程控放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、程控放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要本文介紹了一種可通過(guò)程序改變?cè)鲆娴姆糯笃?。它與adc相配合，可以自動(dòng)適應(yīng)大范圍變化的模擬信號(hào)電平。系統(tǒng)以89s51單片機(jī)作微處理器，運(yùn)用ne5532芯片組成運(yùn)放電路，采用cd4052芯片擔(dān)任增益切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)軟件控制開(kāi)關(guān)的閉合或斷開(kāi)來(lái)達(dá)到改變電路的增益。文章首先對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行論證，然后對(duì)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，最后重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程，并且對(duì)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及解決方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了最大放大60db的目的。關(guān)鍵詞程控放大器；運(yùn)算器放大器；單片機(jī)；增益the design and realization of progr

2、am-controll amplifierabstractthis article introduces a amplifier which changes the gain through the software. it coordinates with adc and adapts the simulated signal level with wide range change automatically. the system uses the 89s51 scm as the core. the ne5532 chip composes the operational circui

3、t and the cd4052 chip composes the gain switch. the gain of the circuit is changed by software which can control switch closed or disconnect.the article first demonstrates the system plan, then introduces the hardware and the software, finally explains the debugging process of the system with emphas

4、is. it also especially analogizes the problem in the debugging process and the resolutions. this system design has achieved anticipative request and realized enlarged 60db most greatly the goal.key wordsprogram-controlled amplifier; operational amplifier; scm; gain前言在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中,模擬信號(hào)在送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理前,必須進(jìn)行量化,

5、即進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換 1 。進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換之前,必須考慮a/d 轉(zhuǎn)換器的分辨率和模擬輸入電壓量程這兩個(gè)問(wèn)題。在一些特殊的應(yīng)用中,我們常希望輸入信號(hào)的幅值接近a/d 的輸入電壓量程的上限。工程上常采取改變放大器增益的方法對(duì)幅值大小不一的信號(hào)進(jìn)行放大。在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)不同幅度信號(hào)的放大, 往往不希望、甚至也不可能利用手動(dòng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益變換。利用程控放大器可以很好地解決上述問(wèn)題。程控放大器是根據(jù)使用要求由程序控制改變?cè)鲆娴姆糯笃?具有控制方便,線性度高,穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn) 2 。使用程控放大器改變模擬輸入信號(hào)的增益,并配合a/d的使用,可允許輸入的模擬信號(hào)在較大范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化,達(dá)到了提高a/d

6、 的輸入電壓量程的目的,也相當(dāng)于提高了a/d 的分辨率。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類測(cè)量?jī)x表越來(lái)越趨于采取數(shù)字化和智能化方向的發(fā)展 3 。這些設(shè)備一般由前端的傳感器、放大器電路和后端的數(shù)據(jù)處理電路組成。其中后端數(shù)據(jù)處理電路通常采用高精度a/d和高速單片機(jī)，以保證儀表的精度和速度要求。對(duì)于前端電路，由于傳感器輸出信號(hào)的幅度和驅(qū)動(dòng)能力均比較微弱，必須加接高精度的測(cè)量放大器以滿足后端電路的要求；另一方面，傳感器在不同測(cè)試中輸出信號(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。人工檔位調(diào)節(jié)增加了儀表操作的復(fù)雜性

7、、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。是否可由單片機(jī)自動(dòng)選擇量程檔位呢？答案是肯定的，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器。1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)程控放大器。通頻帶10hz-150khz，輸入阻抗大于500k，最大輸出10vpp。增益可調(diào)范圍0-60db，每10db步進(jìn)。放大倍數(shù)可預(yù)置，可修改，并用數(shù)碼管顯示。增益誤差不大于2db。2系統(tǒng)方案論證程控放大器的基本電路和一般放大器電路類似,只是不同電路其反饋網(wǎng)絡(luò)以及期中的電阻阻值是不同的,下面就改變?cè)鲆娴膸追N常用方法作一些探討。2.1方案一 同相型程控放大器圖2.1 同相放

8、大器的基本電路同相型放大器的基本電路如圖2.1所示。放大器的增益g只取決于反饋電阻rf 和電阻r1。由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高,尤其對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)輸入型運(yùn)算放大器, 輸入阻抗可達(dá)1012 ,因而開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)放大器增益的影響可以忽略不計(jì) 4 。在圖2.1中,利用運(yùn)算放大器的高開(kāi)環(huán)增益特性和負(fù)反饋,開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)增益的影響基本上得以消除。該類電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻對(duì)電路的增益影響小,因此特別適用于采用模擬電子開(kāi)關(guān)控制的場(chǎng)合。電路的不足之處是放大器增益不能小于1 ,因此不能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減,解決辦法是在前級(jí)加入無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)。2.2方案二 反相型程控放大器圖2.2 反相型程控放大器反相型程控放

