一種數(shù)控高增益測量放大器的設(shè)計(jì)

戴　杰　賓　浩　莊知龍　石晨曦

摘 要：根據(jù)工程應(yīng)用中對小信號(hào)放大的需要,結(jié)合模擬電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)控高增益測量放大器。根據(jù)預(yù)置的電壓放大倍數(shù)合理分配第一級(jí)、第二級(jí)的放大量,實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)為1的1～1 000的放大倍數(shù)預(yù)置和顯示功能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端,使運(yùn)放電源電壓隨共模輸入電壓浮動(dòng)等改進(jìn)措施提高了放大器的共模抑制比,實(shí)現(xiàn)了一種方便實(shí)用的數(shù)控高增益測量放大器。

關(guān)鍵詞：測量放大器;共模抑制比;數(shù)字控制;單片機(jī);數(shù)模轉(zhuǎn)換器

中圖分類號(hào)：TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-110-02

Design of High Gain Instrumentation Amplifier by Digital Control

DAI Jie,BIN Hao,ZHUANG Zhilong,SHI Chenxi

(School of Communication & Control Engineering,Jiangnan University,Wuxi,214122,China)

Abstract：Based on the needs of amplifying low signal during engineering applications,using analog electronic technology and single chip computer technology,this essay introduces a high gain instrumentation amplifier by digital control.On the basis of preset amplifier′s gain,distributes the first and second gains rationally,then realizes the gain from 1~1 000 in step 1 and displays the gains.At the same time improves the amplifier′s common-mode rejection ratio with several amelioration methods.Finally,a convenient and applied instrumentation amplifier by digital control with high gain is finished.

Keywords：instrumentation amplifier;common-mode rejection ratio;digital control;single chip computer;D/A converter

測量放大器也稱為儀表放大器或數(shù)據(jù)放大器,它是一種可以用來放大微弱差值信號(hào)的高精度放大器［1］,在測量控制等領(lǐng)域具有廣泛的用途。通常,測量放大器多采用專用集成模塊來實(shí)現(xiàn),雖然有很高的性能指標(biāo),但不便于實(shí)現(xiàn)增益的預(yù)置與數(shù)字控制,同時(shí)價(jià)格較高。為此,結(jié)合應(yīng)用實(shí)際,利用高增益運(yùn)放,設(shè)計(jì)了一種具有高共模抑制比,高增益數(shù)控可顯的測量放大器。提高了測量放大器的性能指標(biāo),并實(shí)現(xiàn)放大器增益較大范圍的步進(jìn)調(diào)節(jié)。

1 方案設(shè)計(jì)

采用固定放大倍數(shù)的測量放大器必然會(huì)對整體放大器的動(dòng)態(tài)性能有很大影響,所以本設(shè)計(jì)主要由三個(gè)模塊電路構(gòu)成：前級(jí)高共模抑制比測量放大器、AD7533衰減器［2］和單片機(jī)鍵盤顯示處理模塊。在前級(jí)高共模抑制比放大器中將輸出共模電壓反饋到正負(fù)電源的公共端提高共模抑制比。衰減器實(shí)現(xiàn)衰減率的數(shù)字編程。單片機(jī)鍵盤顯示處理模塊一方面對8279進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,還對AD7533進(jìn)行數(shù)字控制。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從整體系統(tǒng)框圖可以分析,系統(tǒng)對輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為：

A=A_c×A _DAC×10

其中,Ac是前級(jí)放大器的放大倍數(shù),A DAC是衰減器的衰減率。

1.1 前級(jí)放大器

在此采用儀用放大器組成高共模抑制比測量放大器［3］如圖2所示,運(yùn)放A4實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端,使運(yùn)放電源電壓隨共模輸入電壓浮動(dòng),從而使各級(jí)偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓,這樣各級(jí)的共模信號(hào)就被大大削弱了,共模輸入電壓在放大器輸出端產(chǎn)生的誤差電壓就大幅度減少,提高了放大器的共模抑制比。圖中Rw由3條并列的固定電阻通路構(gòu)成,3條電阻通路由單片機(jī)控制的3個(gè)繼電器來分別接通實(shí)現(xiàn)。很容易分析得到此放大器的放大倍數(shù)為［4］：

