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电赛选拔-可控放大器

摘要---------------------------------------------------------------------2 第一章设计原理与论证

1.测量放大部分----------------------------------------------------------3 （1）前置放大电路的设计------------------------------------------------3 （2）程控增益放大部分--------------------------------------------------4

2.滤波部分---------------------------------------------------------------4 第二章系统整体设计方案

1.系统原理框图----------------------------------------------------------6

2.整体电路图------------------------------------------------------------6

3.滤波部分---------------------------------------------------------------7

4.单片机控制部分--------------------------------------------------------7

5.软件流程---------------------------------------------------------------8 第三章主要参数计算

1.前端放大电路及程控放大部分-------------------------------------------8

2.通频带计算-------------------------------------------------------------8

3.抗干扰措施------------------------------------------------------------10 第四章参数测试分析

1.放大器测试------------------------------------------------------------10

2.程控滤波器测试-------------------------------------------------------11

3.结论------------------------------------------------------------------11 附录（总程序）-----------------------------------------------------------12

可控放大器

【摘要】

本着简单、准确、可靠、稳定、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。系统的特色在于：通过模拟开关，改变反馈电阻阻值，从而改变放大器增益，增益从10dB到60dB可调步距为10dB。

用单片机STC89C52对可编程滤波器芯片MAX262进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，滤波器的中心频率在15kHz～50kHz频率范围内实现64级程控调节，其Q值在0.5～64范围实现128级程控调节。

要求：

1．基本要求

（1）放大器输入正弦信号电压振幅为20mV，电压增益为45dB，通频带为100Hz～20kHz，放大器输出电压无明显失真。

（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～10kHz范围内可调，调节的频率步进为1KHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k 。

（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～10kHz范围内可调，调节的频率步进为0.5kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k 。

（4）截止频率的误差不大于10%。

（5）有设置参数显示功能。

2、发挥部分

（1）放大器电压增益为55dB，输入正弦信号电压振幅为20mV，增益10dB步进可调，通频带为100Hz～50kHz。

（2）制作一个带通滤波器，中心频率25kHz，通频带5kHz，在20kHz和30kHz频率处，要求放大器与带通滤波器的总电压增益不大于45dB。

（3）上述带通滤波器中心频率可设置，设置范围15kHz～35kHz，步进为2kHz。（4）电压增益、截止频率误差均不大于5%。

（5）其他。

第一章设计原理与论证

根据题目要求分以下几部分进行方案设计与论证：

1、测量放大部分

（1）前置放大电路的设计

方案一：

用LM324放大器，其电源电流很小且与电源电压无关，输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容，但其带宽参数无法满足本设计要求故不采用。

方案二：

采用运算放大器OP07,Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备。

为了达到60DB增益采用两级放大，第一级放大倍数为10，总的放大倍数为第一级放大倍数与第二级放大倍数的乘积。

图1

（2）程控增益放大部分

由一增益可软件编程的放大器，将不同幅度的模拟输入信号放大到某个特定范围，便于A/D转换器进行采样；或者将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出。

方案一：集成程控增益放大器。它们具有低漂移、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。如图1这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。此种方法通用性强，经济实惠，效果显著。所以我们用此方案。

2、滤波部分

在业自动化的许多领域都要使用滤波器。一般有源滤波器均由运算放大器和RC元件组成。

方案一：使用RC网络，RC电路尽管可以做到体积小和廉价，但要满足此设计要求，需多个图2结构并联，网络仍然过于庞大。而且其上半周内电容C中积蓄得能量到下半周就会被电阻R消耗一半，因此单纯的RC电路Q值不会大于0.5，选择性差，效果同样不佳。所以我们不采用。

图2

方案二：使用MAX262可编程开关电容通用滤波器,它是美国MAXIM公司开发的一种通用有源滤波器，可用微处理器编程控制，方便的构成各种低通、带通、高通、陷波和全通配置，而且不需要外部元件，可靠性高，对使用环境的要求不高。如图3通过单片机（89s52）对该芯片的6个输入端进行有效设置可实现64个不同的中心频率f0，而且Q值可达128完全满足本题目所以我们采用方案二。

单片机与max262的连接图：

第二章系统整体设计方案

1、系统原理框图，见图4。采用模拟开关CD4051控制反馈电阻调节电压增益，优点是电路简单、通用性强。AT89S52直接驱动数码管显示，滤波部分芯片MAX261输入采用4013分频并用模拟开关控制。

