电路图纸-多通道程控增益放大电路的实现.pdf

第 3 l 卷第 2 期 2 O 0 5年 3月 中国测试技术 C 蛐 A ME As l I I i E ME NT T E C HNOL OGY V0 l 3l N o 2 Ma r 2 0 晒 多通道程控增益放大 电路的实现 李瑞彬 曹继光 华中科技大学力学 系 湖北 武汉 4 3 0 0 7 3 摘要 本文介绍 了多通道程序增益放大电路 的实现方法 给出了具体电路 并介绍了程控增益放大电路 的软件设 计方法 关键词 多通道 程控增益 模拟开关 中图分类号 T N 7 2 1 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 4 9 8 4 2 0 0 5 0 2 0 0 5 3 0 3 I mp l e me n t a t i o n o f t he c i r c u i t wi t h mu l t i c h a n n e l a n d W o w a n mb l e g a i n U R u i b i n C A O J i g u a n g D e p a m n e n t o f M e c h a n i c s H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Wu h a n4 3 0 0 7 4 C h i n a T h i s I p e r i n t r o d u c e d t h e w a y t O i m p l e m e n t t h e c i r c u i t w i t h m u l t i c h a n n e l a n d q 蛐 嘲 b k g B i n p r e s e n t e d t h e s p e c i a l c i r c u i t T h e s o f t wa r e t O i mp l e me n t t h e c i r c u i t i s a l s o p r e s e n t e d 1 期 r I k M u l 血h 删 铷 la I l e g a i n A n a l o g s w i t c h l 引 言 在设计用于 自动化控制的仪器仪表 的时候 仪 器仪表常常需要对多个不同物理量进行采样测量 在采样频率许可的条件下 多个采样通道采用分时 工作的方式共用一个放大通道和模数转换器将是一 个比较理想的方案 但是 由于各被控物理量不同 各传感器输出的信号电压不同 各采样通道送到模 数转换器输入端的信号电压也各不相同 不能够采 用固定增益的放大电路 因为固定增益大将使得多 通道信号中的大信号进入非线性工作区 固定增益 小将使得多通道信号中的小信号放大不足 产生较 大的量化误差 同时在仪器仪表中所要测量的信号 其动态范围往往很宽 如在测量峰形信号的系统中 可能既有峰值很小的峰信号 又有峰值很大的峰信 号 若放大通道不能随输入信号动态范围变化 而 作出相应的增益调整 将会降低整个系统 的分辨率 由上述可知 放大通道必须增益程控可调 本文将 从单通道放大电路开始分析 导引出实现多通道程 控放大电路的方法和技巧 2 单通道放大电路 由单通道放大电路组成的采样电路的基本组成 如图 1 所示 整个 电路由放大电路 系统补偿 和滤 波电路 采样 保持电路 MD转换器和控制电路组 成 采样过程为 控制信号启动采样一保持器 待信 号稳定后 启动模数转换器将模拟信号转换为数字 收稿 日期 2 0 0 4 4 4 2 9 收娶 l 修改藕 日期 2 0 M 0 6 2 1 信号 放大电路负责将微弱的输入信号放大到模数 转换器的合适量程范围内 图 1 电路基本组成图 典型的单通道放大电路如图 2所示 这是一个 典型 的 直 流 差 动 输 入 低 通 滤 波 的 放 大 电路 I N A1 1 4 是一个仪用放大器 其具有高输入阻抗和差 动输入端严格对称 的特点 可以将传感器输入的微 弱信号进行采集和放大 同时对共模信号具有很好 的抑制作用 放大增益通过外接 电阻确定 增益公 式为 G 1 5 0 l R c O t 0 7是高精度运算放大器 围绕其组成 了一个二 阶有 源低通滤 波 电路 调节 W1 可以调节系统 的零漂 调节 W2可以对系统的增 益进行微调 整个 电路 的增 益公式为 G 一 1 5 0 l R 1 R 4 W2 R 2 R 3 其 中 R 2 R 3恒 等于 R 6 3 多通道程控增 益放大 电路 对于需要多个测量通道的场合 采样频率许可 的情况下 可以简单 的将多个单通道放大电路并联 在一起 通过模拟开关共用一个模块转换器 由控制 信号切换选择通道实现分时共用 如原理图 3 所示 这样的电路优点是每个通道有独立的放大增益 独 立的系统补偿和滤波 缺点是 电路复杂 如果采用 图 4 所示方法 