濕度傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)中程控增益放大器的設(shè)計(jì)

馬德智，李巴津

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

1 引言

濕度是一個(gè)重要的物理量，在很多行業(yè)中，如發(fā)電、紡織、食品、醫(yī)藥、倉(cāng)儲(chǔ)、農(nóng)業(yè)等，對(duì)于濕度參量的要求都非常嚴(yán)格。這便離不開(kāi)濕度傳感器這一濕度檢測(cè)裝置在各行業(yè)中的應(yīng)用。濕度傳感器的發(fā)展歷程在很大程度上就是新的濕敏材料的發(fā)現(xiàn)、研制及其特性改善的過(guò)程。無(wú)論是何種傳感器，都要選擇恰當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)制作。近年來(lái)，在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，所應(yīng)用的新型材料主要有：半導(dǎo)體硅材料、石英晶體材料、功能陶瓷材料。而陶瓷濕敏材料具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，是一類(lèi)富有生命力的濕敏材料。其中，以TiO2為基成分，再摻入其他組分合成的一大類(lèi)濕敏陶瓷稱(chēng)為T(mén)iO2基濕敏陶瓷。由于TiO2來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、感濕性能優(yōu)良，因而TiO2基濕敏陶瓷得到了廣泛的研究和應(yīng)用，成為最具代表性和競(jìng)爭(zhēng)力的一類(lèi)濕敏材料。

本文中所采用的便是燒結(jié)溫度在500℃下制備的TiO2基濕敏陶瓷材料。可用它來(lái)測(cè)試中、高濕度的環(huán)境變化。在相對(duì)濕度為40%～98%的范圍內(nèi)，其阻抗值隨濕度的增加而減小，變化范圍從109Ω到105Ω變化了4個(gè)數(shù)量級(jí)，具有較高的感濕性能。如此大范圍的電學(xué)量變化，普通的程控放大器很難滿(mǎn)足。這需要寬范圍的增益調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足信號(hào)處理的要求。本文將重點(diǎn)介紹的就是一款采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的寬范圍自動(dòng)調(diào)整增益變化的程控放大電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)發(fā)生電路如圖1所示，它是通過(guò)濕敏電阻和固定電阻分壓，將信號(hào)直接送到放大器的輸入端。

2.2 系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

2.3 程控放大部分介紹

圖2中的可編程增益放大芯片使用了德州儀器公司生產(chǎn)的INA128通用儀表放大器。此放大器具有低功耗、高精度的特點(diǎn)，它的3運(yùn)放設(shè)計(jì)（3－op amp）和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛。反饋電流輸入電路即使在高增益條件下（G＝100時(shí)，200kHz）也可提供較寬的帶寬。單個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇，INA128提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增益等式：

圖1 信號(hào)發(fā)生電路

圖2 系統(tǒng)框圖

式中的RG是INA128的外接電阻，當(dāng)RG是無(wú)窮大時(shí)，增益則保持1倍，RG的不斷縮小增益倍數(shù)隨之增大，最大可到達(dá)10000倍。INA128的管腳圖如圖3所示。在有噪聲或高阻抗供電電源的應(yīng)用中要在器件的引腳附近接去耦電容器。輸出端可參考輸出基準(zhǔn)（Ref）端，該終端通常接地。在引腳1和引腳8之間外接一個(gè)電阻RG可對(duì)增益進(jìn)行設(shè)置，增益等式在上面已經(jīng)給出。高增益要求低電阻值，關(guān)鍵在于配線(xiàn)的阻值，要求配線(xiàn)的電阻值很低。INA128的輸入阻抗極高，大約1010Ω。在INA128的應(yīng)用過(guò)程中，直流電源需要對(duì)其進(jìn)行供電，可以選擇的直流電壓源的幅值范圍是＋／－18v，而為了保證電壓源中可能含有的交流分量不與INA128中的器件發(fā)生關(guān)聯(lián)，影響工作效果，要在INA128的供電管腳處加上旁路電容器，如圖5中的C1和C2，其值為0.1μF。

圖3 INA128引腳圖

INA128外部電阻的變換，本實(shí)驗(yàn)中使用了數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)MAX4639來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX4639是MAXIM公司生產(chǎn)的一款低導(dǎo)通電阻（約為3.5Ω）雙重?cái)?shù)字式4路模擬開(kāi)關(guān)。其單端供電電壓為1.8V到5V。工作速度也很迅速，ton＝18ns，toff＝7ns。在4路開(kāi)關(guān)的每一端外接一只上述提及的阻值不同的電阻，在需要時(shí)，通過(guò)數(shù)字量的控制，來(lái)決定開(kāi)啟哪一路開(kāi)關(guān)，從而為放大器配置不同的外接電阻，達(dá)到增益變化的目的。MAX4639的管腳圖如圖4所示，其引腳功能和真估表分別見(jiàn)表1和表2。

圖4 MAX4639引腳圖

圖5所示為程控放大環(huán)節(jié)的核心部分。通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)字電位器MAX4639的使能端EN，及數(shù)字量控制端A0、A1的控制，使其可以選擇四路之一的通路接通，而每一個(gè)通路均接有阻值不同的電阻，來(lái)作為集成放大器的外接電阻，以調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中應(yīng)用的傳感器的濕敏材料的阻止變化范圍很大，達(dá)到了105Ω，這就造成信號(hào)幅值會(huì)有相應(yīng)的變化范圍，所以程控放大器共有4種放大倍數(shù)可供選擇，加上對(duì)使能端EN是否有效的控制（使能端如果無(wú)效，相當(dāng)于斷路，進(jìn)而外接阻值無(wú)窮大，根據(jù)公式放大倍數(shù)為1），共有5種狀態(tài)，將增益的調(diào)整分為5個(gè)大的層次，相鄰的增益層次之間均相差10倍，去適應(yīng)不同的信號(hào)幅值。

