工程实践与科技创新[2A]-第044组设计报告珍藏版本

2021-04-25 12:59:13本页面

工程实践与科技创新[2A]-第044组设计报告珍藏版本


【正文】

姓名 班级 学号 具体负责的工作 联系方式 李亦言 F1003010 5100309423 总体设计,电路焊接,故障检测,报告撰写 18801970912 姜宇航 F1003010 5100309413 程序编写,故障检测,电路调试,报告撰写 13917175866 苏彪 F1003001 5100309222 电路排线与焊接,故障检测,电路调试,报告撰写 18801970034 摘要: 本报告是关于我们小组对于单片机小系统及放大器的设计与实际应用的情况。其主要目的在于阐述我们小组如何通过运用单片机。

设计并实现了增益可程序化控制的放大器电路以及自动增益控制放大电路。本设计报告包括了可控增益放大器,自动增益控制两个模块的主要功能、系统框图,系统硬件以及软件的设计和实现方法,系统的技术指标,调试分析,针对用户操作的详细说明,并在最后提出了我们对这个课程的感受以及对在实践过程中发现的一些问题的深入探讨。 关键词:单片机,可控增益放大器,自动增益,LM741运算放大器 ABSTRACT Thisreportisaboutourgroup’sdesigningandapplyingoftheSCM.Themainpurposeistoillustratehowtodesignandaccomplishtheprogramcontrolledgainamplicationcircuitandtheautomaticgaincontrolamplificationcircuit。

Thisreportincludedourgroup’swholeplanning,circuitdesigning,programing,materialselection,circuitwelding,testing,functiondebuggingandsoon.Intheendwealsosharedourcomprehensionthatwelearnedfromthiscourseandsomedeepdiscussionaboutproblemswemetduringourwork. KEYWORDS SignalgeneratorControllablegainamplifierAutocontrollablegainamplifierLM741operationalamplifier 上海交通大学电子信息与电气工程学院 地址:东川路800号 邮编:200240 目 录 1。

概述 1 1.1编写说明 1 1.2名词定义 1 1.3缩略语 1 2.系统总体说明 2 2.1课题任务规定的设计要求 2 2.2实际完成后的功能 2 2.3系统的设计原理与分析 2 2.3.1系统的设计原理和总体结构 2 2.3.2系统的功能 2 3.系统的硬件结构 5 3.1硬件总体结构 6 3.2<增益可键控放大电路模块>描述 6 3.2.1功能描述 6 3.2.2接口定义 6 3.2.3技术要求 6 3.2.4实现方式 6 3.3<自动增益控制模块>描述 6 4.系统的软件结构 17 4.1软件总体结构和功能 17 4.2重要的全局变量 17 4。

3流程逻辑 18 4.4<增益可键控放大电路模块>描述 18 4.4.1功能描述 21 4.4.2输入输出项描述 21 4.4.3数据结构 21 4.4.4调用函数说明 21 4.4.5算法 22 4.5<自动增益控制模块>描述 22 5.系统功能及技术指标测试 22 5.1测试项目 23 5.2测试的资源 23 5.3测试方法 23 5.4测试结果及分析 24 6.致谢 26 7.参考资料 26 8.附录 28 8.1课程学习心得和建议意见 28 8.2程序清单 30 第34页 上海交通大学电子信息与电气工程学院 1。

概述 1.1编写说明 主要内容:科技创新[2A]关于运算放大器程序控制系统及自动增益控制的设计报告,包括两个主要模块:基础部分的可控增益放大电路以及拓展部分的自动增益控制放大电路。报告包含了相关的原理介绍,电路图以及程序代码等。 编写目的:介绍我们小组的设计思想,完成情况,以及过程中所遇到的困难等。 适读对象:实验指导老师、本次科创参与者以及其它电子设计爱好者。 1.2名词定义 单片机小系统:以单片机为核心及其它外部电路构成,以通过单片机编程来实现一定控制功能的系统。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。 可变增益放大器电路:既放大器增益可以调节的放大器电路。

在本设计任务中,所设计的放大器电压增益可从0.1变化到1.5(共15种状态),通过单片机控制电路中一些开关的开合改变电路的某些参数来实现。 LM741:单片高性能内补偿运算放大器。具有较宽的共模电压范围,在使用中不会出现闩锁现象。可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。 CD4066B:一个为模拟/数字信号的转换或多路复用设计的四路双向开关。和CD4016B的引脚相兼容,但是拥有一个更低的导通电阻。此外,在整个输入信号范围内,导通电阻是一个常量。 LM324:包含四运放的集成电路芯片。 电平转换:通过一个包含LM324芯片的电路来将5V和0V的输入电压分别变成5V和5V。 检波:将正弦波形变换为直流的电路。

即获得的是正弦输入波的峰值电压。 1.3缩略语 I/O:inputandoutput; D/A:digitaltoanalog 运放:运算放大器。 Vi:运算放大器输入电压。 Vo:运算放大器输出电压。 2.系统总体说明 2.1课题任务规定的设计要求 基础部分: 2.1.1基本设计要求:设计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。 2.1.2具体要求: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,设置放大器的增益等级,相应的增益值在数码管上显示。 具体指标如下: (1)最低增益绝对值小于0.15; (2)最高增益绝对值大于1。

