一種實(shí)用測(cè)量放大器的電路設(shè)計(jì)★

劉倩倩

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000）

引言

系統(tǒng)中采用了單片機(jī)控制放大器放大倍數(shù)的方法，增加了裝置的實(shí)用性，而且可以提高系統(tǒng)的精度。同時(shí)應(yīng)用了由運(yùn)放組成的前級(jí)高共模輸入儀表差動(dòng)放大器，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景與差模信號(hào)進(jìn)行不同程度的放大，并且其放大倍數(shù)可以由單片機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)后級(jí)的數(shù)控衰減器，得到最終的輸出信號(hào)[1]。單片機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的控制，而且能使用算法對(duì)前級(jí)放大和后級(jí)衰減進(jìn)行精準(zhǔn)控制。這些設(shè)計(jì)充分結(jié)合了模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，大大增強(qiáng)了測(cè)量放大器的放大質(zhì)量與效率。

1 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

1.1 電源電路

本設(shè)計(jì)中電源電路由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓構(gòu)成。根據(jù)實(shí)際要求與計(jì)算，變壓部分選擇的是一次測(cè)電壓220 V、二次側(cè)電壓18 V的變壓器；穩(wěn)壓部分直接使用穩(wěn)壓芯片LM7815、LM7915及LM7805構(gòu)成，這三個(gè)穩(wěn)壓芯片輸出了電路中所需要的±15 V和+5 V的電壓，并在穩(wěn)壓前并聯(lián)了兩個(gè)50 V/4 700μF的電解電容進(jìn)行濾波；整流部分采用最經(jīng)典橋式整流電路，整流橋由4個(gè)1N4007二極管構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)化。

1.2 信號(hào)變換放大器

信號(hào)變換放大器的作用是將函數(shù)發(fā)生器單端輸入的正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號(hào)，并保證信號(hào)的不失真。設(shè)計(jì)方式為采用兩個(gè)高精度運(yùn)算放大器分別構(gòu)成一個(gè)兩倍的同相放大器和一倍的同相放大器。此裝置將單線輸人信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)反向運(yùn)算放大器，使輸入的正弦信號(hào)大小變?yōu)樵瓉?lái)的一半，同時(shí)改變方向，然后再接一個(gè)反向跟隨器，將負(fù)的正弦信號(hào)翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，這樣后一級(jí)的1/2倍電壓減去前一級(jí)的-1/2倍電壓就是完整的輸入信號(hào)。

1.3 高共模抑制儀表放大器

在許多情況下，想要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，可以直接采用運(yùn)算放大器，將其組成懸置電橋差動(dòng)放大電路就可以達(dá)到目的。這種電路的原理是利用一個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)從雙端到單端的轉(zhuǎn)變，再經(jīng)過(guò)比例放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。此電路簡(jiǎn)單方便，易于構(gòu)成，但是具有諸多缺點(diǎn)，由于電路中的輸入阻抗較低，放大器的性能就會(huì)受到限制，所以電路中的共模抑制比、失調(diào)電壓與電流等參數(shù)的精度無(wú)法提高到一定水平，而且針對(duì)放大器自身的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象以及產(chǎn)生的共模信號(hào)均無(wú)法避免，達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。故本設(shè)計(jì)采用更加實(shí)用高效的高共模抑制儀表放大器，見(jiàn)下頁(yè)圖1。此裝置由三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，首先由兩個(gè)運(yùn)放U1與U2使用同相輸入的接法組成第一級(jí)差分放大電路并且在電路中加入負(fù)反饋，然后再將第一級(jí)差分放大電路與第三個(gè)運(yùn)算放大器U3組成第二級(jí)差分放大器。將輸入電壓V1、V2分別接入第一級(jí)差分放大電路的同相端，根據(jù)運(yùn)算放大器輸入端具有虛短和虛斷的特點(diǎn)，流入放大器的電流為零，通過(guò)一定的計(jì)算就可以得到第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)。在第一級(jí)差分放大電路中，將反饋電阻用一個(gè)調(diào)節(jié)電位器替代可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的改變與控制。該電路元件較少，構(gòu)成簡(jiǎn)單，提高共模抑制比，有效抑制共模信號(hào)，最大限度的減少共模干擾。U1與U2兩個(gè)運(yùn)算放大器使用同一種型號(hào)，這樣做的好處是抵消電路中兩個(gè)運(yùn)放產(chǎn)生的共模增益與誤差，提高儀表放大器的精度。

