程控增益放大器的研究

1、摘 要 本文設(shè)計(jì)是程控增益放大器。說(shuō)明了程控增益放大器的結(jié)構(gòu)和功能及其主要的特點(diǎn)。最后舉出了實(shí)用電路。本系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，數(shù)控增益放大器等構(gòu)成了實(shí)用性較強(qiáng)的硬件電路。放大器是應(yīng)用最廣泛的一類電子線路。它的功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真地放大。在廣播，通信，自動(dòng)控制，電子測(cè)量等各種電子設(shè)備中，放大器是必不可少的組成部分。在各類電子儀器和設(shè)備所采用的電子線路中，集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用最普遍的模擬電子器件。集成運(yùn)放配上不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和采用不同的反饋方式，就可以構(gòu)成功能和特性完全不同的各種集成運(yùn)放電子電路，簡(jiǎn)稱運(yùn)放電路。這些運(yùn)放電路是各種電子電路中的最基本的組成環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)能夠

2、實(shí)現(xiàn)增益由程序控制，能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量準(zhǔn)確，工作可靠，性能價(jià)格比較高。 關(guān)鍵詞：放大器，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，MCS-51單片機(jī) 目錄前言第一章 MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展11 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12 MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展第二章 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介第三章 數(shù)控增益放大器的基本原理第四章 測(cè)量放大器41 測(cè)量放大器的原理42 測(cè)量放大器的選擇43 測(cè)量放大器在數(shù)控增益放大器中的應(yīng)用第五章 數(shù)控增益放大器實(shí)例51 PFA100多路輸入數(shù)控增益運(yùn)算放大器52 AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器 53 程序示例結(jié)束語(yǔ)致謝參考文獻(xiàn)前 言隨著近代超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器及其外圍芯片

3、有了迅速的發(fā)展。集成技術(shù)的最新進(jìn)展之一是將cpu和外圍芯片。和程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行，串行I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷控制器及其他控制部件集成在一個(gè)芯片中，制成單片計(jì)算計(jì)。而近年來(lái)推出的一些文檔單片機(jī)還包含有許多特殊功能單元。如A/D,D/A轉(zhuǎn)換器，調(diào)制解調(diào)器，通信控制器，鎖相環(huán)，DMA浮點(diǎn)運(yùn)算單元。因此，只要外加一些擴(kuò)展電路及必要的通道接口，就可以構(gòu)成各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。如：工業(yè)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等。在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的輸入通道中，如果輸入為多點(diǎn)巡回檢測(cè)系統(tǒng)，多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，輸入通道為多輸入結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)中只有一個(gè)單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)只能分時(shí)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采樣。無(wú)論是多點(diǎn)測(cè)

4、量系統(tǒng)，還是多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，各路傳感器輸出的信號(hào)電平都會(huì)有較大的差異，一般在A/D變換前都要經(jīng)過(guò)放大，然后，通過(guò)A/D變換后送入單片機(jī)數(shù)據(jù)總線。為了滿足多路分時(shí)多路分時(shí)傳送，輸入通道中必須配置多路開(kāi)關(guān)。多路開(kāi)關(guān)的選擇由單片機(jī)控制，而多路開(kāi)關(guān)在通道中的插入位置應(yīng)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)狀況而定。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)電壓微弱時(shí)應(yīng)先進(jìn)行放大，再接入多路開(kāi)關(guān)。如果傳感器輸出信號(hào)電壓較大，應(yīng)先接多路開(kāi)關(guān)再進(jìn)行放大。如果傳感器輸入信號(hào)電平差異較大時(shí)，放大器應(yīng)選用數(shù)控增益放大器，以滿足不同模擬輸入通道的不同增益要求。 因此，數(shù)控增益放大器是根據(jù)多輸入通道系統(tǒng)中的不同模擬輸入的不同增益要求而設(shè)置而設(shè)置，它具有應(yīng)用靈活，

5、使用經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。下面舉出了一個(gè)程控增益放大器實(shí)現(xiàn)框圖。51單片機(jī)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)量放大器 圖1 程控增益放大器實(shí)現(xiàn)框圖 程控增益放大器是以放大器為基礎(chǔ)通過(guò)單片機(jī)，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和電阻 網(wǎng)絡(luò)等一起構(gòu)成的。如圖中所示，單片機(jī)對(duì)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，而多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)又經(jīng)過(guò)與測(cè)量放大器相連，并通過(guò)控制精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)，使精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)量放大器，最終實(shí)現(xiàn)程控增益放大器。如已知信號(hào)源所需放大倍數(shù)，并把這些放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)數(shù)字量存入ROM中，當(dāng)需要輸入某信號(hào)時(shí)，則單片機(jī)將該對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)從ROM中取出，經(jīng)過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)等，使放大器按這個(gè)放大倍數(shù)輸出，既完成