多个通道共用一个放大和滤波电路 这个系统将变得简单许多 维普资讯 5 4 中国测试技术 2 0 0 5 年 3月 图 2 典型的单通道放大电路 l 信 号H 放 大 补 偿 和 滤 波I 模 傈持 r 1 D 拟 L 二 l 信 号 i 补 偿 和 滤 波 开 关 I I 信 号 l I i 补 偿 和 滤 波 1 I 图 3 原理 图 信号 模 拟 r 补 偿 和 滤 波 采 样 保 持 l D 信 号 开 L T T 关 i 榨相 I厂 l 信号 多通道共用一个放大电路 则放大电路 的增益 应该可以程控可调来适应不同的放大要求 同时系 统补偿和滤波应程控可调来满足不同通道的要求 图 2所示的放大电路的增益公式为 G 一 1 5 0 K R1 R 4 2 R2 R3 可以看出改变 R 1 可以改变放大电路的增益 改变 运算放大器 O P 0 7的反馈电阻 R 4 W2 也可以改变 放大电路的增益 如果通过程序控制选择 R 1 或者 R 4 W2 的大小就可 以实现放大电路增益的改变 同理得知程控选择调零部分 的 W1 可以实现程控 调零 程控选择二界滤波 R C网络的 R可以调整截 至频率 本文不作详细描述 下面给出基于以上原 理的实现程控增益的 3 种基本方案 1 由集成运放 与多路开关组成 如通过模拟开关选择仪用放大器 的增益电阻的大小 或者选择 比较放大电路的反馈 电阻 2 由集成运放与 D A转换器组成 其原理 是利用 D A转换器内部 的 R 一 2 R电阻网络构成运放 的输入和反馈电阻 3 采用单片集成 P G A 其内部 主要逻辑与锁存电路 增益电阻网络 C M O S模拟开 关和运算放大器组成 图 5 所示为一个由程控增益放大器组成的程控 增益放大电路 整个电路增益程控可调 程控硬件调 零 P G A 2 0 4和 P G A 2 0 5是两个程控增益仪用放大 图 4 器 增益的选择靠 A 逻辑电平完成 其逻辑 电 平与增益的关系如表 1 表 1 逻辑电平与增益的关系 两个 P G A串连构成增益从 1 变到 8 0 0 0的放大 器 共 1 6级可调 D A C 7 6 2 4是 1 2位 四通道电压输 出型模数转换器 输 出电压与输入数据 的关系为 V o I r r VR F 兀 V R F F H V R E F L N 4 0 9 6 其 中 V R F 兀 V 分别为最小输出电压和最大输 出电压的参考 电压 N为输入的二进制数据 D A C的输出同传感 器的输入信号比较来消除系统的零漂 滤波电路的 截至频率不可调 如果需要对滤波器的截至频率进 行控制 可 以采用近似的方法对两节 R C网络的 R 进行控制以达到调节截至频率 的目的 也可以采用 可编程 的单片集成 的开关 电容滤波器 s c v 来实 现 模拟开关的断开时间为 T 0 盯 导通时间为 r 0 N 程控增益放大器的建立时间为 T s 滤波电路的建立 维普资讯 第 3 1 卷第 2 期 李瑞彬等 多通道程控增益放大 电路 的实现 5 5 DAC7 6 2 4 图 5 程控增益放大 电路 时间为 T m D A转换器的建立时间为 T A D转换 器的转换时间为 T 通道数 目为 N 整个电路总的 转换时间为 M A X T 0 N T 0 F F T s T D T 通道 的最 大采样频率 为 1 N M A X T s T D T D 可以看出多通道会导 致采样频率降低 4 软件设计 由于电路是多通道采样且增益程控调节 在不 同的采样通道和增益下电路的零点将会不同 解决 的方法是对各采样通道在不同增益下的零漂进行采 样量化 根据其量化值 控制 D A的输 出使得系统 输出为零 如果 D A转换器的精度低于 A D转换器 的精度 D A量化误差引起的零点误差将会降低系 统的精度 因此要对 D A量化误差进行记 录 在测 量值中扣除该值从而得到真实值 系统工作之前 首先测量各通道在不同增益下的零漂 根据零漂决 定对应的 D A转换器输出 由于 D A转换器量化误 差的存在 对系统输 出再做一次测量 整个结果参 看表 2 表 2 当对各通道信号进行测量时 采用查表的方式 调出的相应数据控制 D A转换器的输 出 同时对测 量值进行修正 减去 D A量化误差得到真实值 整 个系统的精度为 A D转换的精度 系统在进行测量的时候 需要小心改变增益 保 证放大电路 的输 出不超过 D的输入量程 实现 方法常有以下几种 1 从最高档或最低档增益开始 根据测到值是 超量程 饱和 或不足半量程 由程序 自动逐档降低 或提高增益 直至测得值超过半量程又不饱和 这时 所用的增益就是这次测量值所用的最后增益 2 与上一方法相同 但不是从最高或最低档增 益开始试测 而是从某一中间档增益开始试测 向上 或向下逐档递增或递减 直到找到合适的增益 3 先用系统最低档增益试测出实际值 然后根据 该值实际的大小 由程序一次选定最后测试用增益 4 以数据用上述三