斩波放大器研究毕设

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1、摘要在电子电路设计中,经常需要放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。普通的集成运算放大器在放大信号的同时由于受温度变化、电源电压不稳等因素的影响,将出现电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象,即零点漂移,该现象随放大器的放大倍数的增大会更加明显。因此,提高放大倍数、降低零点漂移是工程实践中需要解决的主要矛盾。而运用斩波稳零放大电路即能很好的解决以上问题。文章将重点研究如何使用斩波稳零技术设计一基本斩波放大器,来解决抑制温漂和放大微弱信号的问题。并且,文章还将运用单片机、数电知识实现多路放大信数的任意选择的功能以及放大倍数的显示功能。该设计主要由两大部分组成,第一部分为斩波放大电路,由多谐振荡

2、器、电子开关、主放大器、有源滤波器构成:第二部分由单片机系统、按键电路、液晶显示电路实现对放大倍数的选择和显示。关键字:零点漂移,斩波稳零技术,斩波放大器,单片机ABSTRACTIn electronic circuit designing, we often need to enlarge the weak DC signals or Slowlychanging signals. When Comrnan Integrated Operational Amplifier Amplifies signals, Dueto temperature changes, power supply v

3、oltage instability and other factors, wi11 appear thephenomenon flf the circuit output voltage deviating from the original fixed valucit andMoving up and down, that is, zero drift,the phenomenon will be more obvious withincreasing magnification of the amplifier. Therefore, improving the magnificatio

4、n and reduceof the zero drift is the printchopper-stabilized amplifier iscontradiction inEngineering practice.problems well.The useto solve the above In response to these problems,This article will focuson how to use thechopper-stabilized technology to design a basic chopper amplifier,acing it to sa

5、lveproblems in inhibiting the Drift phenomenon and amplifmg weak signals .Also, this studywill use SCM and several electrical knowledge to choose any Magnificationand Displaymagnification.The design mainly consists of two parts,The first part is chopperamplifier,which consists of mufti-harmonic osci

6、llator, electronic switch, main amplifier andactive filter; the second part consists of SCM system, key circuits and liquid crystal displaycircuit, which can select and display Magnification.Keywords:aero drift, chopper-stabilised amplifier,chopper amplifier, MCU47 / 47目 录摘 要1ABSTRACT2第一章绪论51.1斩波放大器

7、的发展史和现状51.2 斩波放大器的理论和现实意义61.3 文章研究容、完成工作及章节安排61.3.1 文章研究容61.3.2 主要工作71.3.3 章节安排7第二章基础知识介绍72.1 集成运算放大器概述72.1.1 集成运放的电源供给方式82.1.2 集成运放的调零问题82.1.3 自激与消振92.1.4 集成运放的自激震荡问题92.2斩波放大器概述92. 2. 1斩波技术基本原理92.2.2斩波放大器基本原理102. 2. 3斩波放大器工作原理102.3多谐振荡器112. 3. 1多谐振荡器简介112. 3. 2 NE555多谐振荡器112.4低通滤波器基础知识132. 4. 1有源低通

8、滤波器的主要技术指标142.4.2反相输入一阶低通滤波器142.5单片机结构及原理142.5.1单片机基础142.5.2 单片机的复位电路152. 5. 3单片机时钟电路162. 5. 4单片机管脚说明172.6液晶显示器功能介绍192.6.1 LCD液晶显示器基础192.6.2液晶显示LCD1602简介202.7 模拟开关介绍242.7.1模拟开关CD4051/CD4052/CD4053.基础知识24第3章斩波放大器系统设计253.1系统整体设计方案253.1.1系统设计要求253.2主要硬件的选择及电路设计273.2. 1多谐振荡器电路设计273. 2. 2斩波电路设计273. 2. 3主

9、放大器LF356及电路设计283. 2. 4滤波电路设计293.2.5单片机、按键电路、液晶显示设计303.2.6 模拟开关设计313. 2. 7稳压电路设计31第4章软件设计方案324.1系统总体设计流程图324.2 按键显示模块流程图334.3软件设计中的关键代码344. 3. 1按键扫描函数344.3.2 LCD16U读写函数35第5章结论与展望365.1本设计工作365.2改进365.2. 1多谐波振荡器的改进37致辞38参考文献39附录40第一章 绪 论1.1斩波放大器的发展史和现状早在1954年,美国专利稳定直流放大器就已经拥有了斩波放大器的雏形,但当时很多产品还只是分立器件。所谓