9、大器的基本電路如圖2.2所示。在圖中只需改變r(jià)f 或ri 的阻值就可以改變放大器的增益。電路中,切換開(kāi)關(guān)sw1swn 可以使用模擬電子開(kāi)關(guān)或繼電器,通過(guò)軟件控制開(kāi)關(guān)的閉合或斷開(kāi),用于選擇不同的輸入電阻或反饋電阻來(lái)達(dá)到改變電路的增益 5 。該類電路的優(yōu)點(diǎn):放大器增益可大于1 ,也可小于1 或等于1 ,因此,既可以對(duì)輸入的小信號(hào)進(jìn)行放大,也可以對(duì)輸入的大信號(hào)進(jìn)行衰減,因此電路的動(dòng)態(tài)適應(yīng)范圍很大。但該方法的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的:由于切換開(kāi)關(guān)與輸入電阻或反饋電阻串聯(lián),開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻將影響放大器的增益,特別是在使用模擬電子開(kāi)關(guān)時(shí)尤其明顯。解決方法是將放大器的反饋電阻rf 和輸入電阻ri 盡量取大一些,也可

10、先測(cè)出開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻,再對(duì)電路中的rfrf n或ri1ri n作適當(dāng)?shù)男拚?。另? 所示的放大器的輸入阻抗不是固定的,因此最好加入隔離放大器以減少對(duì)前級(jí)信號(hào)源的影響。該圖所示電路，采用集成化的模擬開(kāi)關(guān)擔(dān)任增益切換開(kāi)關(guān)，功耗小，體積小，可以由ttl或cmos電平直接驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)行放大和衰減。同樣，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻影響放大倍數(shù)，模擬開(kāi)關(guān)可以使用cmos系列的cd4066，cd4051cd4053等等，也可以使用max75xx系列或max301309，331339，351359系列的模擬開(kāi)關(guān)。當(dāng)放大器的輸入信號(hào)正負(fù)都有時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)必須雙電源供電。2.3方案三 dac型程控放大器dac型程控放大器由d

11、ac 和運(yùn)算放大器組成,其原理是利用dac的乘法功能實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆婵刂?6 。dac內(nèi)部主要由r-2r 電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成,例如dac0832、ad7520 等電流輸出型芯片。此類程控放大器的優(yōu)點(diǎn):由于dac中的r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)是采用精密光刻技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的,電阻的誤差較小,溫度系數(shù)也比一般的金屬膜電阻低得多,因此構(gòu)成的程控放大的增益誤差較小;另外，只要取合適的輸入電阻ri或反饋電阻rf,電路和增益可以大于1,也可小于1,也可以等于1,甚至為0。電路的缺點(diǎn):由于dac內(nèi)部的分布電容影響,電路的頻響不是太理想,電路增益也不容易做得較大;另外電路的信噪比也較差。另外，雖然市場(chǎng)上已有單片集成程控

12、放大器芯片,如ad526、pga204等產(chǎn)品,但它們的價(jià)格昂貴,放大的增益用戶無(wú)法自行改變。3硬件電路設(shè)計(jì)總結(jié)上述三種方案，我決定選用芯片ne5532實(shí)行三級(jí)放大，用cd4052模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換選擇，單片機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)分兩大模塊，一是控制模塊，一是放大模塊。圖3.1是硬件電路框圖。電壓跟隨器一級(jí)運(yùn)放二級(jí)運(yùn)放三級(jí)運(yùn)放單片機(jī)控制部分鍵盤(pán)顯示信號(hào)輸入信號(hào)輸出圖3.1 硬件電路框圖如圖所示，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)設(shè)置為電壓跟隨器的晶體管，提高輸入阻抗。然后進(jìn)行一級(jí)放大，二級(jí)放大，三級(jí)放大。再由單片機(jī)控制放大倍數(shù)，選通模擬開(kāi)關(guān)以及運(yùn)放，關(guān)將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。3.1控制模塊圖3.2為控制模塊電路圖?？刂颇K主要