45; (3)增益等级最少达到规定的15级; (4)增益相对误差小于3%。 拓展部分: 自动增益控制,即通过随输入波幅度变化自动更改增益等级,限制输出的幅度,使其保持在一定的范围内。 2.2实际完成后的功能 基础部分: 按下最左边第一个按键,使第一个数码管显示为1,即启动基本部分功能,再通过最右边两个按键,能够选择0.1到1.5这15个增益值,并设有清零键。各个等级的实际增益值(绝对值)与标准值比较,只有三个数据的误差超过1%。 拓展部分: 再次按下最左边第一个按键,使第一个数码管显示为2,即启动拓展部分功能,增益可以随输入波的峰值正确的自动变化,使输出波可以正确自动调整保证峰值在限定范围内(拓展部分上限电压2。

80V,下限电压1.91V),且通过示波器可以观察到输出波形较稳定,但增益在0.3(含0.3)出现波形的失真,倍数越低失真现象越严重。 2.3系统的设计原理与分析 2.3.1系统的设计原理和总体结构 基础部分: 设计原理:运算放大器反向放大倍数:Vo=(Rf/R1)Vi,通过固定反馈电阻,调整电阻R1的方法达到调整增益倍数的目的。运算放大器电路部分如图2.3.1(1)。 公式推导:由图2.3.1(1)可以知道,这是一个电压并联负反馈电路[2],所以运放的正极电压约等于负极电压等于0,即同向端与反向端近似短路,但Ii约等于0而不等于0,而运放正极接地故设R1与Rf之间的反向输入端为虚拟零电势点(即虚地。

虚地的存在是反向放大器闭路工作的重要特征),这条路上电流处处相等,输入电压Vi,输出电压Vo,则Vi/R1=I=Vo/Rf,变换方程得Vo=(Rf/R1)Vi。 图2.3.1(1)运算放大器示意图(摘自科技创新[2]讲座2) 电阻R1可变的实现:通过4066模拟开关控制4条支路,每条支路上电阻总阻值设定为1∶2∶4∶8。这样,通过4066的15种有效状态(共24种状态,开路状态不算)使输出总电阻阻值满足1∶2∶3∶…∶14∶15。该部分电路图如图2.3.1(2)。 图2.3.1(2)运放模型示意图(摘自科技创新[2]讲座2) 本设计总体框架如图2.3.1(3)所示: 图2。

3.1(3)系统设计总体框架 拓展部分: 本系统的拓展部分由检波电路,电压比较电路,放大电路和电平转换电路组成,其中电压比较电路使用了双比较器电路,使得设计更完善。总设计图见图2.3.1(4),检波电路见图2.3.1(5),电平转换电路见图2.3.1(6)。 图2.3.1(4)自动增益原理图(摘自科技创新[2]课程讲座4) 图2.3.1(5)检波电路示意图(摘自科技创新[2]课程讲座4) 图2.3.1(6)电平转换电路(摘自科技创新[2]课程讲座4) 2.3.2系统的功能 可变增益放大器:根据需要可以实现1—1.5倍的增益变化,可以输出十五种幅值的直流电压,精度较高。

只有三个数据的误差大于1%。所有数据误差均在3%以内。 键盘与显示:操作者每按一次“+”键(左起第三个键),增益增大0.1,每按一次“—”键(第四个键),增益减小0.1。最低增益为0.1倍,最高增益为1.5倍。按一次“清零”键(第二个键),增益变为0。相应的增益值可在数码管上显示。按一次“功能切换”键(第一个键),系统从可控增益放大电路转换到自动增益放大电路,反之亦可,同时第一个数码管显示由“1”变为“2”,反之由“2”变为“1”。 增益控制:通过改变反向输入端的电阻阻值来控制增益的大小。基础部分共用了四个电阻并联,阻值80KΩ、40KΩ、20KΩ、10KΩ,组成R1,而Rf选择阻值为8KΩ的电阻。

再通过4066控制电阻的选择以达到改变R1阻值的目的,从而实现15种增益。 自动增益:增益值能够随输入信号幅度而自动变化,并限制输出信号的幅度。 3.系统的硬件结构 3.1硬件总体结构 根据功能,整个系统包括以下几个模块: 基础部分的模块:单片机模块,增益可变放大电路模块。 拓展部分添加的模块:电平转换模块,电压比较模块。 3.2<增益可键控放大电路模块>描述 3.2.1功能描述 根据从单片机传来控制信号,输出与单片机显示相应的幅度的电压,实现0.1~1.5倍的增益可调增益。 3.2.2接口定义 (1)输入接口:用于从电压源输入电压,可以是直流或交流。 (2)与单片机的接口:用于实现单片机对放大电路的控制。

单片机的4个I/O引脚接到CD4066的四个控制引脚,从而控制对应电阻的通断状态。 (3)与拓展部分的接口:增益可变放大电路的输出要作为拓展部分的输入。同时在拓展部分中,增益可变放大电路部分是由拓展部分直接控制的。 3.2.3技术要求 实际输出值与理论值得相对误差不得超过3%。 3.2.4实现方式 可变增益放大器电路如图3.2.4(1)。 图3.2.4(1)可变增益放大器电路 (1)电路连接: 四个电阻R1,R2,R3,R4与输入端Vi相连。元件参数:R1=10kW,R2=20kW,R3=40kW,R4=80kW,Rf=8kW CD4066连接在电阻与放大器之间,控制线接到10pin插座一端的连续四个针脚上。

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