10、斩波来源于英文chopper,是断跻的意思,其本质就是开关。斩波放大器的发明主要是用来满足对超低偏置和低漂移运算放大器的需求,在那时,斩波放大器的性能比双极型运放优越。传统斩波放大器的输入和输出由开关控制,对输入信号实行调制,校正失调误差,然后在输出时解调。该技能可确保失调电压和漂移很低,但也有其局限。由于要对放大器的输入实行采样,因此输入信号的频率必须低于斩波频率的一半,以防止混叠。除了带宽限定外,斩波操作还会导致出现显著毛刺,须要在输出端实行滤波,以滤除所造成的纹波。诚然,该传统斩波运算放大器提高了性能和温漂稳定性,但在频率上会产生奇次谐波的干扰。继而发展的斩波运算放大器脱离了传统放大器结

11、构,将放大器数目增加到了4个,同时在其部有一个模拟开关,是两相时钟,在放大器输入端针对不同时钟进行切换,这样就消除了正端和负端的不匹配性,可以降低温漂。从整个输入端和输出端来看,整体性能得到很大提高。 后来,对斩波放大器进行改进,透过自校准形成了一种稳定斩波的运算放大器。作为下一代自校正放大器代表的斩波稳态运放使斩波放大器的性能取得了极大改良。该架构运用了两个放大器:主放大器和调零放大器。调零放大器议决将输入端短路并对其自身的调零引脚施加校正信号来校正其自身的失调误差,随后监视并校正主放大器的失调。因为主放大器始终连接到IC的输入和输出,因此输入信号的带宽由主放大器的带宽决定,而不再取决于斩波

12、频率。这一特征使该架构相对一J几早期的斩波放大器有很大的优势。开关操作造成的电荷注入仍是个问题,这可能导致信号瞬变,并且注入的电荷会与输入信号藕合,造成互调失真。 如今随着生产要求的逐渐苛刻,市而上出现了各类斩波稳零式高精度放大器。具有偷入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定等众多优点。1.2 斩波放大器的理论和现实意义在直接祸合放大电路中,当输入信号为零时,受温度变化、电源电压不稳等因素的影响,静态工作点发生了变化,并被逐级放大并传输,一导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动,即零点漂移或温漂,该现象随放大器的放大倍数的增大会更加明显。因此,提高放大倍数、降

13、低零点漂移是工程实践中需要解决的主要矛盾。而运用斩波稳零放大电路,即将直流信号转换成交流信号,然后用交流放大电路放大,再把它复原为直流信号,便可以较好地解决抑制温漂和放大倍数之间的矛盾,很好的放大微弱直流信号或微弱信缓慢变化的信号在电子电路设计中,经常需要放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接祸合或者阻容祸合放大器,它们的初始失调参数并不等于零,而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。因此使得直接藕合放大器在放大信号的同时也放大了温漂,而阻容祸合放大器虽然能够抑制温漂,但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号,它会把这种信号作为

14、温漂给抑制掉。使用斩波稳零技术就能很好解决抑制温漂和放大微弱直流信号这个问题。即如果要求极低的失调电压和漂移特性,那么斩波稳零型运放可能是唯一的选择目前市场上已经广泛运用斩波稳零技术开发了一系列芯片,以此解决在实际生产中出现的零点漂移问题,斩波技术越来越其有广泛的商业价值。如:ICL7650,利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移,从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚。TLC2652和TLC2E52A型斩波稳零式高精度放大器能放大微伏级的电信号。TC9XX系列是第二代斩波自动稳零运算放大器,其高增益、低失调等优越性能尤其适用一电子测量系统。ZF241型斩波稳零运算放大器,其极高的增益,