13、由單片機(jī)組成，鍵盤(pán)掃描電路和顯示電路則分別接在單片機(jī)的四個(gè)端口。在p0口，接共陽(yáng)的數(shù)碼管，p2.4p2.7接晶體管，控制數(shù)碼管的位選端。p2.0接程序指示燈。鍵盤(pán)掃描接在p3口。p1口分別接入一6腳排插用來(lái)連接模擬開(kāi)關(guān)和6線下載器。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位。圖3.2控制模塊3.1.1at89s51:mcs-51系列單片機(jī)中hmos工藝制造的芯片采用雙列直插（dip）方式封裝，有40個(gè)引腳 7 。（1） 電源引腳。vcc正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)時(shí)為5v電源，vss為接地端。（2） i/o總線。p0.0p0.7（p0口），p1.0p1.7(p1口)，p2.0p2.(p2口)，p3.0p3.7（p3口）為輸入

14、/輸出引線。（3） 時(shí)鐘。xtal1：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。xtal2：片內(nèi)振蕩器反相器的輸入端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。（4） 控制總線。rst：復(fù)位輸入信號(hào)，當(dāng)該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，此引腳為掉電保護(hù)后備電源之輸入引腳。3.1.2鍵盤(pán)掃描本實(shí)驗(yàn)鍵盤(pán)掃描接為4x4矩陣，用反轉(zhuǎn)法處理線路。反轉(zhuǎn)法：將行線作為輸出線，列線作為輸入線。行線輸出全“0”信號(hào)，讀入列線的值。然后將行線和列線的輸入輸出關(guān)系互換，并且將剛才讀到的列線值從行線的端口輸出，再讀取行線的輸入值 8 。鍵盤(pán)掃描接在單片機(jī)p3口。根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，p3.0p3.3作為行線，p3.4p3.7作

15、為列線，即低位為行，高位為列。先置低位為0，讀高位值；再將行線與列線的關(guān)系互換，置高位為0，讀低位值。比較前后兩值，即可判斷哪個(gè)鍵按下。3.2放大模塊圖3.3放大模塊圖3.3為放大模塊電路。ne5532一共8腳。3腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端。8、4腳分別接正負(fù)12v電源。反饋網(wǎng)絡(luò)由模擬開(kāi)關(guān)cd4052組成。cd4052共16腳。16腳接+5v，6、8腳接地，7腳接5v，9、10腳接單片機(jī)控制信號(hào)。3腳接運(yùn)放反饋量，1、2、5腳接入運(yùn)放的負(fù)反饋，與滑動(dòng)變阻器構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。其中，其中1腳將輸出電壓全部反饋到反相輸入端；2腳接入2.16k的電阻，可控制放大10db，5腳接入9k的電阻，可控制放

16、大20db。3.2.1ne5532簡(jiǎn)介ne5532是高性能低噪聲運(yùn)放，與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放（如1458）相似，它具有較好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)與電源帶寬。圖3.4是ne5532內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3.4 ne5532芯片圖（1）小信號(hào)帶寬：10mhz；（2）輸出驅(qū)動(dòng)能力：600，10v；（3）輸入噪聲電壓：5nv/hz（典型值）；（4）dc電壓增益：50000；（5）ac電壓增益：10khz時(shí)2200；（6）電源帶寬：140khz；（7）大電源電壓范圍：320v虛短路：指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位無(wú)窮接近，但又不是真正短路。虛斷路：從集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端看進(jìn)去相當(dāng)于斷路 9 。3.2.

17、2cd4052簡(jiǎn)介cd4052是一個(gè)雙4選一的多路模擬選擇開(kāi)關(guān)。圖3.5是cd4052芯片管腳圖，圖3.6是cd4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3.5 cd4052芯片管腳圖圖3.6 cd4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其真值表如表3.1所示表3.1 cd4052真值表inhibitba0000x，0y0011x,1y0102x,2y0113x,3y1xxnone應(yīng)用時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)a/b的控制來(lái)選擇輸入哪一路，例如：需要從4路輸入中選擇第二路輸入，假設(shè)使用的是y組，那么單片機(jī)只需要分別給a和b送1和0即可選中該路，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。注意第6腳為使能腳，只有為0時(shí)，才會(huì)有通道被選中輸出。4軟件設(shè)計(jì)4.程序設(shè)計(jì)思路