2、整体电路图：

3.滤波部分：

4.单片机控制部分：

5.软件流程如下：

总程序框图，见图5

第三章主要参数计算

1、前端放大电路及程控放大部分

放大电路采用反相放大放大倍数计算公式为Avf=-Rw/Rf Av=20lgAvf

当增益Av=10dB Avf=3.16=Rw/10k。由此可计算出Rw=31.6k欧姆,再经过模拟开关CD4051进而可计算出增益分别为20、30、40、50、60时Rw的值（如图）。调节Rw的值即可获得所需的增益。

2、通频带计算

系统选用模式一实现低通、带通，模式三实现高通。同时89C51的ALE信号送到MAX261的CLKA和CLKB引脚作为时钟信号及晶振频率1/6 及2MHz 作为

MAX261的外部时钟时钟频率，MAX261处理的输入信号范围为15kHz~50kHz，通过改变编程数据F0~F5实现64级中心频率调节。根据厂家的芯片资料fclk/f0=40.84+1.57N1及Q=64/（128-N2)并由查表得出下表数据：

f0fclk MODES

F5~F0N1Q6~Q0N2

1,3

15.6 1kHz125kHz125.6601000016001000

15.6 2kHz250kHz125.6601000016001000

3kHz0.5MHz166.5010101042010101

42.1

15.6 4kHz0.5MHz125.6601000016001000

5kHz0.5MHz100.560000000000000

423 6kHz1MHz166.5010101042010101

7kHz1MHz142.9401101127001111

15.6 8kHz1MHz125.6601000016001000

9kHz1MHz109.960001117000011

6.8

10kHz1MHz100.530000000000000

51.8 11kHz2MHz182.2111010052011010

12kHz2MHz166.5010101042010101

42.2

34 13kHz2MHz153.9310001034010001

14kHz2MHz142.9401101127001101

21 15kHz2MHz133.5201010121001010

16kHz2MHz125.6601000016001000

15.6

17kHz2MHz117.810010111100010111

18kHz2MHz111.530001117000011

6.8

19kHz2MHz105.240000113000001

20kHz2MHz100.530000000000000

3、抗干扰措施：

宽带放大器的总增益为0—60dB，因此抗干扰措施必须要做的好,才能避免自激和减少噪声。设计中采用了如下方法：

运算放大器采用低噪声、低失调、高开环增益的OP07,;

在电源端并接0.1uf的电容避免电源的高频干扰，并接20uf的电容避免低频干扰。

所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容，以避免高频增益下降。

第四章参数测试分析

1、放大器测试：

增益(dB) Vi（mv）Vout

0 20 21.3mV

10 20

20 20

30 20

40 20 2.1V

50 20

60 20 2、程控滤波器测试：

V i 1

101010

3.结论

基本要求发挥要求实际性能

（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。（1）放大器电压增益为

60dB，输入正弦信号电

压振幅为10mV，增益

10dB步进可调，通频

带为100Hz～

100kHz。

电压增益为60dB，输

入正弦信号电压振幅为

10mV，增益10dB步进

可调，通频带为100Hz～

100kHz。

（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2f c处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,R L=1kW。（2）制作一个带通滤波

器，中心频率50kHz，

通频带10kHz，在

40kHz和60kHz频率

处，要求放大器与带通

滤波器的总电压增益不

大于45dB。

低通滤波器，其-3dB

截止频率f c在1kHz～

20kHz范围内可调，调

节的频率步进为1kHz，

2f c处放大器与滤波器的

总电压增益不大于

30dB,R L=1kW。

（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率f c在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5f c处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,R L=1kW。（3）上述带通滤波器中

心频率可设置，设置范

围40kHz～60kHz，步

进为2kHz。

高通滤波器，其-3dB

截止频率f c在1kHz～

20kHz范围内可调，调

节的频率步进为1kHz，

0.5f c处放大器与滤波器

的总电压增益不大于

30dB,R L=1kW。

（4）截止频率的误差不大于10%。（4）电压增益、截止频

率误差均不大于5%。

带通滤波器，中心频

率50kHz，通频带

10kHz，在40kHz和

60kHz频率处，要求放

大器与带通滤波器的总

电压增益不大于45dB。

（5）有设置参数显示功

能。

（5）其他设置参数显示

附录

1.程序

#include

typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; typedef unsigned long ulong;

void Write_Max262(void); void Low_Pass(void);

void High_Pass(void);

uchar Fclk_F0_Q(void);

void fd() ;

uchar code Table[13]={

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,

0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,

0x89,0xc7,0xf6};

uchar code Select[6]={

0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb};

sbit A0=P1^0;

sbit A1=P1^1;

sbit A2=P1^2;

sbit A3=P1^3;

sbit D0=P1^4;

sbit D1=P1^5;

sbit W_R=P1^6;

sbit sw=P1^7; #define S1 0x38

#define S2 0x34

#define S3 0x2c

#define S4 0x1c

uchar num,dd=0,Mode=3,N1,N2,c,Q=1;

uint f0=40000,fc_H=1000,fc_L=1000,d=0xf6; ulong fclk=200000;

void Delay(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=124;y>0;y--);