15、极低的失调和漂移特性决定了它在低电平直流或缓变信号的处理方而有着广泛的用途,如低漂移前置放大器,精密积分器,精密基准电压源等。1.3 文章研究容、完成工作及章节安排1.3.1 文章研究容 文章通过设计一典型的斩波放大器实现其信号的理想放大,及验证加入斩波技术的放大器较之普通的运算放大器,在稳定零点漂移上的突出优势;以及利用单片机、数电相关电路实现对放大电路放大倍数的任意选择及显示。1.3.2 主要工作文章主要完成容:基本斩波放大器原理图、放大倍数的选择原理图及显示原理图的设计;对单片机控制系统的程序编写;原理图从局部到整体的仿真及调试:电跻的焊接与调试;斩波放大器放大倍数的测试;验证并一记录斩

16、波放大器抑制零点漂移的特性;实现对斩波放大器任意放大倍数的选择与显示功能;电路的分析与改进。1.3.3 章节安排 第一章介绍斩波技术的相关概念、斩波放大器的发展、现状、理论和现实意义以及文章的研究容 第二章介绍实现斩波放大电路中相关的理论基础知识 第三章介绍斩波放大器硬件系统设计方案 第四章介绍其软件设计方案 第五章对文章容进行概括总结,对斩波放大器技术提出改进意见,并对其今后发展进行展望 文章主要完成工作:原理图设计,程序的编写,原理图仿真与调试,元器件的采购,电路的焊接与调试,电路的分析与改进。第二章 基础知识介绍2.1 集成运算放大器概述按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为

17、如下几类:1、通用型运算放大器;2、高阻型运算放大器;3、低温漂型运算放大器;4.高速型运算放大器;5、低功耗型运算放大器;6、高压大功率型运算放大器。下面简要介绍通用型、高阻型运算放大器。1通用型运算放大器简介 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大而广,其性能指标能适合f一般性使用。例A741单运放、LM358、LM324及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效

18、应管组成运算放大器的差分输入级。用FFT作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356, LF355, LF347及更高输入阻抗的A3130,CA3140等。2.1.1 集成运放的电源供给方式集成运放有两个电源接线端+VCC和一VEE,但有不同的电源供给方式。对一于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。 对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端的正电源与负电源分别接一于运放的+VCC和一VEE管脚上。在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。 单电

19、源供电方式单电源供电是将运放的一VEE管脚连接到地上。此时为了保证运放部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位。此时运放的偷出是在某一直流电位基础上随输入信号变化.交流放大器,静态时,运算放大器的输出电压近似为VCC/2,为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。2.1.2 集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等一于零。为了提高电跻的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有部调零和外部调零,而对于没有部调零端子的集成运放,要采用外部调零方

20、法。调零:为提高运算精度,在运算前,应首先对输出直流电位进行调零,即保证输入为零时,输出也为零。当运放有外接调零端子时,可按组件要求接入调零电位器RW,调零时,将输入端接地,细心调节RW,用直流电压表测量输出电压Uo,使Uo为零。如运放没有调零端子,若要调零,一个运放如不能调零,大致有如下原因:组件正常,接线有错误。组件正常,但负反馈不够强。组件正常,但由一于它所允许的共模输入电压太低,可能出现自锁现象,因而不能调零。为此可将电源断开后,再重新接通,如能恢复正常,则属于这种情况。织件正常,调零电位器有问题。组件部损坏,应更换好的集成块。2.1.3 自激与消振一个集成运放自激时,表现为即使输入信

21、号为零,亦会有输出,使各种运算功能无法实现,严重时还会损坏器件。在实验中,可用示波器监视输出波形。为消除运放的自激,常采用如下措施进行消振:若运放有相位补偿端子,可利用外接RC补偿电路,产品手册中有补偿电路及元件参数提供。电路布线、元、器件布局应尽量减少分布电容。在正、负电源进线与地之间接上几十网的电解电容和0.010.1uF的陶瓷电容相并联,以减小电源引线的影响。2.1.4 集成运放的自激震荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反馈条件卜,很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的土作,就需外加一定的频率补偿网络,以消除自激振荡。另外,防止通过电源阻造成低频振荡或高频振荡的措

22、施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容10uF和一高频滤波电容2.2斩波放大器概述斩波放大器是由2.1.1介绍的通用型运算放大器作为其主放大器和有源滤波器。2. 2. 1斩波技术基本原理 如果将直流信号转换成交流信号,然后用交流放大电跻放大,再把它复原成直流信号,便可以较好地解决抑制温漂和放大直流信号的矛盾。输入的直流信号经过调制电路、放大电路、解调电路后,又恢复为直流输出。当然,这种电路由一于调制型放大器的输入频带很窄,并且模拟开关换向还产生调制信号噪声。所以这种电路不适用放大频率较高的输入信号。2.2.2斩波放大器基本原理 如果能把运放两个输入端短路时或加共模输