18、在實(shí)際設(shè)計(jì)中，本著程序簡(jiǎn)單，高效的原則，在初期設(shè)計(jì)過(guò)程中，從復(fù)雜到簡(jiǎn)單一步步簡(jiǎn)化，直到最后的程序。（1） 最先想到的是模仿計(jì)算器程序設(shè)計(jì)。一共四個(gè)“8”，最后兩個(gè)固定顯示“db”字母字樣。對(duì)于前兩位，剛開(kāi)始決定先由鍵盤(pán)輸入一位數(shù)，送寄存器儲(chǔ)存。再將其往前進(jìn)一位，然后輸入第二位數(shù)字。先鍵盤(pán)掃描，得出第一個(gè)鍵值，并且送顯示。進(jìn)行第二次掃描，得出鍵值，再送顯示。分析：這種方法較為先進(jìn)，但由于我所學(xué)知道不足，一時(shí)無(wú)法處理進(jìn)位問(wèn)題，所以只能作罷。（2） 連續(xù)按兩次鍵，直接將“十”位數(shù)顯示在dp1處，“個(gè)”位顯示在dp2處。先判斷是第幾次按鍵。如果是已經(jīng)是第三次按鍵，則計(jì)數(shù)器清零，復(fù)位。第四次按重新計(jì)數(shù)。

19、如果只是第一次按鍵，則送至“十”位，并保存；當(dāng)?shù)诙伟聪聲r(shí)，顯示個(gè)位。這期間給程序一定的延時(shí)。但不知道什么原因，在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)了這樣的問(wèn)題：按第一次，“十、個(gè)”位都同時(shí)顯示。第二個(gè)鍵值輸入，卻覆蓋第一個(gè)鍵值，并且兩位數(shù)顯示同一數(shù)字。同時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題還有，復(fù)位不能成功。每次復(fù)位后（重新上電后），數(shù)碼管顯示上次輸入的鍵值。分析有兩種可能：1，芯片有了記憶功能，將斷電前的狀態(tài)存儲(chǔ)下來(lái)了。2，一上電，芯片就執(zhí)行了上次的程序。后一種解釋更為合理，這說(shuō)明問(wèn)題出在顯示上。初始化中顯示沒(méi)有清零。（3） 更為精簡(jiǎn)的方法。將第二個(gè)數(shù)碼管（dp2）直接顯示“0”。這樣，只要處理一個(gè)“日”字就可以。這一思路，是三個(gè)

20、中最簡(jiǎn)單的。雖然如此，但我覺(jué)得程序就應(yīng)該簡(jiǎn)單，實(shí)用，完成所需功能即可。所以，我決定采用第三種方法。4.2程序流程圖 圖4.1 程序流程圖程序流程圖如圖4.1所示。首先對(duì)程序進(jìn)行初始，數(shù)碼管顯示默認(rèn)為0。首先進(jìn)行鍵掃描，判斷是否有鍵按下。如果沒(méi)有鍵按下，則返回重新鍵盤(pán)掃描。如果有鍵按下，則送顯示電路，由數(shù)碼管顯示。同時(shí)，單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)，根據(jù)輸入鍵值，選通運(yùn)放芯片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后程序結(jié)束，系統(tǒng)終止工作。4.3數(shù)碼管顯示由于我在畫(huà)pcb板時(shí),為了更好的連線,將p0口8個(gè)管腳相對(duì)應(yīng)的共陽(yáng)數(shù)碼管的管腳更改,所以在處理這個(gè)程序時(shí),就與以往的不同。數(shù)碼管顯示原理如表4.1所示。表4.1 數(shù)碼管顯示原

21、理edhcgafb00010100028h1111011100eeh20011001032h3101000100a2h4111001000e4h5101000010a1h60010000021h7111010100eah80010000020h9101000000a0h4.4cd4052程序在設(shè)計(jì)程序時(shí),應(yīng)認(rèn)真查看芯片的pdf文檔資料。觀察芯片各個(gè)引腳的功能，哪個(gè)輸入，哪個(gè)輸出。并要注意芯片的真值，編寫(xiě)程序主要就是依據(jù)此表。由前文所給出的真值表和芯片管腳圖，得芯片的選通模式程序。一共有三個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，每一個(gè)最大控制20db的放大幅度。每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)一次只能選通一個(gè)輸出。表4.2為模擬開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì)原

22、理。表4.2模擬開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì)p1.5p1.4p1.3p1.2p1.1p1.0u6u5u4u3u2u1ababab0db00000000h10db00001002h20db00000101h30db00011006h40db00010105h50db01011016h60db01010115h4.5按鍵掃描程序由原理圖可以得出，按鍵接在p3.0p3.7。表3.3為按鍵掃描程序。表3.3 按鍵掃描程序p3.7p3.6p3.5p3.4p3.3p3.2p3.1p3.001101011110111011120111101130111110140111111051011011161011101171011

