工程实践与科技创新-第079组设计报告-孙小晖

工程实践与科技创新-第079组设计报告-孙小晖内容摘要：

可以得知 U＋ ＝ U－ ； i+ = i_ = 0， Vo = ( Rf / R1 ) Vi 所 以，增益放大倍数为 G＝xfio RRVV  ，其中反相输入端接可变电阻 Rx，反向输入端与输出端之间皆负反馈电阻 Rf。 在上图中 Rf假设取为 8 千欧。 模拟开关集成块控制的可变电阻模块通过 4066 实现，控制信号对增益的控制是通过改变 Rx 的值实现的：输入不同的控制信号，模拟开关的开合状态不同，即导通电阻的组合状态不同，它们的并联电阻 Rx 也不同。 由于并联电路满足 432111111 RRRRRx  第 8页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 所以当 15 RR ， 25 RR RR ， RR 时，四个电阻不同并联组合可以实现增益从 到 的等差变化。 因此，实际中取 R1＝ 10 千欧， R2=20 千欧， R3=40 千欧， R4=80 千欧。 现在，我们从实际参照图 (2)来讨论 Rf 与 Rl 的选取。 图 (2) 运放参照图（摘自课程讲义 2） 首先，实际运放 UA741 的输入阻抗典型值为 2 MΩ，为了减少（输入信号 R1Ri地）这条路上输入信号在 R1 上的压降（使输入信号 尽可能减少损失的进入运放的反向输入端），所以 V(损失 ) = R1 / ( R1 + Ri )， V 趋近于 0，推出： R1Ri， Ri = 2 MΩ，故 R1 取值在千欧级别左右。 第 9页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 控制信号 电阻导通状况（ K ） 等效电阻 (K ) 相应增益 RA=80 RB=40 RC=20 RD=10 0 0 0 1 导通 80 0 0 1 0 导通 40 0 0 1 1 导通 导通 80//40= 0 1 0 0 导通 20 0 1 0 1 导通 导通 80//20=16 0 1 1 0 导通 导通 40//20= 0 1 1 1 导通 导通 导通 80//40//20= 1 0 0 0 导通 10 1 0 0 1 导通 导通 80//10= 1 0 1 0 导通 导通 40//10=8 1 0 1 1 导通 导通 导通 80//40//10= 1 1 0 0 导通 导通 20/10= 1 1 0 1 导通 导通 导通 80//20//10= 1 1 1 0 导通 导通 导通 40//20//10= 1 1 1 1 导通 导通 导通 导通 80//40//20//10= 表 在选定了反馈电阻 8kΩ以后，只需按照设计电路图（图 (1)）焊接电路。 主要器件介绍 该模块电路所用到的器件包括了 4066 双向模拟开关和运算放大器（ UA741）。 具体介绍如下： CD4066 双向模拟开关： 第 10页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 (1) CD4066 管脚图 如图 (1)所示，在本次设计中 DDV 接＋ 5V， ssV 接 — 5V。 当控制 CONTROL 为高电平时，开关处于导通状态，导通电阻约为 270 ；当控制 CONTROL 为低电平时，开关断开。 运算 放大 器 UA741： 图 (2) UA741 管脚图 如图 5 所示，在本次设计中 Vin（ +）接地， VCC接 +5V， VEE接 5V，故运放的输出电压 绝对值不超过 5V。 自动增益控制模块 描述 概述 功能描述 1） 增益值随输入信号幅度自动变化。 2） 限制输出信号幅度。 接口定义 该模块可通过检波电路与放大器输出端及比较器连接，通过电平转换电路连接单 片机输出与放大器输入。 第 11页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 技术要求 同。 实现方式 自动增益控制模块原理图如图 3. （ 1）所示。 它是在第一个模块的基础上增加了电平转换以及对输出的一个反馈电路，该反馈电路由检波电路和 741 比较器组成。 检波电路如图 （ 2）所示。 在这个电路中，检波电路的作用是将输入的交流信号变为直流信号输出。 首先，输入的正弦信号经过二极管之后就被滤去了负值部分。 正的信号经过一个 RC 耦合电路，进行充放电，当有信号输入时，电容开始充电，电位升高；无输入时，由于电容需要放电， 电位还会维持在原来的电位附近，保持一段时间，这就要求这个 RC 电路的时间常数较大，所以取电阻一般为千欧级，甚至兆欧，在电容放电过程中若又有信号输入，电容将继续充电，这样的过程不断反复进行，因此， 输出信号因为 RC 耦合电路的作用而近似为直流 电压 信号。 输出的直流信号将通过电压比较器，这里，我们用的是 uA741。 比较后的结果将被反馈到单片机，再由单片机控制增益值，以此达到自动增益的效果。 第 12页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 （ 1）自动增 益原理图（摘自科技创新 [2A]课程讲座） 图 （ 2）检波电路（摘自科技创新 [2A]课程讲座） 图 （ 3）摘自科技创新 [2A]课程讲座 电路中还有一个重要的部分是电平转换。 电平转换的电路如图 （ 3）所示。 电平转换电路的功能是将输入范围在 0~5V 的信号转换为 5~+5V，用于把来自单片机 0V 低电平信号转换为 5V 信号，而 +5V 信号则保持不变。 用 LM324 做电压比较器 ，比 较输入电压与 的关系得到输出电压。 电平转换模块 功能描述 输入 (+5V,0V) =输出 (+5V,5V)，使交流信号可顺利通过模拟开关 接口定义 电平转换模块共有两个接口： 输入端：接单片机。 输出端：接基础部分。 实现方式 可变增益放大器电路如图 （ 1） 第 13页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 （ 1）可变增益放大器电路原理图（摘自讲义 2） 主要原理：输入端输入 +5V，输出端还是 +5V，输入端输入 0V，输出端变为 5V， 目的就是使 4066 工作在 +5V的电压下。 