}

void Display(void)

{

static uchar num,Temp;

static uint k;

P2=0xff&d;

k++;

switch(num)

{

case 0:

P0=Table[dd];

break;

case 1:

switch(c)

{

case 0:

P0=Table[0];

Temp=0;

break;

case 1:

P0=Table[10];

Temp=fc_H/1000;

break;

case 2:

P0=Table[11];

Temp=fc_L/1000;

break;

case 3:

P0=Table[8];

Temp=f0/1000;

break;

default:

break;

}

break;

case 2:

P0=Table[Temp/10];

break;

case 3:

P0=Table[Temp%10];

break;

default:

break;

}

switch(c)

{

case 0:

P2=Select[num]&d;

break;

case 1:

case 2:

case 3:

if(k>20)

P2=Select[num]&d;

else

P2=0xff&d;

break;

}

num++;

num%=4;

k%=40;

Delay(1);

}

uchar Keyscan(void)

{

uchar Key;

if((P3&0x3c)==0x3c)

return(0xff);

Delay(10);

if((P3&0x3c)==0x3c)

return(0xff);

Key=P3&0x3c;

while((P3&0x3c)!=0x3c)

{

Display();

}

return(Key);

}

void KeySet(void)

{

uchar i;

switch(Keyscan())

{

case S1:

c++;

c%=4;

break;

case S2:

switch(c)

{

case 1:

fc_H+=1000;

if(fc_H==21000)

fc_H=1000;

break;

case 2:

fc_L+=1000;

if(fc_L==21000)

fc_L=1000;

break;

case 3:

f0+=2000;

if(f0==62000)

f0=40000;

break;

default:

break;

}

break;

case S3:

switch(c)

{

case 1:

fc_H-=1000;

if(fc_H==0)

fc_H=20000;

break;

case 2:

fc_L-=1000;

if(fc_L==0)

fc_L=20000;

break;

case 3:

f0-=2000;

if(f0==38000)

f0=60000;

break;

default:

break;

}

break;

case S4:

switch(c)

{

case 1:

for(i=0;i<3;i++)

{

Q=1;

High_Pass();

Fclk_F0_Q();

Write_Max262();

}

break;

case 2:

for(i=0;i<3;i++)

{

Q=1;

Low_Pass();

Fclk_F0_Q();

Write_Max262();

}

break;

case 3:

for(i=0;i<3;i++)

{

Q=f0/10000;

Fclk_F0_Q();

Write_Max262();

}

break;

}

default :

break;

}

void Low_Pass(void)

{

Q=pow(Q,2);

Q*=2;

f0=(uint)(fc_L/(sqrt((1-1/Q)+sqrt(pow(1-1/Q,2)+1))));

}

void High_Pass(void)

{

Q=pow(Q,2);

Q*=2;

f0=(uint)(fc_H*(sqrt((1-1/Q)+sqrt(pow(1 -1/Q,2)+1))));

}

uchar Fclk_F0_Q(void)

{

if(Mode==1)

{

N1=(fclk/f0-28.87872)/1.11072;

N2=(11585.28-Q)/90.51;

}

else

{

N1=(fclk/f0-40.48)/1.57;

N2=(8129-Q)/64;

}

return(N1);

return(N2);

}

void Write_Max262(void)

{

uchar i,j,Temp_Mode,Addr=1;

uint Temp1=0,Temp2=0;

Temp1=(N1<<4)+15;

Temp2=(N2<<4)+15;

W_R=0;

Temp_Mode=Mode;

Temp_Mode=Temp_Mode<<4;

P1=Temp_Mode&0xf0;

_nop_();

W_R=1;

for(i=0;i<3;i++)

{

W_R=0;

P1=Addr | 0xb0;

P1=P1&Temp1;

Addr++;

Temp1>>=2;

Temp1=Temp1|0x000f;

_nop_();

W_R=1;

}

for(j=0;j<4;j++)

{

W_R=0;

P1=Addr | 0xb0;

P1=P1&Temp2;

Addr++;

Temp2>>=2;

Temp2=Temp2|0x000f;

_nop_();

W_R=1;

}

Delay(10);

P1=0xff;

}

void fd()

{ P2=d;

if(sw==0)

{Delay(10);if(sw==0){d--;dd++;if(dd==7 ){d=0xf6;dd=0;}P2=d;}}

while(sw==0) ;

}

void main(void)

{ sw=1;

while(1)

{

fd();

Display();

KeySet();

}

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