23、11018101111109110101115系統(tǒng)調(diào)試檢測(cè)工具：萬(wàn)用表，示波器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器5.1硬件檢測(cè)（1）檢測(cè)電源線，地線。用萬(wàn)用表檢測(cè)電路板有沒(méi)有短路，斷路現(xiàn)象。經(jīng)檢測(cè)，線路導(dǎo)通。（2）檢測(cè)極性電容正負(fù)極有無(wú)接反，電阻大小有無(wú)接對(duì)。（3）檢測(cè)單片機(jī)。上電后，先用萬(wàn)用表測(cè)試各引腳電壓。其中40腳為4.93v，晶振兩腳分別為2.39v和2.12v?；?，寫(xiě)入一小的按鍵掃描程序，檢測(cè)按鍵和數(shù)碼管顯示。檢測(cè)結(jié)果，兩者正常。再次，檢測(cè)復(fù)位鍵。按下后，數(shù)碼管能歸零，說(shuō)明復(fù)位成功。（4）檢測(cè)放大電路。接入四種正負(fù)電源。用萬(wàn)用表測(cè)ne5532的4、8號(hào)腳的輸出電壓，測(cè)cd4052的1、7、9、10、

24、16腳，看電壓輸出是否正確。再測(cè)at89s51的vcc，四個(gè)端口的電壓值，看看是否在正常范圍之內(nèi)。經(jīng)檢測(cè)，運(yùn)放8腳+11.95v，運(yùn)放4腳-12.18v，cd4052的16腳+4.93v，7腳-5.10v。（5）測(cè)量三個(gè)ne5532的靜態(tài)工作點(diǎn)，觀察電壓是否正常。運(yùn)放的1、2、3腳的電壓都為0。（6）阻容耦合電路圖5.1 阻容耦合電路圖5.1為阻容耦合電路。耦合電路的主要有三個(gè)作用：1是讓信號(hào)無(wú)損耗地通過(guò)，加到后一級(jí)電路中；2是隔離兩級(jí)放大器之間的直流；3是在前級(jí)和后級(jí)放大器之間進(jìn)行阻抗的匹配。當(dāng)放大器的輸入阻抗比較大時(shí)，可以適當(dāng)減小耦合電容的容量。降低耦合電容c1的容量，對(duì)降低耦合電容的漏電

25、有利，因?yàn)殡娙莸娜萘坑?，其漏電電流就大，放大器電路的噪聲就大（耦合電容漏電流?huì)產(chǎn)生電路噪聲），特別是輸入級(jí)放大器的輸入端耦合電容要盡可能地小 10 。耦合電容對(duì)低頻信號(hào)的容抗比中頻和高頻信號(hào)的容抗要大，所以阻容對(duì)低頻信號(hào)是不利的。當(dāng)耦合電容的容量不夠大時(shí)，低頻信號(hào)首先受到衰減，說(shuō)明阻容耦合的低頻特性不好。在不同工作頻率的放大器中，由于放大器所放大的信號(hào)頻率不同，對(duì)耦合電容的容量大小要求也不同。為了降低電容漏電，愈是處于前級(jí)的耦合電容，其容量要求愈小 11 。當(dāng)耦合電路中的元器件開(kāi)路時(shí)，信號(hào)不能加到下一級(jí)電路中，使放大器無(wú)信號(hào)輸出。當(dāng)耦合電容漏電或擊穿時(shí)，會(huì)影響前后兩級(jí)放大器的直流電路工作，從

26、而影響交流電路的工作，放大器輸出信號(hào)將不正常。(7)信噪比信噪比等于信號(hào)功率大小與噪聲功率大小之比,信號(hào)功率用s表示,噪聲功率用n表示,信噪比用s/n表示.放大器的信噪比愈大愈好。噪聲也是放大器電路中的一種“信號(hào)”，是一種無(wú)用、有害的信號(hào)，它愈小愈好，但放大器中不可避免地會(huì)存在噪聲，當(dāng)噪聲太大時(shí)，將來(lái)得影響電路性能。多級(jí)放大器電路中，前級(jí)放大器產(chǎn)生的噪聲被后級(jí)放大器作為“信號(hào)”而加以放大，所以對(duì)前級(jí)放大器，要重點(diǎn)進(jìn)行噪聲抵制 12 。解決噪聲的方法，適當(dāng)提高放大器的輸入電阻，這樣可以降低輸入端耦合電容的容量，以減小因電容漏電而產(chǎn)生的噪聲。至此，硬件電路檢測(cè)基本檢測(cè)完畢。結(jié)果表明，一切正常。5.