23、入信号时的输出电压先用电容器寄存起来,再与运放正常工作时的输出电压相减,则可有效地减小失调电压、失调电流及温度变化和电源电压波动所引起的漂移,也可有效地抑制共模信号。2. 2. 3斩波放大器工作原理 如图2. 1中的SW1和SW2按照斩波输入信号同时反复通断。现设SW1和SW2为接通状态,因同相输入端接地,同相与反相输入端间漂移电压E0f从A点输出放大AV倍。这时B点也是接地,因此,电容C1以Eof*Av电压进行充电,接着SW1, SW2断开,A点输出电压为Av倍输入电压Ei和漂移电压Cof的代数和,而B点与地分开,因此,B点电压是C1两端与A点电压相串联的电压。这时,A点与地之间输出电压Ei

24、+Eof*Av中的电压Eof的分量与C1充电电压Eof*Av相互抵消的方向相串联。因此,B点电压为Ei*Av。则B点电压是与斩波波形同步,振幅为Ei*Av的连续方波。如果此电压经C2与R2构成的有源低通滤波器,可得到与方波占空比成比例的平均电压。若设方波占空比为50%,则图2. 1中直流输出电压Eo=Ei*Av /2.斩波放大电路能自动地对输入漂移电压进行补偿,但输出电压中混有斩波频率的噪声电压,因此,S/N变低,如果用低通滤波器消除噪声电压,则使用频带变窄,为几赫兹以上。2.3多谐振荡器2. 3. 1多谐振荡器简介多谐振荡器,又叫矩形振荡器,是一种自激振荡器,在接通电源以后,不需要外加触发信

25、号,便能自动地产生矩形脉冲。多谐指矩形波中除了基波成分外,还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态。在工作时,电跻的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换,由此产生矩形波脉冲信号,常用作脉冲信号源及时序电跻中的时钟信号。多谐振荡器分为对称式、分对称式、环形等振荡器,我们可以用施密特触发器或石英晶体体或555系列构成多谐振荡器。2. 3. 2 NE555多谐振荡器NE555简介: NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号,555系列IC的接脚功能及运用都是相容的,只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同;而555是一个用途很广且相当普遍的

26、计时IC,只需少数的电阻和电容,便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。 NE555的特点:1.只需简单的电阻器、电容器,即可完成特定的振荡延时作用。其延时围极广,可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源电压围极大,可与TTL, CMDS等逻辑电路配合,也就是它的输出准位及输入触发准位,均能与这些逻辑系列的高、低态组合。3.其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳,且价格使六。5.静态电流最大值VCC =5 V, RL=6mA VCC=15 V, RL=15mA参数功能特性:供应电压4. 5-18V供应电流3-6mA输出电流225mA 。上升

27、/一卜降时间1oo ns封装形式、部结构:NE555的部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端,通过比较器A1,复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F,另外还有集电极开路的放电管DIS,它们控制的优先权是R, T, TH。NF555引脚图功能配置介绍:Pin 1- 地线,通常被连接到电路共同接地。Pin 2 这个脚位是触发!0555使其启动白的时间周期。触发信号上缘电压须大2/3 VCC,下缘须低于1/3 VCC。Pin 3-当时间周期开始555的输出输出脚位,移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。

28、一于高电位时的最大输出电流大约200 mA。 Pin 4-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。己通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5-一这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6Pin6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3vcc电压以下移至2/3 vcc以上时启动这个动作。Pin7这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力,当输出为ON时为LOW,对地为低阻抗,当输出为OFF时为HIGH,对地为高阻抗。Pin 8这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的围是+4.5

