巢湖學院電子工程與電氣自動化學院 李 健 魯業(yè)頻

一種數(shù)控放大電路的設(shè)計與仿真

巢湖學院電子工程與電氣自動化學院 李 健 魯業(yè)頻

介紹了一種基于單片機和DAC的數(shù)控放大電路的設(shè)計，實現(xiàn)對微弱信號的放大，采用了Proteus軟件進行了仿真，達到了設(shè)計的目的。

數(shù)控放大電路；單片機；DAC；Proteus仿真

1.引言

在很多場合下，比如在檢測系統(tǒng)中利用傳感器將非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈碾娦盘?，往往都很微弱[1](mV級)，我們需要將這些微弱信號放大以便進行觀察或者使用。本文介紹了一種運用單片機和DAC設(shè)計的數(shù)控放大電路，采用了Proteus軟件[2]進行了仿真和實現(xiàn)。

2.系統(tǒng)方案和原理

如圖1，采用AT89C51單片機作為核心控制器，將待放大信號作為DAC0832的參考電壓，放大電路模塊對DAC0832輸出的模擬信號放大倍數(shù)固定。通過單片機控制DAC0832輸出的模擬電壓，這樣即便放大倍數(shù)一定，但送給放大電路的模擬電壓改變了，這樣它輸出的放大信號也改變了。該系統(tǒng)的原理即是：將待放大信號的一部分或者全部進行固定倍數(shù)的放大，達到放大倍數(shù)可調(diào)的目的。系統(tǒng)通過按鍵設(shè)置放大倍數(shù)，同時將放大倍數(shù)顯示出來。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 單片機控制DAC電路

圖3 放大電路

3.硬件電路設(shè)計與分析

3.1 DAC電路模塊

如圖2，是單片機和DAC0832的連接電路圖。DAC0832是8位的電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器[3]，其數(shù)字量輸入引腳DI0-DI7和單片機的P2口相連，參考電壓引腳VREF接待放大信號(圖中接入了一個正弦微弱信號B)。通過單片機改變輸出給DAC0832的數(shù)字量，可改變IOUT1引腳的電流(DAC0832的IOUT1輸出的電流+IOUT2輸出的電流=常數(shù))：送入的數(shù)字量越大，IOUT1輸出的電流越大。其余引腳參考圖上接線。

3.2 放大電路模塊

為了將DAC輸出的模擬電流轉(zhuǎn)換成電壓并進行放大，系統(tǒng)采用了運放LM324(內(nèi)部集成了四運放)[4]，如圖3。將IOUT2引腳和初級運放的+端相連并接地，IOUT1接-端。在DAC0832內(nèi)部已將IOUT1引腳和一個反饋電阻相連，該電阻的另一引腳引出，即圖2中的RFB引腳，將其接到初級運放的輸出端，這樣IOUT1電流在RFB上形成了電壓。

次級運放的+端接地，-端通過一個1KΩ電阻和初級運放的輸出端相連，另外次級運放-端和輸出端之間接了一個1M的可調(diào)反饋電阻，將之調(diào)到255KΩ，這樣根據(jù)運放的特性，有：

圖4 按鍵和顯示電路

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

式中IOUT1*RFB為初級運放輸出端電壓，Uo為次級運放輸出端電壓，這樣Uo為IOUT1*RFB電壓的255倍。若單片機送給DAC0832的數(shù)字量為最大255時，則IOUT1*RFB=參考電壓VREF(即待放大信號)，則待放大信號被最大放大255倍；設(shè)單片機送給DAC的數(shù)字量為X(可通過按鍵調(diào)整)，則有X*VREF/255的電壓被放大255倍，即輸出電壓為X*VREF，相對待放大信號來說，放大了X倍。X由顯示電路顯示出來。

3.3 按鍵和顯示電路模塊

圖6 10mV，100Hz的方波放大結(jié)果

圖7 10mV，1000Hz的方波放大結(jié)果

如圖4，系統(tǒng)設(shè)置了兩個按鍵來調(diào)整放大倍數(shù)的加和減，另外利用了三個共陽數(shù)碼管顯示放大倍數(shù)(圖中有四個數(shù)碼管，只用了三個)，采用了動態(tài)顯示的方法，節(jié)省了單片機的I/O資源。

4.軟件設(shè)計

針對系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，需要對單片機編寫相應的控制程序，圖5是系統(tǒng)軟件流程圖。

5.性能分析

系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)微弱信號的放大，所以接入DAC0832參考電壓引腳的信號幅度不能太大。下面是兩組信號放大的仿真結(jié)果：

第一組：待放大信號是幅度為10mV，頻率為100Hz的方波。從圖6中可以看出放大的信號基本未失真，且放大倍數(shù)與顯示一致。

第二組：待放大信號是幅度為10mV，頻率為1000Hz的方波。從圖7中可以看出放大的信號有一定的失真，但放大倍數(shù)與顯示基本一致。另外，仿真時放大倍數(shù)顯示閃爍。出現(xiàn)這些情況的原因是單片機的速度不夠快，DAC0832的轉(zhuǎn)換速度不夠快，1000Hz方波中的高次諧波分量(高于1000Hz的正弦分量)所占成分較多，運放LM324不能對所有高頻分量進行有效的放大。

總的來說，通過仿真可以看出，本系統(tǒng)對一定頻率范圍的小信號能夠進行放大，放大倍數(shù)范圍為0—255倍。調(diào)節(jié)次級運放所接的可調(diào)電阻，可以放大更大倍數(shù)，這時需要修改程序的顯示部分，另外按鍵每按下一次，也不是提高或降低一倍。

[1]馬西秦.自動檢測技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010(第3版):180.

[2]張子紅,張洪,全李雯.在Proteus中實現(xiàn)單片機交互仿真的方法探討[J].微型機與應用,2012,31(2):90-92.

[3]嚴潔.單片機原理及其接口技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010(第1版):147-148.

[4]王正勇,文國電.基于LM324的信號發(fā)生器設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(12):208-210.

李?。?985—），男，安徽巢湖人，碩士，巢湖學院電子工程與電氣自動化學院助教，研究方向：電子系統(tǒng)的設(shè)計。