27、2軟件檢測(cè)（1）檢測(cè)鍵盤(pán)掃描程序測(cè)試目的：每按一個(gè)按鍵，數(shù)碼管全部顯示一個(gè)數(shù)字。一般地，對(duì)任何帶有鍵盤(pán)掃描的硬件電路來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行軟件檢測(cè)時(shí)，首先應(yīng)檢測(cè)的就是鍵盤(pán)掃描。即寫(xiě)個(gè)小的鍵掃程序，看鍵盤(pán)掃描電路是否連接成功。利用反轉(zhuǎn)法，寫(xiě)一個(gè)3x3的掃描程序，并送鍵盤(pán)顯示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，鍵掃電路連接成功。（2）檢測(cè)cd4052控制程序測(cè)試目的：按下一個(gè)按鍵，則相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)會(huì)被選通。如表5.1所示。表5.1 模擬開(kāi)關(guān)選通對(duì)應(yīng)表第一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)第二個(gè)模擬開(kāi)關(guān)第三個(gè)模擬開(kāi)關(guān)按鍵5腳2腳5腳2腳5腳2腳0000000110000020100003100100401010051001016010101測(cè)試結(jié)果：模擬開(kāi)

28、關(guān)選通程序正確。（3）主程序測(cè)試前面兩個(gè)子程序較容易寫(xiě)，寫(xiě)主程序時(shí)有一定的困難。經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試，修改，再測(cè)試，再修改，直到最后成功。在主程序中，一共調(diào)用三個(gè)子程序，它們分別是鍵盤(pán)掃描keys，數(shù)碼管顯示disp，運(yùn)放放大部分fangda，三個(gè)子程序用lcall調(diào)用。keys根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，主要模仿3x3按鍵掃描程序而寫(xiě)。出現(xiàn)的問(wèn)題：雖然前面子程序測(cè)試中鍵盤(pán)掃描程序成功，但寫(xiě)入改進(jìn)后的4x4程序卻沒(méi)有成功。按任一鍵，數(shù)碼管沒(méi)有顯示。對(duì)比3x3程序，主要有兩個(gè)原因。1 調(diào)用每一個(gè)判斷鍵值程序后，子程序并沒(méi)有返回主程序。2 返回主程序，送顯示之前，所判斷鍵值并沒(méi)有送寄存器保存。以至于送顯示后后，累加

29、器中沒(méi)有值送數(shù)碼管顯示。解決方法，寫(xiě)一個(gè)kk3子程序。先調(diào)用kk3子程序，再將鍵值保存到累加器。kk3: mov shi,a ret（4）復(fù)位不成功按下復(fù)位鍵后，數(shù)碼管并不能清零。并且顯示上一次按鍵鍵值。經(jīng)過(guò)分析，根據(jù)程序執(zhí)行順序，系統(tǒng)上電后，有鍵按下后，送顯示。如果總是顯示上一次程序處理的結(jié)果，這說(shuō)明顯示程序沒(méi)有初始化。解決方法：對(duì)十位數(shù)值進(jìn)行保存。shi equ 30hmov shi,#00h5.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)簡(jiǎn)單的硬件測(cè)試，軟件修改之后，將硬件和軟件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。原以為能夠容易成功，可實(shí)際中卻出現(xiàn)了大量的問(wèn)題。（1）準(zhǔn)備工作校正示波器：校正后，出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的方波，說(shuō)明示波器良好，可以使用

30、。輸出信號(hào)：將探頭直接接函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出端，共地端接地。觀察示波器。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出1khz的波型，邊觀察示波器邊調(diào)幅度旋鈕，直至出現(xiàn)20mv vpp.（2）第一次測(cè)量輸入10mv正弦信號(hào)，通過(guò)探頭,觀察示波器。發(fā)現(xiàn)居然輸出的是方波信號(hào)。經(jīng)過(guò)分析，是因?yàn)榉糯蟊稊?shù)過(guò)大。ne5532不能處理過(guò)大電壓（12v以內(nèi)），在高電平處截?cái)嗖ㄐ危灾廉a(chǎn)生方波。而且程序控制并沒(méi)有起到作用，并沒(méi)有以10db步進(jìn)。經(jīng)分析認(rèn)為，此時(shí)電路已經(jīng)產(chǎn)生過(guò)大放大，所以程序控制此時(shí)已失去作用。（3）第二次測(cè)量 按指導(dǎo)老師的意見(jiàn)，將整個(gè)三級(jí)放大電路拆開(kāi)，分成三個(gè)獨(dú)立的放大電路，逐級(jí)檢查。斷開(kāi)第二，第三級(jí)ne5532,先不輸入信

