自动增益放大器剖析
自动增益控制放大器
一、设计思路描述
本自动增益控制放大器系统以MSP430G2553为控制核心。利用单片机内部ADC10对末级输出信号采样，可由按键控制三种模式以及增益倍数的切换，也可根据采样得到的末级输出信号幅度大小，自动控制DAC7811作为TLC085反馈电阻网络，从而实现对末级自动增益控制。在软件设计中，我们实现三种不同的模式切换：
1.交流手动模式中。根据选择增益倍数不同，我们可以算出不同的code值，将code值传给DAC7811。例如：当我选择0.2倍增益时，那么需要控制前级衰减，同时code值为2048,因此增益倍数Av=0.1*4096/2048=0.2。
2.直流自动换挡模式。根据单片机内部ADC10对输出信号采样幅度大小，自动控制前级是否衰减、控制CD4051选择OPA 2227反馈电阻，从而实现0.2、0.5、
2、5的最大增益倍数。
3.自动增益模式。根据利用单片机内部ADC10对输出信号采样幅度大小自动控制前级是否衰减，控制CD4051选择OPA 2227反馈电阻。
二、硬件电路设计
2.1前级信号衰减电路
VDD
图2.1 前级衰减电路
如图2.1所示，前级衰减电路由CD4051、OPA2227、20K?以及2K?电阻组成，其中CD4051为单刀八掷开关。在该电路中，单片机MSP430G2553通过P1.3口进行对CD4051中两种电阻进行选择，改变OPA2227反馈电阻，从而实现0.1倍与1倍的控制。
在整个电路中，前级衰减电路十分重要，它不仅仅是对输入信号进行衰减，还可以对单片机MSP430G2553进行保护。
2.2末级DAC7811增益自动控制电路
图2.2 DAC7811增益自动控制电路
图2.2为末级DAC7811增益自动控制电路。利用单片机内部ADC10对输出信号经过OPA2340绝对值整形后的波形进行采样，根据幅值控制CD4051选择
OPA2227反馈电阻，进而控制衰减10倍或1倍。
该电路由TLC085与DAC7811组成，其中TLC085为四路运算放大器，在这次设计中，我们只使用两路，一路作电压跟随器使用，起缓冲作用；另一路放大器是与DAC7811形成反馈电路，实现增益调节。
在DAC7811的数据手册中，我们可以根据公式：
∴
单片机MSP430G2553通过控制P2.0 P2.1 P2.2三个端口，给DAC7811发送数据。由上公式可知，当Av=5时，我们只需要控制单片机MSP430G2553给DAC7811发送相对应的code 值。
在该电路中，DAC7811特别小，因此将其焊在洞洞板上是非常困难的，建议使用脚距为0.5mm 的转接板，也不要随意掰其引脚，谨防引脚断裂！！！！
2.3键盘显示模块
在键盘中，我们采用三个键设计，其关系如下图2.3所示，它们分别为模式选择键、增益选择键和确定键。模式选择键可以在交流自动、直流换挡自动和自动增益三种模式切换；
增益选择可以选择0.2、0.5、2、5四种增益；最后的确定键的作用为总开关，
只有当确定键按下之后，单片机才会运行相应的模式。
图2.3 键盘设计电路
显示部分比较麻烦，为了节省I/O 端口，开始我们用74HC164和1602显示，这样只需要4个I/O 端口。但是在实际中这种方案是不可行的，因此我们最后选择用12864作为显示，需要2个I/O 端口，实际运行通过。
三、软件程序设计
3.1
ADC10采样模块
code
V V in out 4096?
-=code
Av 4096
-
=
在程序中，每隔1607个时钟周期对输入的交流进行一次AD采样，因为1607是一个质数，所以基本可以保证采样在不同的正弦相位，通过10000次取点计算出峰峰值。其流程图如图3.1所示。
3.11ADC10主要特性：
1）有内部基准1.5v或2.5v,还可以外接基准电压。
2）采样对象：可直接向内部温度传感器、芯片供电电
压、外部基准电压采样
3）AD采样起始信号触发方式，软件触发和Timer_A控
制触发
4）采样的方式：单通道单次，单通道多次，多通道轮
流，多通道重复。
5）可单独关闭ADC和基准电压
6）采样数据可自动存储在指定的存储空间ADC10MEM
寄存器中
3.12ADC10初始化设置：
主要是基准电压与通道选择的配置
1）内部基准电压
ADC10内部集成有带隙电压基准，可以产生1.5V或2.5V两种基准电压。
使用内部基准电压具体配置如下：
ADC10CTL0|=REFON；（配置内部基准电压1.5v）
ADC10CTL0|=REFON+REF2_5V；（配置内部基准电压2.5v）
REFON：内部基准电压发生器控制
0 关闭内部基准电压发生器
1 开启内部基准电压发生器
REF2_5V：内部基准电压选择1.5V/2.5V
0 选择1.5V内部参考电压
1 选择2.5V内部参考电压
2）外部基准电压
使用外部基准电压具体配置如下：
ADC10CTL0|=SREF_x；
SREFx：基准源选择
0 Vr+=AVcc, Vr-=AVss
1 Vr+=Vref+, Vr-=AVss
2,3 Vr+=Veref+, Vr-=AVss
4 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref-
5 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref-
6,7 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref-
3）通道选择
ADC10CTL1|= CONSEQ_x；
COMSEQx：转换模式
0 单通道单次转换
1 序列通道单次转换
2 单通道多次转换
3 序列通道多次转换
3.2DAC7811模块
在该模块的软件设计中，我们控制单片机MSP430G2553的3个I/O端口，通过单片机给DAC芯片写入code值，控制增益倍数。DAC总共16位，12位为数据位，为4096，因此DAC最大值为4096。
3.3CD4051模块
在该模块的软件设计中，我们控制单片机MSP430G2553的1个I/O端口，控制CD4051选择OPA2227反馈电阻，进而控制衰减10倍或1倍。
3.4 主程序
附件1为主程序流程图。在该流程图中，我们通过三个按键的切换，选择不同的模式和增益倍数，进而选择不同的子程序。其关系如下表所示：
3.5交流换挡模式
附件2为交流换挡程序流程图。在交流换挡子程序中，主要根据按键选择增益倍数不同，控制前级CD4051是否衰减，以及DAC中计算出相应的code值，这些值都是固定的，如下表3.5。当ADC10采样之后，我们需要计算出输入电压的值，并将其显示在12864上。