一种数控放大电路的设计与仿真

巢湖学院电子工程与电气自动化学院 李 健 鲁业频

一种数控放大电路的设计与仿真

巢湖学院电子工程与电气自动化学院 李 健 鲁业频

介绍了一种基于单片机和DAC的数控放大电路的设计，实现对微弱信号的放大，采用了Proteus软件进行了仿真，达到了设计的目的。

数控放大电路；单片机；DAC；Proteus仿真

1.引言

在很多场合下，比如在检测系统中利用传感器将非电信号转变为的电信号，往往都很微弱[1](mV级)，我们需要将这些微弱信号放大以便进行观察或者使用。本文介绍了一种运用单片机和DAC设计的数控放大电路，采用了Proteus软件[2]进行了仿真和实现。

2.系统方案和原理

如图1，采用AT89C51单片机作为核心控制器，将待放大信号作为DAC0832的参考电压，放大电路模块对DAC0832输出的模拟信号放大倍数固定。通过单片机控制DAC0832输出的模拟电压，这样即便放大倍数一定，但送给放大电路的模拟电压改变了，这样它输出的放大信号也改变了。该系统的原理即是：将待放大信号的一部分或者全部进行固定倍数的放大，达到放大倍数可调的目的。系统通过按键设置放大倍数，同时将放大倍数显示出来。

图1 系统框图

图2 单片机控制DAC电路

图3 放大电路

3.硬件电路设计与分析

3.1 DAC电路模块

如图2，是单片机和DAC0832的连接电路图。DAC0832是8位的电流型数模转换器[3]，其数字量输入引脚DI0-DI7和单片机的P2口相连，参考电压引脚VREF接待放大信号(图中接入了一个正弦微弱信号B)。通过单片机改变输出给DAC0832的数字量，可改变IOUT1引脚的电流(DAC0832的IOUT1输出的电流+IOUT2输出的电流=常数)：送入的数字量越大，IOUT1输出的电流越大。其余引脚参考图上接线。

3.2 放大电路模块

为了将DAC输出的模拟电流转换成电压并进行放大，系统采用了运放LM324(内部集成了四运放)[4]，如图3。将IOUT2引脚和初级运放的+端相连并接地，IOUT1接-端。在DAC0832内部已将IOUT1引脚和一个反馈电阻相连，该电阻的另一引脚引出，即图2中的RFB引脚，将其接到初级运放的输出端，这样IOUT1电流在RFB上形成了电压。

次级运放的+端接地，-端通过一个1KΩ电阻和初级运放的输出端相连，另外次级运放-端和输出端之间接了一个1M的可调反馈电阻，将之调到255KΩ，这样根据运放的特性，有：

图4 按键和显示电路

图5 系统软件流程图

式中IOUT1*RFB为初级运放输出端电压，Uo为次级运放输出端电压，这样Uo为IOUT1*RFB电压的255倍。若单片机送给DAC0832的数字量为最大255时，则IOUT1*RFB=参考电压VREF(即待放大信号)，则待放大信号被最大放大255倍；设单片机送给DAC的数字量为X(可通过按键调整)，则有X*VREF/255的电压被放大255倍，即输出电压为X*VREF，相对待放大信号来说，放大了X倍。X由显示电路显示出来。

3.3 按键和显示电路模块

图6 10mV，100Hz的方波放大结果

图7 10mV，1000Hz的方波放大结果

如图4，系统设置了两个按键来调整放大倍数的加和减，另外利用了三个共阳数码管显示放大倍数(图中有四个数码管，只用了三个)，采用了动态显示的方法，节省了单片机的I/O资源。

4.软件设计

针对系统要实现的功能，需要对单片机编写相应的控制程序，图5是系统软件流程图。

5.性能分析

系统的功能是实现微弱信号的放大，所以接入DAC0832参考电压引脚的信号幅度不能太大。下面是两组信号放大的仿真结果：

第一组：待放大信号是幅度为10mV，频率为100Hz的方波。从图6中可以看出放大的信号基本未失真，且放大倍数与显示一致。

第二组：待放大信号是幅度为10mV，频率为1000Hz的方波。从图7中可以看出放大的信号有一定的失真，但放大倍数与显示基本一致。另外，仿真时放大倍数显示闪烁。出现这些情况的原因是单片机的速度不够快，DAC0832的转换速度不够快，1000Hz方波中的高次谐波分量(高于1000Hz的正弦分量)所占成分较多，运放LM324不能对所有高频分量进行有效的放大。

总的来说，通过仿真可以看出，本系统对一定频率范围的小信号能够进行放大，放大倍数范围为0—255倍。调节次级运放所接的可调电阻，可以放大更大倍数，这时需要修改程序的显示部分，另外按键每按下一次，也不是提高或降低一倍。

[1]马西秦.自动检测技术[M].北京:机械工业出版社,2010(第3版):180.

[2]张子红,张洪,全李雯.在Proteus中实现单片机交互仿真的方法探讨[J].微型机与应用,2012,31(2):90-92.

[3]严洁.单片机原理及其接口技术[M].北京:机械工业出版社,2010(第1版):147-148.

[4]王正勇,文国电.基于LM324的信号发生器设计与仿真[J].现代电子技术,2011,34(12):208-210.

李健（1985—），男，安徽巢湖人，硕士，巢湖学院电子工程与电气自动化学院助教，研究方向：电子系统的设计。