1.4 程控增益放大器

程控增益放大器由單片機(jī)顯示模塊、前級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和后級(jí)放大電路三部分模塊電路構(gòu)成。前級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使用反饋控制D/A轉(zhuǎn)換集成芯片DAC0832，使輸出的電流量變?yōu)榇笮∨c方向時(shí)刻變化的模擬量，再經(jīng)過(guò)OP07運(yùn)算放大器將模擬信號(hào)放大處理并輸出，從而實(shí)現(xiàn)了小信號(hào)的放大。單片機(jī)模塊選用型號(hào)為AT89C52，使用數(shù)據(jù)處理與算法來(lái)改變與調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，并使用液晶屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

對(duì)于后級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地放大電路可以由三極管進(jìn)行拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以采用多級(jí)放大電路達(dá)到增加放大倍數(shù)的目的，在放大電路輸出端加入二極管，使用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓，從而調(diào)節(jié)放大電路以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益的調(diào)節(jié)。這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的功能，但是存在缺點(diǎn)，因?yàn)殡娐分写罅坎捎萌缛龢O管等元件，使電路變得復(fù)雜，不利于調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)。而且采用多級(jí)放大會(huì)降低電路的穩(wěn)定性，使電路中的誤差變大，使電路發(fā)生自激震蕩。

為了規(guī)避以上問(wèn)題，直接選擇具有可調(diào)增益功能的運(yùn)放ADC0832來(lái)實(shí)現(xiàn)放大功能[2]。其工作原理是將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放內(nèi)部的R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衰減，再將衰減后的信號(hào)經(jīng)過(guò)固定增益放大器進(jìn)行輸出。使用這種可調(diào)增益功能的集成運(yùn)放電路不僅工藝簡(jiǎn)單，而且精度高，同時(shí)將芯片連接單片機(jī)后，把復(fù)雜的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦颖阌诳刂频臄?shù)字化處理方式。

1.4.1 電流輸出型DAC原理

從基準(zhǔn)電壓VREF端看進(jìn)去，無(wú)論開(kāi)關(guān)在什么位置，R-2R網(wǎng)絡(luò)中的阻值都為恒定的R，流入電阻網(wǎng)絡(luò)的電流Ii=VREF/R，對(duì)于N位的DAC來(lái)說(shuō)，在每一路經(jīng)過(guò)的電流Ib=1/[2^（N-b+1）]Ii，N為DAC位數(shù)，b為該支路所對(duì)應(yīng)的位數(shù)。

電流型DAC輸出需要使用運(yùn)放將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。根據(jù)理想運(yùn)放模型的特性，（VREF/R）*[D/（2^N）]=-Vout/Rfb，Rfb通常集成在DAC內(nèi)部，保證精度和標(biāo)值，進(jìn)而得到Vout=-VREF[D（/2^N）]，D為DAC 輸入的數(shù)字量。

1.4.2 DAC程控運(yùn)放原理

根據(jù)上述DAC原理已經(jīng)知道了DAC輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系。將待放大的信號(hào)從VREF輸入，就可以構(gòu)成一個(gè)增益可調(diào)范圍為（2^N）/1到1的放大器，其增益可以表示為A=（1+Rx/R）*[D/（2^N）]，Rx為外接的反饋電阻。

若想實(shí)現(xiàn)增益大于1的程控增益放大器，需在前級(jí)或后級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大.假設(shè)放大2^x倍，則總的增益此時(shí)就構(gòu)成了能夠進(jìn)行程控放大的電路，并且滿足步距為1倍的調(diào)整。

1.4.3 單片機(jī)和系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

本方案采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)STC15W4K56S4作為核心控制器來(lái)控制信號(hào)放大、鍵盤(pán)操作與界面顯示功能。選用8位的R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的DAC0832作為程控衰減器。顯示屏為I2C總線通信方式的0.96吋OLED屏。所有集成運(yùn)放選擇超低輸入失調(diào)電壓，低噪聲，高增益的OP07運(yùn)放，可滿足設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中的測(cè)量放大器經(jīng)過(guò)多次選型、計(jì)算仿真與實(shí)踐使用，能夠很好地實(shí)現(xiàn)放大微弱信號(hào)的功能，而且其共模抑制比高，并且加入了單片機(jī)的線性控制，針對(duì)不同場(chǎng)景改變信號(hào)的放大倍數(shù)，可在工程實(shí)用中被廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，仍有一些不足的地方，比如波形的噪聲比較大等，還需要進(jìn)一步精進(jìn)改良。