摘要：主要研究基于单片机如何实现程控小信号放大电路。其中心思路是通过单片机扫描按键输入信号并通过数码管显示，再把这个数值作为放大增益作用于运算放大器AD811。对于这样一个系统，用户可以通过按键来实现自己想要的放大倍数并通过LED数码管表现出来。采用AT89C51作为微处理器，DAC0832和运放AD811组成的程控放大器作为核心，实现增益连续可调。
关键词：微处理器；程控增益；D/A转换
中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）012-0031-03
0引言
随着科学技术的不断发展，对测试系统提出了一系列新的要求。对微弱前置信号放大电路，有很多新技术。使其向高准确度、多功能、高可靠性和低价格方向发展。
当前，随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采取数字化和智能化方向的发展。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处理电路组成。其中后端数据处理电路通常采用高精度APD 和高速单片机，以保证仪表的精度和速度要求。对于前端电路，由于传感器输出信号的幅度和驱动能力均比较微弱，必须加接高精度的测量放大器以满足后端电路的要求；另一方面，传感器在不同测试中输出信号的幅度可能相差很多，传统的处理方法是对放大器增加手动档位调节以保证后端的APD 采集输入端的信号在一定幅度内，从而保证整个仪表的测量精度。
1系统总体方案
本系统由单片机控制电路、程控放大电路、键盘电路、显示电路及其驱动电路组成。通过键盘设置增益，显示器显示增益实现人机交互功能。其中心思想是通过单片控制运算放大器的输入电阻从而实现增益可控。
如图1所示，运算放大器的电压放大倍数为A=-Rf/Ri。要使增益可变，只要改变Rf或者Ri就可以。设计思路是用DAC0832代替Ri，DAC0832相当于一个R-2R电阻网络，通过单片机控制其输入，实现对增益的控制，从而实现控制其放大倍数的目的。
系统的总体框图如图2所示。
1.1可控增益放大部分
增益放大电路主要由D/A转换器DAC0832和宽带集成运算放大器AD811AN组成。
（1）D/A转换器DAC0832。DAC0832是8位高分辨率电流输出型D/A转换器，芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通3种输入方式，以便适应各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。D/A转换结果采用电流形式输出。如需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。
（2）宽带集成运算放大器AD811AN。AD811是美国模拟器件公司开发的视频运算放大器中的一种，具有高速、高频、宽频带、低噪声等优点，并且是电流反馈型运算放大器。
（3） 增益放大模块原理如图3所示。如图3，D0～D7为单片机输出的8位数字信号，待放大小信号从参考电压端输入，通过DAC0832转换，其输出端Iout1输出电流为Iout1=-D/256*Ui/R0，再经过运算放大器反向放大得到输出电压Uo=D/256*Rf/R0*Ui，只要调节好Rf与R0d比值就可以实现输出倍数按要求的连续可调。
1.2微处理器
微处理器采用8位高性能单片机AT89C51。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1 000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1.3按键输入电路
输入电路采用独立式编码方式需要8个按键。独立式键盘是指直接用I/O口线构成单个的按键电路，每个独立式按键占用一根I/O口线。其电路配置灵活，软件结构简单。此处只用8个按键，所以采用独立式按键。
1.4驱动显示电路
LED数码管是由7个发光二极管和一个dp小数点位组成。发光二极管具有单向导通性，只有当外加正向电压产生足够大电流时才能发光。它的阈值电压比普通二极管高，电压越高发光越强。
2系统软件设计
该系统的软件采用模块化设计，包括单片机控制模块、按键输入模块、驱动显示模块、程控放大模块。
系统控制模块通过调用各子程序来实现相应的功能，初始化完成单片机各端口及寄存器定义、变量定义等任务。
2.1控制模块流程
初始化程序，将P0、P1口置高，初始化8155，检测有无按键按下，如有按键按下，8155驱动LED显示。
2.2D/A转换模块流程
通过D/A转换将模拟信号放大到欲实现的倍数并具有倒相功能，设计中可实现0～255倍变换。DAC0832可以看成一个R-2R电阻网络，8位输入口的输入可以看成是对电阻网络进行编程，输入不同的值得到不同的输出、输入电压比。只要调整输出放大器就可以得到相应的放大倍数。
2.3驱动显示程序
MOD：PUSH ACC
PUSHDPH
PUSHDPL
SETBRS0
CLRP2.6
SETBP2.7
MOVR1，#FF01H
MOVA，#02
MOVX @R1， A
DIR：MOVR0，#DIS0
MOVR6，#20H
MOVR7，#00H
MOVDPTR， #TAB
DIR1：MOVA，#00H
MOVR1，#0FBH
MOV@R1，A
MOVA，@R0
MOVCA，A+@DPTR
MOVR1，#0F9H
MOVX@R1，A
MOVA，R6
MOVR1，#0FBH
MOVXR1，A
HERE：DJNZ R7，HERE
INCR0
CLRC
MOVA，R6
RRCA
MOVR6，A
JNZDIR1
SETBP2.7
CLRRS0
POPDPL
POPDPH
POPACC
RET
TAB：DB C0H F9H A4H B0H99H
DB 92H 82H F8H 80H 90H
DB 88H 83H C6H A1H 86H
DB 8EH BFH8CH FFH3仿真
3.1软件简介
Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。虽然，目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
3.2功能特点
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：Multisim）的功能。这些功能是：①原理布图；②PCB自动或人工布线；③SPICE电路仿真。
（1）互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
3.3仿真电路图
在仿真电路图中包括控制模块、程控增益放大模块、键盘输入模块、驱动显示模块。采用8155对端口进行扩展外接按键及LED显示器。键盘输入部分独立式按键输入方式。显示部分采用LED数码管显示。在数模转换部分采用DAC0832。
4结语
由DAC0832和89C51构成的程控放大器具有电路简单、增益调整方便、成本低等特点。这种设计越来越得到普及，不仅应用在低端产品中同时也应用在高端产品中，为生活和生产提供了极大的便利。随着电子技术和计算机技术的发展，程控放大器有着广大的应用前景，并将朝着集成化、智能化、多功能化方向发展。
参考文献：
[1]朱玉田.程控增益放大器实现方法的比较与选用[J].机电工程，1997（10）.
[2]高光天.仪表放大器应用[M].北京：科学出版社，1995.
[3]周向红.51系列单片机应用于实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
（责任编辑：余晓）