主要元件 —— LM324 LM324 内部结构见图 （ 2） 图 （ 2） LM324 内部结构（摘自 LM324 datasheet） 工作原理： LM324 是由 4 个运算放大器组成。 管脚定义： LM324 的管脚图见图 （ 3） 第 14页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 （ 3） LM324 管脚定义图（摘自 LM324 datasheet） 外围电路设计 图 （ 4）电平转换外围电路 第 15页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 电压比较模块 功能描述 比较检波得到的峰值电压与基准电压，使得输出电压变为 0V和 +5V。 接口定义 电压比较模块共有 3 个接口：接口 1 位输入端，通过导线与基础部分相连接，接口 2 和 3 均通过一个 10pin 插座与单片机相连接，连接的是单片机的 ， 接口。 实现方式 电压比较模块电路如图 （ 1）所示。 接口2 接口3 1K 1K 1N 414 8 1N 414 8 V c m i n V c m a x 0. 1uF 2A P 9 4 M Ω 基准电压 V m a x 基准电压 V m i n V c c 接口 1 图 （ 1）电压比较电路图 (1)电路连接 检波电路如图 （ 2），电容器与电阻要接 地，二极管的另一端与电平转换电路相连。 检波电路输出端连接到两个 UA741 的正端，基准电压 Vmax 和 Vmin 分别接在两个 UA741 的负端。 UA741再与二极管相连，接上 1 个接地的 1K 欧的电阻后输出。 图 （ 2）检波电路图 摘自科技创新 [2]课程讲座 4 第 16页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 (2)电路原理 检波电路只取输入正弦交流电的峰值，即输出的是直流电。 这样做的目的是使 UA741 的输入电压与基准电压差距较大，从而在比较电压的时候使 UA741 工作在非线性区。 通过调节变阻器的阻值可以控制 Vmax 和 Vmin。 UA741 对输入电压和基准电压进行比较，如果输入电压比基准电压大，则输出 5V,反之，则输出 5V。 通过二极管时，由于负向电压无法通过， 5V 的电压值不 变 ，而 5V 变为0V。 5V 和 0V 分别在单片机上表现为二进制的 1 和 0，两条电路共有四种组合，分别为 00、 0 10 和 11。 但其中的 10 时不可能的，因为输入电压不可能既比 Vmax 大又比 Vmin 小，所以实际只有00、 0 11 三种情况。 当为 00 时，说明输入电压较小，单片机会控制使增益倍数增大；当为 11时，说明输入电压较大，单片机会控制使增益倍数减小；当为 01 时， 无任何动作。 主要原件 UA741，可见基础部分元件介绍。 第 17页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4. 系统的软件结构 软件总体结构和功能 程序总体可以分为如下几个部分： （ 1）程序头文件的声明； （ 2）常量定义； （ 3）变量定义； （ 4）功能函数的定义； （ 5）中断函数的定义； （ 6）主函数的定义。 图 程序架构图（来自课程讲义） 具体对应于： （ 1） 键值处理模块 : 获取键值，选择工作模式，针对相应键值改变增益等级 （ 2） 数码管驱动模块 : 对增益等级译码，驱动数码管显示译码结果 （ 3） 增益译码模块 : 将增益等级转化为 I/O 引脚的高 低电平状态 （ 4） 本软件完成的功能是利用单片机上的按键选择增益等级和工作模式，分别以手动的方式和自动的方式对放大电路的输出进行调节。 重要的全局变量 1． 按键定义 ：单片机小系统中的四个按键分别使用了 P1口的四个引脚 sbit KEY1= P1^0。 sbit KEY2= P1^1。 sbit KEY3= P1^2。 sbit KEY4= P1^3。 整个系统中 KEY1 用来对增益功能进行选择，即为可控增益或自动增益。 第 18页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 基础部分中 KEY3 表示的是加一， KEY4 表示的是减一， KEY2 表示的是清零。 拓展部分中， KEY2 表示的是锁定的切换。 拓展部分中， KEY KEY4 实效。 2． 1s 软件定时器计数 unsigned char clock1s。 3． 1s 软件定时器溢出标志 ，位变量 bit clock1s_flag。 4． 数码管位驱动和指示灯驱动信号输出缓存 定义了一个可位寻址的变量 unsigned char bdata output_sel。 sbit led_1 = output_sel^5。 sbit led_2 = output_sel^6。 sbit led_3 = output_sel^7。 sbit led_4 = output_sel^4。 5．数码管扫描驱动指针 为测试外部存储器（ U3 6264），特使用 xdata 类型 unsigned char xdata digi_scaner。 6． 测试用计数器 为测试外部存储器（ U3 6264），特使用 xdata 类型 unsigned int xdata test_counter。 7． 测试用计数值十进制表示 为测试外部存储器（ U3 6264），特使用 xdata 类型 unsigned char xdata digi[1400]。 float xdata a[30]。 流程逻辑 主要模块描述 〈定时中断 0〉描述 函数名 timer0 ( ) interrupt 1 using 0 功能描述 实现 5ms 秒的硬件定时中断。 主要用于： 1．每 5ms 驱动一次数码管的显示 2．提供 1s 软定时，用于键盘扫描 第 19页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 开机 单片机初始化 中断寄存器初始化 计时寄存器初始化 开计时器 , 开中断 5m s 计时到 ,计时器溢出 ? Y 中断服务子程序 根据。