29、伏特至+6伏特。NE555的典型电路:其工作原理是:当电跻刚接通电源时,由于C来不及充电,555电路的2脚处于零电平,导致其输出3脚为高电平。当电源通过RA, RB向C充电到Vc =Vcc时,输出端2脚由高电路平变为低电平,电容C经RB和部电路的放电开关管放电。当放电到Vc=Vcc时,输出端又由低电平转变为高电平。此时电容再次充电,这种过程可周而复始地进行卜去,形成自激振荡。图2. 4 中,U0为输出的方波,Vc为图中2脚的输出波形。由图2. 4 中Vc的波形可求得电容C的充电时间爱你T1和放电时间T2各为T1=Cin=*C*In2T2=R2*C*In/=R2*C*In2故电路的震荡周期为T=

30、T1+T2=R1+R2*C*In2震荡频率为f=1/T=/通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。由式和式求出输出脉冲的占空比为q=T1/T=/2.4低通滤波器基础知识低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。对一于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器,或高音消除滤波器。低通滤波器在信号处理中的作用等同一J几其它领域如金融领域中移动平均数所起的作用;低通滤波器有很多种,其中,最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。 低通滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器为RC调谐式滤波器,仅由电阻、电

31、容等无源元件构成,占有很多的缺点。其中的电感L本身具有电阻与电容,使得输出结果会偏离理想值,而且会消耗电能。若只利用R, C再附加放大器则形成有源滤波器,有很多的优点,例如:不使用电感使得输出值趋近理想值;在带通围能提高增益,减少损失;用放大器隔离输出、入端,使之可以使用多级串联。2. 4. 1有源低通滤波器的主要技术指标 通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带的电压放大倍数。性能良好的滤波器通带的幅频特性曲线是平坦的,阻带的电压放大倍数基本为零。 通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带,过渡带越窄,说明滤波器的选择性越好。2.4.2反相输入一阶低通滤波

32、器反相输入一阶低通滤波器司,令信号频率为零,可得出通带放大倍数Aup=-R2l R1电路的传递函数 Aus=R2/R1=-R2/R1/用jw取代s,令.f0 = 112rrR2G,得出电压放大倍数Au=Aup/通带截止频率f0=fP2.5单片机结构及原理2.5.1单片机基础单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器,随机存取数据存储器sRAM ,只读程序存储器 ,输入输出电路,可能还包括定时计数器,串行通信口,显示驱动电,脉宽调制电,模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上,构成一个最小但是完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程

33、序设计者事先规定的任务。由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征。单片机主要应用于测控领域,用于实现各种测试和控制功能。为了强调其控制属性,在国际上,多把单片机称为微控制器MCUo 单片机与通用微机相比较,在结构、指令设置上均有其独特之处,其特点如下:1,单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器,只存放程序、固定常数及数据表格。RAM为数据存储器,用作工作区及存放用户数据。2,采用而向控制的指令系统。为满足控制的需要,单片机有更强的逻辑控制能力,特别是具有很强的位处理能力。3,单片机的I/O引脚通常

34、是多功能的。由一于单片机上引脚数目有限,为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾,采用了引脚功能复用的方法。引脚处一于何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。4.单片机的外部扩展能力强。在部的各种功能部分不能满足应用需求时,均可在外部进行扩展,与许多通用的微机接口芯片兼容,给应用系统设计带来极大的灵活性。单片机广泛应用一于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航大、专用设各的智能化管理及过程控制等领域。2.5.2 单片机的复位电路MC5-51的复位输入引脚为MCS-51提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行,即从程序寄存器中的0000H地址单元开始执行程序。在MSS-51的时钟工作

35、后,只要在RST引脚上出现10ms以上的高电平时,单片机部则初始复位。只要RST保持高电平,则MCS-51循环复位。只要当RST由高电平变低电平以后,MCS-51才从0000H地址开始执行程序。1、对寄存器的复位状态作进一步的说明 复位后PC值为0000H,故复位后的程序入口地址为0000H;2复位后PSW=00H,使片存储器中选择0区土作寄存器,用户标志位F0为0状态;3复位后SP=07H,设定堆栈栈底为07H;4 TH1、 TLI.、TH0、 TL0都为00H,表明定时/计数器复位后皆清零:5 TMD=00H都处于方式0土作状态,并设定T1, TO为部定时器方式,定时器不受外部引脚控制;6