31、號(hào),測(cè)ne5532的1腳。發(fā)現(xiàn)在即使沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下，示波器也測(cè)出有在幅值的波形。得出結(jié)論：系統(tǒng)出現(xiàn)自激振蕩。（4）自激振蕩現(xiàn)象概念：系統(tǒng)在輸入量為零的情況下，輸出卻產(chǎn)生了一定頻率和一定幅值的信號(hào)，就稱電路產(chǎn)生了自激振蕩。電路中只有滿足相位、幅值平衡條件，才能產(chǎn)生自激振蕩 13 。（5）第三次測(cè)量這次測(cè)量是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下完成的。測(cè)試三極管9018的三腳的電壓。測(cè)試三個(gè)ne5532芯片的1、2、3腳電壓，看是否為0。測(cè)試9018的發(fā)射極輸出波形。經(jīng)觀察，此處波形完好，沒(méi)有失真現(xiàn)象。拔掉二級(jí)、三級(jí)芯片，測(cè)試第一塊芯片的3、2、1號(hào)腳。3號(hào)腳為同相輸入端，經(jīng)測(cè)試，信號(hào)正常，清晰可見(jiàn)。但測(cè)試1

32、號(hào)腳時(shí)，波形明顯放大。拔掉第一塊cd4052芯片，用導(dǎo)線將1、3號(hào)腳短路，觀察波形。1、3號(hào)腳短路，使得運(yùn)放處于電壓跟隨器狀態(tài)，即理論上是不會(huì)放大，信號(hào)原樣輸出。經(jīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)信號(hào)確實(shí)是原樣輸出。這說(shuō)明系統(tǒng)并沒(méi)有產(chǎn)生自激振蕩。那么，之所以出現(xiàn)1號(hào)腳波形明顯放大，不是程序沒(méi)控制成功，就是電路板線路有問(wèn)題。開(kāi)始認(rèn)為是耦合電容問(wèn)題。對(duì)于運(yùn)放芯片ne5532的8腳引入+12v電源，0.01f電容并不能很好消除干擾。所以，每個(gè)電容再關(guān)聯(lián)一個(gè)47f的電容。經(jīng)過(guò)修改，波形比前次清晰很多，取到了一定的效果。但放大現(xiàn)象依舊沒(méi)有改變。（6）第四次測(cè)量 這次測(cè)量是在李順福同學(xué)指導(dǎo)下完成。檢查程序，發(fā)現(xiàn)程序并沒(méi)有錯(cuò)誤。

33、每一個(gè)按鍵程序，成功控制相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)。這樣，說(shuō)明電路存在問(wèn)題。經(jīng)計(jì)算，0db時(shí)，1號(hào)腳放大10db，10db時(shí)1號(hào)腳放大20db。根據(jù)運(yùn)放放大倍數(shù)計(jì)算公式，有這樣大的放大，剛開(kāi)始認(rèn)為rf存在問(wèn)題。用萬(wàn)用表測(cè)量1、2腳間的內(nèi)阻值。rf只有8.9khz,根據(jù)公式,這不足以導(dǎo)致這么大的放大倍數(shù)。于是，檢查r1。對(duì)照電路圖，觀察電路板，發(fā)現(xiàn)所接的r1不等于電路圖上的1khz，只有500hz。將電阻換下來(lái)后，再測(cè)試輸出波形，發(fā)現(xiàn)波形正確。0db時(shí)不放大，原樣輸出，10db時(shí)放大3.16倍，屬于合理放大范圍。（7）第五次測(cè)量經(jīng)過(guò)前四次系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，基本上可以成功。但再最后一天檢測(cè)時(shí)，電路板又出現(xiàn)了問(wèn)題。又出

34、現(xiàn)0db時(shí)，運(yùn)放芯片出現(xiàn)信號(hào)放大現(xiàn)象。這次，很沒(méi)辦法。重新考慮從1到5的步驟，都沒(méi)有檢查出來(lái)。這時(shí)，指導(dǎo)老師指出，可能又是耦合電容的問(wèn)題。于是，決定在每個(gè)運(yùn)放芯片以及單片機(jī)芯片連上一個(gè)104的小電容。三個(gè)運(yùn)放原有的0.01f電容被替代，單片機(jī)vcc和地之間連上一個(gè)104電容。再次測(cè)試，測(cè)第一級(jí)芯片的3腳，信號(hào)正常。再測(cè)1腳，信號(hào)原樣輸出，表示成功一半。再進(jìn)行10db放大，觀察示波器，得62mv的波形，又成功。再測(cè)20db放大，很到169mv的正弦波，波形清晰，穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有什么干擾。作品成功。5.4數(shù)據(jù)記錄測(cè)試方法：輸入20mv（vpp）的正弦信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的控制調(diào)節(jié)放大器的增益。并記錄相關(guān)

