信号50倍放大，可以通过软件调整使得第一级运放对输入信号Vi放大两倍，输出VW0，第二级运放对上一级输出信号VW0放大5倍，输出VW1，第三级运放再对上一级输出信号VW1放大5倍，输出VW2，最后一级作为倒相器，因此输入信号的总放大倍数为2*5*5*1=50，其他增益值可以通过同样的方式实现。

2.3 电路控制模块

本设计电路控制模块仅需采用51单片机最小系统，所谓单片机最小系统是指能够实现单片机工作的基本条件，也就是能使单片机正常工作的最基本的外围配置，最小系统主要包括电源电路、复位电路以及时钟电路。单片机的最小系统以及键盘控制电路参见图2-7及图2-8。

图2-7由单片机STC89C52构成的最小系统

图2-8

程控增益放大器开关键盘

电路控制模块的电气连接中，我们选用11.0592M 晶振为系统提供基本时钟信号，串口选择上将使用P2.0与P2.1口分别模拟IIC 通信的数据传送线SDA 和时钟控制线SCL 实现对X9241W 数字电位器的控制，P0口连接LCD1602液晶显示屏编程控制增益显示，

方便增益调节，电路连接时P0口需添加上拉电阻，采用P2.6、P2.7以及P1口连接开关键盘作为数字0-9，并以P3.2口由中断函数控制作为确认键。电路实际工作时，当键盘键入对应增益值，通过软件检测P1口及P2.6、P2.7的高低电平变化对增益值做赋值操作。例如，要想得到15倍的增益，编程设置为先键入数字1，程序上通过转换另其乘以10设为增益的10位，再键入数字5作为增益值的个位，这样就得到了增益值的赋值处理，然后通过确认件，系统通过键盘检测跳入中断完成根据对应增益值数字电位器直接跳转至相应档位从而引用阻值变化实现增益调节。同理，需要8倍增益时，仅需键入数字0和8，再通过确认键输入即可。

2.4 液晶显示模块

程控增益放大器需要对增益信息进行显示，该设计的显示将在LCD1602字符型液晶屏上实现。图2-9为程控增益放大器液晶显示模块的硬件电路电气连接图。

图2-9 液晶显示模块LCD1602硬件电路

硬件电路设计中，通过3管脚上电位器R1的的调节可以实现LCD液晶显示屏对比度的调节。单片机的P0口接LCD1602的D0~D7，实现单片机对LCD进行命令写入或者数据通信，P0口需添加上拉电阻；P2.3接入LCD1602的使能端EN，控制液晶显示屏正常显示；P2.4接入LCD的读写选择端RW，用来选择对LCD进行读操作还是写