36、TCON=00H,禁止计数器计数,并表明定时/计数器无溢出中断请求,并禁止外部中断源的中断请求,外部中断源的中r请求为电平触发方式;7 SCON=00H使串行口工作在移位寄存器方式方式0,并且设定允许串行移位接收或发送;8复位后IE的各位均为零,表明在中断系统中CPU被禁止响应中断,而且每个中断源也被禁止中断;9复位后IP的各位均为零,使中断系统的5个中断源都设置为低优先级中断状态;10复位后的P1, P2, P3口锁存器全为1状态,使这些准双向口皆处一J-+输入状态。另外,在复位有效期间,MGS-51的ALE引脚和引脚均为高电平,且部RAM不受复位的影响。2、复位电路MCS-51的复位是由外

37、部的复位电跻来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电和按钮复位电路如图2. 52. 5. 3单片机时钟电路MCS-5I的时钟可以由两种方式产生,一种是部方式,利用芯片部的振荡电路;令一种方式为外部方式。通过比较,使用部时钟方式比较简单,故本设计采用的是部时钟方式,对此作一些介绍。MCS-5I部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTALI和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。1、部时钟方式介绍MCS-5I虽然有部振荡电路,但要形成时钟,必须外接元件。外接.钻体以及电容C1和C2构成并联谐振

38、电跻,接在放大器的反馈回跻中。晶.体可在I. 2MH12MHz之间任选,电容C1和C的典型值在20p100pF之间选择,但在60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右。部时钟方式的电路如图2.62. 5. 4单片机管脚说明 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P

39、1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。Pl口管脚写入1后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由一于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写1时,其管脚被部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用一于外部程序存储器或If位地址外部数据存储器进行存取时,P2输出地址的高八位。在给出地址1时,它利用部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能

40、寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收偷出4个TTL门电流。当P3口写入1后,它们被部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流ILL?这是由一于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:管脚备选功能 P 3. 0 RXD P3. 1 TXD P3. 2 /NTO P3. 3 /NT1 P3. 4 TO P3. 5 T1 P 3.6 /WR P3.7/RD P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,

41、要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用一于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALF端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的116。因此臼可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFRBEH地址上置0。此时,ALE只有在执行MDVX, MOVC指令是ALE才一起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器

42、周期两次/YSEI有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EAlvpp:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH,不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用与施加12V编程电源CVPP。XTAL1:反向振荡放大器的输入及部时钟土作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。2.6 液晶显示器功能介绍2.6.1 LCD液晶显示器基础LCD 液.拮显示器使用了目前最新的全彩显示技术,而且原埋简单易懂。基本上,整个液晶显示技术的概念是利用

43、液晶的物理特性:通电时导通,排列变的有秩序,使光线容易通过;不通电时排列混乱,阻止光线通过。让液晶r如闸门般地阻隔或让光线穿透。就技术而而言,液品而板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材,称为Substrates,中间夹著一层液品。当光束通过这层液晶时,液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状,因而阻隔或使光束顺利通过。规则LCD遵守一系列与CRT显示不同的规则。LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点,但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率,而且能按屏幕要求加以调整,但LCD屏只含有固定数量的液品单元,只能在全屏幕使用一种分辨率显示。CRT通常有三个

44、电子枪,射出的电子流必须精确聚集,否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题,因为每个液.鼎.单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁,液晶单元要么开,要么关,所以在40-60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。但另一方而,LCD屏的液晶单元极易出现暇疵。对1024x768的屏幕来说,每个像素都由三个单元构成,分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是,其中一部分己经短路,或者断路。有些顾客可能认为如此高昂的价格应该买到完美的LCD显示屏

45、一很不幸这不是现实,最多能挑到暇点不特别明显的屏幕而己。LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有些时候,我们会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条。也可能出现一些不雅的条纹,一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外,一些相当精密的图案可能在液品显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。另外还有一个视角或者观察角度的问题a LCD之所以存在视角问题是由廿几它采用的是光线透射机制,会对穿过屏幕的光线进行调节。而CRT是一种光线发射系统。对CRT来说,屏幕背后的特殊材料能主动发射出光线。而在LCD中,虽然光线能穿透正确的像素,但倾斜的光线也