35、數(shù)據(jù)，列表5.2。表5.2 數(shù)據(jù)記錄電壓增益db10 db20 db30 db 40 db 50 db 60 db放大電壓(vpp)62mv 169mv498mv1884.5mv7230mv17610mv數(shù)據(jù)分析：（1）當(dāng)按下按鍵1時(shí)，示波器輸出62mv。經(jīng)過(guò)計(jì)算,放大倍數(shù)為3.1倍，根據(jù)公式, a=20lgu0/ui (1)得放大10db。（2）當(dāng)按下按鍵2時(shí)，示波器輸出169mv。同樣,經(jīng)過(guò)計(jì)算,放大倍數(shù)為8.45倍,放大20db。進(jìn)行誤差計(jì)算，誤差為-2db，符合設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)綜述：前兩級(jí)信號(hào)放大倍數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。但第三級(jí)芯片，由于電路干擾較大，出現(xiàn)較大的誤差，這也是本作品在今后需要改進(jìn)

36、的地方。5.5使用說(shuō)明程控放大器經(jīng)測(cè)試成功后，便可投入使用。電路板有一五線連接器，為電源插槽。從左至右分別為gnd、-12v、+12v、+5v、-5v，每條電源線已接有連接器，可方便地接上實(shí)驗(yàn)板電源。電源插槽右邊有一六腳插槽，為程序下載器。最左的為gnd，最右邊的為+5v電源線路。在接入電源和插入下載線時(shí)，應(yīng)注意是哪個(gè)插槽以及插槽的方向。否則,如果正負(fù)電源接反,易燒毀電阻;如果將電源線接至下載器,易燒壞單片機(jī)芯片。電路板上還有兩個(gè)用6線排線相連的6腳插槽，用來(lái)連通單片機(jī)和cd4052。電路板左上腳有一兩腳輸入信號(hào)端口,引出一條輸入信號(hào)線，可直接接函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。下載器左邊有一兩腳輸出信號(hào)端口，

37、下端為gnd。寫(xiě)入程序后，接上電源，連上函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器。調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸入20mv(vpp)信號(hào)。根據(jù)實(shí)際需要，按鍵選擇放大倍數(shù)，即可得到需要放大的信號(hào)。6總結(jié)根據(jù)題目的要求，本設(shè)計(jì)基本上完成了基本部分的設(shè)計(jì)要求。在放大器模塊中，做到了電壓增益為60db，增益10db可調(diào)。但本設(shè)計(jì)中，也存在一些問(wèn)題如：由于pcb畫(huà)線路時(shí)自己經(jīng)驗(yàn)不足,元件布局不太合適,導(dǎo)致電路板產(chǎn)生一定的干擾,影響信號(hào),這是我要進(jìn)一步改進(jìn)的和不斷學(xué)習(xí)的。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)燒壞芯片,電阻。主要是接入電源時(shí)正負(fù)極接反。我的電源連接線沒(méi)有處理好。因?yàn)椴挥米鲭娫?，剛開(kāi)始處理時(shí)，做了個(gè)5腳的的插座。而實(shí)際電源制作了兩

38、個(gè)地，導(dǎo)致我必須做了個(gè)獨(dú)立的連接器。這樣，使得在實(shí)際操作中容易接錯(cuò)線路，導(dǎo)致短路、等現(xiàn)象。雖然燒了芯片，但正是這些問(wèn)題的出現(xiàn)給了我很好的提升自己的機(jī)會(huì)。在實(shí)際調(diào)試，分析電路的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)自己有很多知識(shí)沒(méi)有掌握或者基本上遺忘了。所以，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，查找課本一個(gè)知識(shí)點(diǎn)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)去學(xué)習(xí)，補(bǔ)充。比如，運(yùn)放的負(fù)反饋放大，深度負(fù)反饋下的自激振蕩現(xiàn)象，傳輸門(mén)的工作原理以及匯編語(yǔ)言。以前的學(xué)習(xí)中，不太喜歡使用，也不太會(huì)用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器。但這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己必須用到這兩樣。本著踏踏實(shí)實(shí)的態(tài)度，重新學(xué)習(xí)樣使用工具，受益匪淺。參考文獻(xiàn)1王煒.程控放大器及其典型應(yīng)用的實(shí)例j.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研

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