表1 MAX4639引腳功能

表2 MAX4639真值表

集成放大器的輸出端電壓直接進(jìn)入交直流轉(zhuǎn)換裝置，選用高精度真有效值電壓轉(zhuǎn)換芯片——AD637。真有效值電壓轉(zhuǎn)換芯片，克服了以往交直流轉(zhuǎn)換器件受波形失真影響大的缺點(diǎn)，不論何種復(fù)雜的波形都可以穩(wěn)定、精確的輸出結(jié)果。器件所輸出的直流電壓除了進(jìn)入模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片以外，也將電壓值提供給一比較器件。本文中選用了比較經(jīng)典的電壓比較器集成塊——LM339。LM339內(nèi)含4個(gè)相同的電壓比較器，可以設(shè)置外部的參考電壓，利用其翻轉(zhuǎn)電壓小的特點(diǎn)，與輸入的電壓進(jìn)行高精度的比較，確定比較器輸出端的電平高低，以通知單片機(jī)輸入電壓的幅值是否符合模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的量程，并對(duì)模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2.4 程控放大環(huán)節(jié)工作流程

集成放大器、數(shù)字電位器、真有效值電壓轉(zhuǎn)換芯片和電壓比較器，配合單片機(jī)的控制，組成了程控放大環(huán)節(jié)。首先，不論電壓值是多少，單片機(jī)最初都使數(shù)字電位器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的使能端無(wú)效，放大器的放大倍數(shù)為1，并關(guān)閉模數(shù)轉(zhuǎn)換。這時(shí)，電壓保持不變的進(jìn)入A／D電路，輸出的直流信號(hào)與比較器的參考電壓進(jìn)行比較，如果電壓的幅值不符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程，則輸出的信號(hào)通知單片機(jī)開(kāi)啟數(shù)字電位器并增加放大倍數(shù)。被放大后的電壓再次與參考電壓比較，如果仍然不能達(dá)到所需范圍，則單片機(jī)控制數(shù)字電位器再次增加放大倍數(shù)，直到符合模數(shù)轉(zhuǎn)換的量程時(shí)，單片機(jī)此時(shí)會(huì)開(kāi)啟模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使能，將當(dāng)前幅值的電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，傳遞于單片機(jī)，處理后顯示于顯示器件之上。

圖5 程控放大環(huán)節(jié)

2.5 采集電路及顯示器件

本文所采用的模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊為8位8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片——MAX118采用28引腳封裝，具有轉(zhuǎn)換速度快、功耗低、精度高等特點(diǎn)。8列并行輸出，直接與單片機(jī)的P0口相連接。所采用的顯示器件為8位數(shù)碼管，簡(jiǎn)單直接。可顯示出當(dāng)前濕度的百分值。

3 軟件設(shè)計(jì)概述

3.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖

本次設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)匯編語(yǔ)言編程，簡(jiǎn)單直觀，易于仿真。其主要包括主程序、增益調(diào)整子程序、數(shù)據(jù)處理子程序和顯示子程序組成。主程序的流程圖在下面圖6給出。采用中斷0方式介入增益調(diào)整子程序。

圖6 主程序流程

3.2 程控增益調(diào)整子程序流程圖

增益調(diào)整子程序的框圖如圖7所示。初值設(shè)定主要是為MAX4639的A0、A1和EN設(shè)定0值。為了等待集成放大器、真有效值電壓芯片和比較器的工作，所以設(shè)置了延時(shí)程序，確保比較器的輸出是正確的、穩(wěn)定的。放大過(guò)程結(jié)束后，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄下當(dāng)前的放大倍數(shù)，以便之后處理數(shù)據(jù)時(shí)方便運(yùn)算。

圖7 程控增益調(diào)整子程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文所描述的是一套完整的濕度傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)，但核心部分是程控放大環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。文中程控放大環(huán)節(jié)的主要特點(diǎn)是能夠適應(yīng)寬范圍的增益變換，很好的與傳感器的大跨度輸出電壓值相匹配，使測(cè)量結(jié)果更加精確、有效。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，本系統(tǒng)能較為順暢的完成工作，系統(tǒng)功耗低，制作成本低廉，輸出準(zhǔn)確穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 鄭 杰，馬勝前.自適應(yīng)測(cè)量接口的研究和實(shí)現(xiàn)［J］.電測(cè)與儀表，2009（8）：71～75.

［2］ 王學(xué)飛，陳 毅，徐玉龍.程控放大器的實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009（15）：59～60.

［3］ 鄧學(xué)偉，孟 祥，姜永森.數(shù)字電位器及其在智能儀表中的應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，1999，26（4）：41～43.

［4］ Jader A，De Lima.A low－voltage wide－swing programmablegain current amplifier［J］.Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2004（41）：147～157.

［5］ Calvo B，Celma S，Sanz M T.Low－voltage low－power 100MHz programmable gain amplifier in 0.35μm COMS［J］.Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2006（48）：263～266.