46、会穿透相邻的像素,所以从正常视角之外观看时会发现颜色严重失真。2.6.2液晶显示LCD1602简介LCDl602的基本参数 LCD1602分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD4478,带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别,两者尺寸差别如下图2.所示。LCD1602主要技术参数:显示容量:I6X2个字符芯片工作电压:4. 5一5. 5V 工作电流:2.rnA 模块最佳_L作电压:5. 0V字符尺寸:2. 95 X 4. 35WXH mm2 LCDI602的引脚功能 LCDI602采用标准的14脚或16脚接口,各引脚接口说明如表2. 1所示:第1脚: 为地电源。第2脚:接5

47、V正电源。第3脚:VL为液.拮显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生鬼影,使用时可以通过一个1a的电位器调整对比度。第4脚:RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚:RIW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和Rlu共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RIW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚:E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。第7-14脚:D0D7为8位双向数据线。第15脚:背光源正极。第16脚:背光源负极。3 L

48、CDl602的指令说明及时序 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。指令1:清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2:光标复位,光标返回到地址00Ha指令3:光标和显示模式设置I/D,光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效,低电平则无效。指令4;显示开关控制。n:控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标8:控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。指令5:光标或显示移位s/c:高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标。指令6:功

49、能设置命令DL:高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:低电平时为单行显示,高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符。指令7:字符发生器凡咏1地址设置。指令8:DDRAM地址设置。指令9:读忙信号和光标地址BF;为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙。指令10:写数据。指令11:读数据。11条控制指令如表2. 2所示。 LCD1602地址映射及标准字库表液.晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪

50、里显示字符,图2.9是LCD1602的部显示地址。也就是告诉模块在哪里显示字符,图9是LCD1602的部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40H, 那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢?这样不行,因为写入显示地址时要求最高位恒定为高D7电平1所以实际写入的数据应该是:： 010000008 +1000aaa0B=110000008。在对液.TfT模块的初始化中要先设置其显示模式,在液品模块显示字符时光标是自动右移的,无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液品模块部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形,字符都有一个固定

51、的代码,比如大写的英文字母A的代码是010000001BH,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母A.5LCDI602的一般初始化过程 延时15mS 写指令38H 延时5mS 写指令38H 延时5mS 写指令38H 以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号 写指令38H:显示模式设置 写指令08H:显示关闭 写指令O1H:显示清屏 写指令OfiH:显示光标移动设置写指令OCH:显示开及光标设置2.7 模拟开关介绍2.7.1模拟开关CD4051/CD4052/CD4053.基础知识 CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有三个二进控制输入端A,

52、 B,C和INH输入,具有低一学通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4. 5-20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如,若VDD=+5V, VSS=0, VHH=-13.5V,则0-5V的数字信号可控制一13. 5-4. 5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源围具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=+I;时,所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道,可连接该输入端至输出。 CD4052/CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关,有A, B两个二进制控制输入端和INH输入,具有低一学通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4. 5

53、r-20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如,若VDD=5V, VSS=0, VBB=-13.5V,则Q-SV的数字信号可控制一13.5-4. 5V的模拟信号,这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源围具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关,当INH输入端=1时,所有通道截止。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道,可连接该输入至输出。 CD4053/CC4053是三2通道数字控制模拟开关,有三个独立的数字控制输入端A,B C和INH输入,其有低一导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.5-20V的数字信号可控制峰一峰值至20V的数字信号。例如若VDD=+5V VS

54、S=0 VEE=-13.5V,则0-5V的数字信号可控制一13. 5-4. 5V的模拟信号。这些开关电跻在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源围具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=1时,所有通道截止。控制输入为高电平时,0通道被选,反之,1通道被选。第3章斩波放大器系统设计3.1系统整体设计方案3.1.1系统设计要求 通过设计实现斩波放大器按照预定放大倍数放大;验证斩波技术原理;并能够通过单片机控制系统控制斩波放大器的放大倍数井能够在液晶显示模块上显示;同时,需要验证斩波放大器较之普通放大器在抑制放大过程中的零点漂移问题的突出优势。3.1.2整体设计方案结构图自激式

