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基于单片机的程控放大器设计与实现

news 2025/11/16 10:46:04

1 课题概述：基于单片机的程控放大器设计与实现

点击链接下载设计资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081460

本系统以 51 单片机为核心，构建了一套用于实现可控增益的程控放大器平台。程控放大器是一类能够通过数字信号实现放大倍数动态调节的电子电路，广泛应用于信号采集、测试测量、通信设备以及智能控制等领域。本设计旨在以低成本器件与简单结构，实现从 1 倍至 8 倍范围内的增益可调，用户可通过按键选择所需增益，并在 LCD1602 显示模块上查看当前增益及相关提示信息。

系统通过模拟开关芯片动态切换运算放大器的反馈电阻，从而达到可控增益的目的。相比传统手动切换电阻或使用数字电位器方式，本设计具有结构简单、可靠性强、响应速度快等优点。同时，通过单片机对开关矩阵的控制，使用户操作方式更加友好，增益调节更加直观。

本方案适用于实验室信号调理电路、初级仪表放大研究、教学科研实验平台等场景，具有良好的扩展性和教学示范价值。

2 系统功能介绍

2.1 增益可调范围 1~8 倍

系统采用多级反馈电阻组合，通过模拟开关进行选择，实现 1 至 8 倍之间的离散调节增益。此增益范围覆盖多数信号采集场景，可满足常规传感器前端与控制电路的需要。

2.2 模拟开关实现增益控制

本设计采用常用的 CD4051、74HC4066 等模拟开关类芯片，通过 MCU 输出控制信号切换运算放大器反馈路径，使得增益调整完全由数字信号控制。切换迅速、导通阻抗低、结构稳定。

2.3 按键调节增益

用户可通过简单的 UP、DOWN 按键完成增益调整。按键动作经 MCU 消抖处理后，驱动模拟开关更新对应反馈电阻，从而改变放大倍数。

2.4 LCD1602 显示工作状态

LCD1602 主要用于显示：

当前增益倍数
当前反馈电阻序号
是否处于设置状态
系统提示信息

显示界面简洁明了，便于用户实时查看系统状态。

3 系统电路设计

系统硬件部分分为五个核心模块：单片机系统、程控放大器电路、模拟开关切换模块、按键输入模块、LCD1602 显示模块、电源模块。以下分别介绍各模块的设计思路与功能原理。

3.1 单片机最小系统设计

系统控制核心选用 STC89C52 单片机，其具有低成本、兼容性强、可靠性高等特点。最小系统主要包括：

晶振电路
使用 11.0592MHz 或 12MHz 晶振保证系统运行稳定，负载电容取 30pF 左右，使振荡频率稳定。
复位电路
采用 RC 自动复位 + 按键手动复位两级复位方式，保证开机启动可靠。
I/O 分配
MCU 控制信号主要用于：
- 控制模拟开关的选择线
- 按键输入读取
- LCD1602 显示接口

整个最小系统设计充分考虑 I/O 分配合理性与系统稳定性。

3.2 程控放大器电路设计

本系统采用常用运算放大器（如 LM358、OPA2330、TL082 等）构成的非反相放大器结构。其增益公式为：

[
A = 1 + \frac{R_f}{R_{in}}
]

