基于msp430自动增益控制放大器,.doc
自动增益控制放大器（AGC）设计摘要：本设计以程控增益调整放大器 AD603为核心，通过单片机MSP430控制各模块，实现电压增益连续可调，输出电压基本恒定。系统由5个模块组成：前级缓冲模块，电压增益调整模块，峰值检测模块，后级输出缓冲模块，控制与显示模块。将输入信号经前级缓冲电路输入给程控增益调整放大器 AD603，将信号放大输出，通过峰值检测电路检测输出信号，并送给单片机AD采样，与理想输出信号数值进行比较，若有多偏差，则通过调整对AD603的增益控制电压，来调整放大倍数，从而实现输出信号的稳定。整个设计使用负反馈原理，实现了自动增益的控制。关键字：AD603 MSP430 峰值检测 自动增益控制一、 方案设计与论证1.1整体方案方案一：采用纯硬件电路实现，由AD603和运放构成的电压比较器和减法电路实现。把实际电压与理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为AD603的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。优点：该方案理论简单，制作起来也相对容易，只有硬件电路。缺点：理论低端，精度不够，没有创新，通用性不好。方案二：采用AD603和单片机结合，通过单片机对输出信号AD采样并转化为数字量，与理论输出电压值进行比较，得到差值转换为控制电压，通过DA转化，对程控增益放大器AD603的放大倍数惊醒调整，从而实现输出电压的恒定。优点：该方案控制精确，自动控制速度快，系统可移植性强，功能改变和增加容易，对后期改善和提升电路性能有益。缺点：需要软硬件配合，系统稍复杂。通过对两个方案的综合对比，我们选用方案二。1.2控制模块方案一：采用MCS-51。Intel公司的MCS-51的发展已经有比较长的时间，以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。MCS-51优点是控制简单，二缺点也明显因为资源有限，功能实现有困难，而且需要大量外扩单元。方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，基于闪存的产品系列，具有最低工作功耗，在 1.8V-3.6V 的工作电压范围内性能高达 25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。MSP430的优点是资源丰富，操作语言灵活，但对编程的要求有所提高。所以综合考虑，我们采用MAP430作为我们的主控制器。1.3电压增益调整模块AD603由5脚和7脚的连接方式不同而有三种：方案一：5脚和7脚短接，增益为-10dB30dB,带宽为90MHz;方案二：5脚和7脚间接一个2，5k电阻，,再经5.6pF电容接地，该方案增益为0dB40dB，带宽为30MHz；方案三：5脚接18pF电容到地，该方案增益为10dB50dB，带宽为9MHz；综合考虑课题要求，增益在约0dB30dB之间，再考虑带宽所以采用方案一，芯片连接图如下图1所示。图1 AD603接线图1.4峰值检测模块方案一：一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测器，电路如图2所示，然而仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作，但并不是很理想，对于1nF的电容器，100ms后达到稳定的峰值，误差达10%。而且没有输入输出缓冲电路，在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。图2二极管电容峰值检测电路方案二：分立二极管电容型。其原理图如图3所示。先将信号整流成半波，然后通过对电容的充电得到输入信号峰值。将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力。优点：该方案性能优良，检测相对准确。缺点：制作稍复杂，带宽不够宽，并且随检测幅值不同，带宽也会有所改变。综合对比上述方案，我们选用方案二。1015PF3341M1N41481N4148C1C2C3DJ6DTL072TL072图3 分立二极管电容型峰值检测电路图3 分立二极管电容型峰值检测电路二、 理论分析及计算2.1增益积计算设计目标输出电压变化范围13V，而输入信号为100mV1V,我们选定输出幅度为2V，即Av在220倍，根据程控增益调节放大器的连接方式可知，增益的计算公式为G=(40Vg+10)dB,带宽90MHz。所以将AD采集得到的输出电压Vout,与预置电压进行比较，调整Vg大小，来改变增益，从而实现输出幅值稳定在某一个数值。