55、多谐振荡器产生方波来控制电子开关的开闭状态。数字信号发生器产生输入信号经过电子开关的斩波、主放大器放大、有源低通滤波器的解调后输出。时,通过按键使单片机系统控制接入主放大器的电阻值,同时在液晶显示器上显示出相应的跻数和理论放大倍数。根据以上的理论分析,本论文构成的实验系统如下所示:主放大器多谐振荡器示波器一阶有源低通滤波器斩波电路信号输入电子开关液晶显示器单片机按键3.2主要硬件的选择及电路设计3.2. 1多谐振荡器电路设计 文章选择NH555构成自激振荡电跻,连续不断提供方波信号。设计电路图如图3. 2 0根据第二章提到的NL;555的占空比和频率计算公式,由式得出振荡频率 f=1/T=11

56、C *In2=200HZ由式得出占空比q=T1/T= l=350+50/=53%NE555的电源电压选用5V电压,考虑到其他芯片需要引入士15V电压,由此,文章将用到模拟开关CD4051,将15V电压转化为5V供该芯片使用。3. 2. 2斩波电路设计文章采用电子开关LF13331芯片构成斩波电路,如图3. 3所示,LF13331部由四个独立的电子开关构成。引脚1, 8, 9, 16为IN端,分别为四个开关的输入端,即接入多谐振荡器NE555的3脚输出端;引脚3, 6, 11, 14为S端,分别为四个开关对应的接地端;引脚2, 7, 10, 15为D端,即输出端。4脚和13脚为其他用途,这里不予

57、讨论。5脚、12脚为电源端,分别接-15V, +15V电压。 电子开关工作原理:当NE555产生的方波信号输入LF13331的两个输入端后,当方波信号为高电平时,开关闭合,低电平时,开关打开。方波信号频率越高,电子开关开闭的速度越快。斩波电路原理图3. 4所示3. 2. 3主放大器LF356及电路设计 主放大器选用高阻型运算放大器LF356,由于其输入失调电压较大,其零点漂移现象也比较明显,斩波放大器正是利用其斩波技术消除放大电路的失调电压,以达到抑制零点漂移的作用,这点对一于本课题的研究效果有很大帮助。目前高输入阻抗型运放广泛用一_.生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样一保持放

58、大器、对数和反对数放大器和模数、数模转换器等。 设计电路如图3. 5,为同相比例运算放大电路。电路引入了电压串联负反馈,故可以认为输入电阻为无穷大,输出电阻为零,即使考虑集成运放参数的影响,输入电阻也可达109欧。根据式2.2令引脚2与6脚间接入200千欧 , 主放大器放大倍数 Av1=1+R4/R3=1+200/1=201 式2.2又由3. 2. 1节计算得出的占空比53,可得斩波放大器放大倍数 Av=Avl.占空比=201*53%= 106 式3. 2. 4滤波电路设计滤波器的选择 在滤波电路的选择上,对比无源与有源滤波器:无源滤波器为RC调谐式滤波器,仅由电阻、电容等无源元件构成。一阶无

59、源滤波器过渡带衰减缓慢,选择性不佳,虽然可以通过把无源的RG滤波器串联,以提高阶次,增加在过渡带的衰减速度,但受级间藕合的影响,效果是互相削弱的,而且信号的幅值也将逐渐减弱。而有源滤波器是将无源RC滤波网络接入到运算放大器的输入端或接入运算放大器电路的反馈回路上,由RC调谐网络和运算放大器组成,运算放大器是有源器件,既可作为级间隔离又可起信号幅值放大作用,明显在隔离、增益性能方面优气无源网络。两相比较之卜,选用有源滤波器更为合适。 图3. 6 C a为一阶反相输入有源低通滤波器,它已将RC无源低通滤波器接到运放的同相愉入端,运放起隔离、增益和提高带负载能力作用。其截止频率为fc=1/2pRC,放大倍数为K=1+R2/R1图3. 6 为一阶反相有源低通滤波器,它将高通网络作为运算放大器的负反馈,结果得到低通滤波特性,其截止频率fc=1/2pRC:放大倍数K=R/R0. 滤波电路中,文章采用反相输入一阶有源低通滤波器,即UA741芯片,它属于高增益运算放大器。斩波放大后需要对信号进行滤波处理,文章选择UA741芯片组成滤波电路主要考虑到其价格低廉、产品量大而广,其性能指标能适合J:一般性使用。其虚拟通道连接=士15V, Tamb=25。2滤波电路设计图图3.7滤波电路图由式可得出通带放大倍数Aup=-R21R