其中 (R_f) 为反馈电阻，本系统通过模拟开关选择不同 (R_f) 来实现 1~8 倍增益。

设计要求包括：

放大器在高低温下保持稳定输出
反馈电阻需使用高精度电阻以确保增益误差小
输入阻抗高，以减少信号源负载影响
供电范围适配信号输入幅度

采用非反相放大模式具有高输入阻抗、增益调节线性好、噪声小等优势。

3.3 模拟开关芯片控制模块设计

本设计采用模拟开关切换反馈路径，如：

74HC4066（四通道模拟开关）
CD4051（8 通道选择开关）

其核心作用：

MCU 控制 OUT→IN 导通路径
选择对应反馈电阻
通过开关矩阵构成离散增益调整网络

设计要点：

模拟开关需保证较低导通阻抗，避免影响反馈电阻准确性
控制信号需逻辑电平稳定，避免开关抖动导致瞬时增益异常
路径切换需考虑运放稳定性，避免产生尖峰和毛刺

通过控制模拟开关，使反馈路径实现 8 种组合，每种组合对应不同放大倍数。

3.4 按键输入模块设计

按键模块包含三个按键：

增益+（UP）
增益–（DOWN）
模式键（MODE，可选）

按键采用独立按键结构，端口上拉，触发按下为低电平。设计要点：

使用软件消抖提高识别可靠性
上拉电阻取 10kΩ 典型值
按键次数自动限制在 1~8 之间

按键结合 MCU 软件实现增益逻辑控制。

3.5 LCD1602 显示模块设计

LCD1602 用于实时显示增益值以及系统提示信息。主要连接方式为：

4 位数据线（D4–D7）
控制线 RS、RW、E
RW 接地实现仅写方式

显示内容包括：

当前增益：如 “Gain: 4X”
当前电阻编号：如 “R_sel: 3”
系统提示：如 “Setting…”

LCD 提升用户交互性，使系统运行状态一目了然。

3.6 电源模块设计

本系统需提供稳定的 +5V 供电，主要电路元件包括：

7805 稳压芯片
输入滤波电容（47uF）
输出滤波电容（100uF、104）

运算放大器可采用：

单电源供电 +5V
或 ±5V（根据选型）

电源部分保证模拟信号稳定，减少噪声耦合。

4 系统程序设计

程序设计采用模块化结构，主要包括主程序、按键处理模块、LCD 显示模块、模拟开关控制模块、增益逻辑模块等。系统整体运行流程如下：

系统初始化
显示当前增益
按键检测
根据按键改变增益
MCU 输出控制信号至模拟开关
刷新 LCD
循环执行

以下按模块进行介绍。

4.1 主程序结构设计

主程序负责初始化与主循环调度，结构如下：

void main()
{System_Init();LCD_Init();Gain = 1;Update_Switch(Gain);while(1){Key_Scan();LCD_Show();}
}

主程序保持简洁，以利于控制逻辑清晰。

4.2 按键扫描与消抖模块设计

按键识别通过循环扫描实现，并使用软件延时进行消抖。

void Key_Scan()
{if(KEY_UP == 0){Delay_ms(10);if(KEY_UP == 0){Gain++;if(Gain > 8) Gain = 8;Update_Switch(Gain);}while(KEY_UP == 0);}if(KEY_DOWN == 0){Delay_ms(10);if(KEY_DOWN == 0){Gain--;if(Gain < 1) Gain = 1;Update_Switch(Gain);}while(KEY_DOWN == 0);}
}

此模块保证增益调节动作准确、不误触。

4.3 模拟开关控制模块设计

该模块根据增益值向 CD4051 或 4066 输出对应的选择信号，使运算放大器切换到对应反馈电阻网络。

void Update_Switch(unsigned char g)
{switch(g){case 1: SW_A=0; SW_B=0; SW_C=0; break;case 2: SW_A=1; SW_B=0; SW_C=0; break;case 3: SW_A=0; SW_B=1; SW_C=0; break;case 4: SW_A=1; SW_B=1; SW_C=0; break;case 5: SW_A=0; SW_B=0; SW_C=1; break;case 6: SW_A=1; SW_B=0; SW_C=1; break;case 7: SW_A=0; SW_B=1; SW_C=1; break;case 8: SW_A=1; SW_B=1; SW_C=1; break;}
}

模拟开关控制信号对应不同的电阻通道，增益可准确切换。

4.4 LCD 显示模块程序设计

LCD 显示当前增益及提示信息。

void LCD_Show()
{LCD_SetCursor(0,0);LCD_Print("Gain:");LCD_SetCursor(5,0);LCD_Print_Num(Gain);LCD_Print("X");LCD_SetCursor(0,1);LCD_Print("Sel:");LCD_Print_Num(Gain); //对应电阻编号
}

显示模块刷新频率适中，不会造成闪烁。