2.2后级缓冲及稳幅因为要用到单片机内部的AD采样功能，所以一定要保证单片机的安全，在通过峰值检测电路的检测之后，把检测到的峰值经过一个后级缓冲电路再接一个3V稳压管之后送给单片机，既保证单片机端口的安全，同时把电路与单片机隔离。2.3前级缓冲因为AD603输入阻抗只有100，考虑到信号源的输出阻抗是50，所以在信号输入之前加了一个前级缓冲电路，以增加输入阻抗，提高电路对信号的索取能力。 三、 系统总体设计3.1系统整体设计框图系统整体框图如下图4所示。图4系统整体设计框图3.2硬件原理图系统硬件部分设计原理图如图5所示。图5系统硬件原理图3.3软件流程图系统软件流程图如图6所示，开发板系统初始化后，预置输出一个控制电压，然后启动AD转化，采样得到输出信号，然后与标准电压比较，修改增益控制电压，稳定输出电压。图6 软件流程图四、 系统测试及数据分析4.1测试仪器（1）直流稳压源：YB1732A 3A（2）数字存储示波器：SIGLENT SDS1102CFL 100MHZ 2GSa/s（3）数字万用表：UNI-T UT802（4）信号发生器：F120型 1Uhz20MHZ4.2测试方案及数据分析测试方案：(1)稳幅测试：输入频率10KHZ,峰值为100mV的正弦波信号。测试输出信号，通过示波器读取输出信号峰值，然后改变输入信号峰值，测量输出信号的峰值变化，计算相对误差。测试数据如表1所示。输入信号（mV）100150200250300350400450500550输出信号（V）1.621.641.641.641.641.621.621.621.621.62输入信号（V）6006507007508008509009501000输出信号（V）1.681.641.621.661.621.621.621.621.62表1 稳幅测试测试数据分析：(测试数据分析：系统基本可以按照预置输出电压稳定输出，我们输出信号稳定电压为1.62。(2)频率响应：输入峰值分别为为100mV和1V的正弦波信号，将信号频率从10Hz调整到输出信号不是真即500KHz为止，测试数据如表2表3所示。对应的频率响应特性图像如图7和图8所示。输入信号频率（KHZ）0.010.050.15001510152030输出信号（V）2.01.641.641.601.641.641.641.641.641.64输入信号频率（KHZ）40 50100150200250300350400500输出信号（V）1.721.681.801.881.962.002.002.001.961.96表2 100mV频率响应测试数据分析：放图7 100mV频率响应特性曲线表3 1V频率响应输入信号频率（KHZ）0.010.050.1151015203040输出信号（V）1.961.641.641.641.641.641.641.641.641.76输入信号频率（KHZ）50100150200250300350400450500输出信号（V）1.761.881.921.922.001.961.922.001.961.92图8 1V频率响应特性曲线测试数据分析：可以通过表2和表3看出，当输入信号为100mV时，在频率很低10Hz时，频率响应很差，从50Hz直到100KHz时，信号输出幅值都很稳定。当输入幅值为1V时，10Hz响应依然不好，直到50Hz直到30KHz，输出很稳定，在30Hz到100Hz时，输出幅值略有增加，但依然可以稳定。（3）增益控制特性曲线输入信号为10KHz,峰值为500mV时，改变Vc的值，测量相对应的放大倍数。表3 1V频率响应控制电压Vc(mV)-0.6308-0.5309 -0.4309-0.3309-0.2309-0.1309-0.0309-0.0691放大倍数Av0.340.3560.5280.71.21.822.824.56 图9 增益特性控制特性曲线测试数据分析：通过用软件画增益控制特性曲线，可以看出，放大倍数Av和增益控制电压Vc为指数关系，随着Vc的增加Av以指数形式增加。4.3误差分析误差可由多种因素导致：由峰值检测电路产生，由于峰值检测电路在不同频率，不同幅值输入信号时，测量存在误差，AD采集到的峰值就会存在误差。造成输出信号与预置输出电压存在误差。由稳压管产生误差，为保证单片机端口安全，在信号输入前，我们加了一个3V稳压管，它会对AD测量也会产生一定影响。电压源不稳定，由于AD603电压控制端2端口，基准电压为电阻分电源电压得到，而电源电压存在一定的波动，导致增益控制电压Vc会有一定的波动，这个微小的波动对信号增益造成误差。受器件影响，我们采用的是普通集成运放芯片TL072，这款芯片的通频带只有3MHz左右，也会影响系统的频率响应。