A_c=R₃/R₂(1+2R₁/R_w)

由此,改變Rw獲得3個(gè)控制等級(jí)的前級(jí)電壓放大倍數(shù),分別對1～10 V,0.1～1 V以及小于0.1 V的 3個(gè)不同電壓段的信號(hào)進(jìn)行控制,通過繼電器切換的方式實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù),如表1所示。

1.2 單片機(jī)與衰減器部分

單片機(jī)部分實(shí)現(xiàn)總體控制與顯示,由51單片機(jī)和8279鍵盤顯示芯片主體構(gòu)成［5］。置數(shù)可由0~9數(shù)字

鍵和加、減、預(yù)置數(shù)等控制鍵實(shí)現(xiàn)。任一輸入信號(hào)在前

級(jí)放大的基礎(chǔ)上再經(jīng)后級(jí)程控衰減器乘上10倍以后獲得最終的電壓放大倍數(shù)。單片機(jī)與衰減器原理圖如 圖3所示。

在單片機(jī)的算法控制下進(jìn)行前級(jí)放大器放大倍數(shù)的適當(dāng)選取,使得繼電器動(dòng)作的原則為：選擇最小的前級(jí)放大倍數(shù)和相適應(yīng)的最小的后級(jí)衰減率,使得由前級(jí)放大器的衰減器引起的誤差盡量小。

可變增益的衰減器AD7533也由單片機(jī)控制,輸入不同的10位數(shù)字量就獲得不同的輸出輸入電壓比。調(diào)整相應(yīng)的衰減率就得到相應(yīng)的放大倍數(shù)。10位的AD7533,數(shù)字量每改變1位,衰減就會(huì)變動(dòng)1/1 024,實(shí)現(xiàn)步距為1的1 000倍電壓放大倍數(shù)。譬如當(dāng)要得到205的電壓放大倍數(shù)時(shí),只要給AD7533置數(shù)0CDH(205D),同時(shí)選擇前級(jí)放大倍數(shù)為102.4,這樣就得到：102.4×10×205/1 024=205的放大倍數(shù)；當(dāng)要得到60的電壓放大倍數(shù)時(shí),只要作600/1 024的衰減,同時(shí)選擇前級(jí)放大倍數(shù)為10.24,這樣就得到：10.24×10×600/1 024=60的放大倍數(shù)；當(dāng)要得到6的電壓放大倍數(shù)時(shí),只要作600/1 024的衰減,同時(shí)選擇前級(jí)放大倍數(shù)為1.024,這樣就得到：1.024×10×600/1 024=6的放大倍數(shù)。

2 測試結(jié)果

根據(jù)以上思路,對實(shí)際制作的測量放大器進(jìn)行了放大倍數(shù)的測試。輸入相應(yīng)的直流信號(hào),結(jié)果如表2所示。

3 結(jié) 語

從測試結(jié)果可以分析看出,該測量放大器差模電壓放大倍數(shù)大,可以對放大倍數(shù)預(yù)置,并實(shí)現(xiàn)顯示,直觀方便?？稍?0 V范圍內(nèi)高精度滿足小信號(hào)測量的要求?？梢愿鶕?jù)預(yù)置的電壓放大倍數(shù)合理分配第一級(jí)、第二級(jí)的放大量,實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)為1的1～1 000的放大倍數(shù)預(yù)置功能,同時(shí)采用多種改進(jìn)措施提高了放大器的共模抑制比。

參考文獻(xiàn)

［1］陸利忠.測量放大器應(yīng)用中的抗共模干擾［J］.測控技術(shù),2007,26(1)： 87-89.

［2］黃民雙.一種高增益前置運(yùn)放失調(diào)漂移的實(shí)時(shí)補(bǔ)償［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2002(2)：140-143.

［3］郭興昕,趙進(jìn)全.測量放大器共模抑制能力的分析［J］.中國儀器儀表,2005(9)：68-70.

［4］康華光,陳大欽,張林.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分［M］.5版.北京:高等教育出版社,2006.

［5］李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.

［6］吳鳴鳴,張欽宇,路雪蓮.多通道射頻接收機(jī)測量噪聲系數(shù)的新方法.現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(14):139-141.