五、 设计总结系统能够满足题目基本要求：（1）输出信号可以在输入信号改变时，而不改变稳定输出。（2）测得100mV输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为50KHz。（3）测得1V输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为40KHz。（4）测得的增益控制电压Vc和放大倍数Av绘制的增益控制特性曲线可以得出，Av和Vc成指数关系，跟AD603数据手册给出的计算增益的公式基本吻合。本设计基本完成了题目要求，实现了的增益自动控制，由于受到器件和部分电路本分影响，频率响应略低，可以使用高速更优性能的芯片，提高峰值检测的精度，或在软件部分给予补偿误差。六、 参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分R.北京：高等教育出版社，2006.12 康华光.电子技术基础模拟部分R.北京：高等教育出版社，2006.13 李先允，姜宁秋.电力电子技术R.北京：中国电力出版社，20064蔡凌云等，自动增益控制技术应用 电子工程师 20025尤德斐，数字化测t技术(上)，北京：机械工业出版社，19906张风言编著，电子电路基础，高等教育出版社，19947高吉祥、黄智伟、陈和，高频电子线路M，北京：电子工业出版社，2003年（第一版）8高吉祥、高天万、陈和，模拟电子线路M，北京：电子工业出版社，2004年（第一版）9哀孝康，自动增益控制与对数放大器，北京：:国防工业出版社，1987附录一、元器件列表：1.uA741系列通用型放大器 4个 2.2N3819型场效应管 1个3.OA81型整流二极管 3个 4.4.7千欧电阻 7个 5.39千欧电阻 1个 6.220欧电阻 1个7.10千欧电阻 1个 8.5.6千欧电阻 1个9.15千欧电阻 1个 10.10千欧可变电阻 1个11.100千欧可变电阻 1个 12.1兆欧可变电阻 1个13.4.7微法电解电容 1个 14.1微法电容 1个15.100纳法电容 1个 16.5.6千欧可变电阻 4个17.正负15伏电源二、主要源程序/4档切换void change_4(uchar num)switch (num)case 1:shuaijian;info.beishu=0.2;info.code=2048;LCD_writestr(6,2,"1(0.2)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;case 2:shuaijian;info.beishu=0.5;info.code=819;LCD_writestr(6,2,"2(0.5)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;case 3:not_shuaijian;info.beishu=2.0;info.code=2048;LCD_writestr(6,2,"3(2.0)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;case 4:not_shuaijian;info.beishu=5.0;info.code=819;LCD_writestr(6,2,"4(5.0)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;/连续档void change(double num)static uchar last_shuaijian=2;uchar now_shuaijian;if (num<0.1)num=0.1;if (num>50)num=50;/if (num>0.9&&num<1.1)num=1.0;info.beishu=num;if (num<1)now_shuaijian=true;elsenow_shuaijian=false;if (now_shuaijian!=last_shuaijian)if (now_shuaijian=false&&num<1.05)now_shuaijian=true;if (now_shuaijian=true&&num>0.95)now_shuaijian=false;if (now_shuaijian=true)num*=10;shuaijian;elsenot_shuaijian;last_shuaijian=now_shuaijian;info.code=4096.0/num;if (info.code>4095)info.code=4095;if (info.code<50)info.code=50;DAC_write(info.code);