6、了程控增益。 下面以可編程增益放大器MCP6S2X為例。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（其它類似）如圖所示。由圖可見(jiàn)，芯片內(nèi)部由一些簡(jiǎn)單的功能模塊構(gòu)成，可共同完成多路選擇、可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)等功能。具有多路選擇輸入（）模塊，共有八路輸入，可由軟件設(shè)置通道選擇。不用的輸入引腳應(yīng)懸空，以使輸入電流最小。當(dāng)然，接或時(shí)，芯片也能正常工作但輸入電流會(huì)變大。內(nèi)部運(yùn)放部分主要由運(yùn)放、增益轉(zhuǎn)換器、梯形電阻()等組成，可完成信號(hào)的放大和帶寬選擇，提高輸出電壓的精確度。邏輯控制部分主要提供片選信號(hào)、同步時(shí)鐘、串行輸入輸出、上電復(fù)位、控制指令和數(shù)據(jù)讀寫以完成通路選擇和增益控制等功能。上電復(fù)位電路（ ）的功能是：當(dāng)電源電壓低于的限定電壓

7、時(shí)使內(nèi)部電路復(fù)位所有的內(nèi)部寄存器，并使芯片運(yùn)行在關(guān)機(jī)模式下。當(dāng)大于時(shí)，又使芯片恢復(fù)正常。另外，用、還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的連接，其連接形式為串行接口方式。多片連接時(shí)，前一個(gè)芯片的引腳應(yīng)連到后一個(gè)芯片的引腳，依此類推，它們可共用和引腳 在前述的基礎(chǔ)上本文將集中介紹：MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)原理及其應(yīng)用，數(shù)控增益放大器的原理及其應(yīng)用的情況，并著重以AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器為重點(diǎn)典型來(lái)研究。第一章 MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展一 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品為8051，8751，8031。8051是ROM型單片機(jī)，內(nèi)部有4k字節(jié)工廠掩膜編程的

8、Rom程序存儲(chǔ)器；8751是EPROM型單片機(jī)，內(nèi)部4k字節(jié)用戶可編程的EPROM程序存儲(chǔ)器；8031是無(wú)ROM程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，它必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。除此之外，8051，8751和8031的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是完全相同的，都具有硬件資源。 .面向控制的8位CPU.128個(gè)字節(jié)內(nèi)部ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.32位雙向輸入輸出線.一個(gè)雙工的異步串行口.兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí).時(shí)鐘發(fā)生器.可以尋址64k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MCS-51的系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如1-1所示；管腳圖見(jiàn)1-2.Vss接地端 .Vcc電源端.RST/P0復(fù)位端 .EA 8031中接

9、低電平.XTAL1振蕩器輸入 .XTAL2振蕩器輸入.ALE/PROG鎖存器信號(hào)出現(xiàn)在P0地址信號(hào), .PSEN用來(lái)信號(hào)選通ROM(外部) .P0P3為四個(gè)I/O口圖11MCS-51結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖12 8051引腳圖1.2 MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展 MCS-51單片機(jī)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，可以擴(kuò)展64k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或輸入輸出口及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更靈活，對(duì)用戶的要求的適應(yīng)性也更強(qiáng) MCS-51的P0口和P2口可以直接作為輸入輸出口使用，也可以作為擴(kuò)展總線口使用，MCS-51系列單片機(jī)主要是通過(guò)P0口和P2口進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的。 由于本系統(tǒng)需要4k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器,而8031是

10、內(nèi)部無(wú)ROM型的單片機(jī)。所以必須擴(kuò)展一個(gè)4k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器。理論上，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，EPROM,EEROM,RAM等都可以用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。但由于EPROM 價(jià)格低廉，性能可靠，所以用得比較普遍。所以本系統(tǒng)選用4k字節(jié)的EPROM 2732，引腳排列如下：其中：A0 A11：地址輸入線 O0 O7 ：三態(tài)數(shù)據(jù)輸入線讀或編程校驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線，維持或禁止時(shí)呈高阻狀態(tài) CE：選片信號(hào)輸入線有效 PGM：編程脈沖輸入線（與合用一腳） OE ：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效 Vpp：編程電源線，值因芯片型號(hào)和制造廠商有關(guān)2732主要技術(shù)指標(biāo)如下： 容量：4k 引腳數(shù)：24

11、讀出時(shí)間：29ns 最大工作電流：100mA 最大維持電流：35mAEPROM的主要操作方式有：.編程方式：把程序代碼（機(jī)器指令，常數(shù)）固化到EPROM中.編程校驗(yàn)方式：讀出EPROM中的內(nèi)容，校驗(yàn)編程操作的正確性.讀出方式：CPU從EPROM中讀取指令或常數(shù).維持方式：數(shù)據(jù)端呈高阻耗電少.編程禁止方式：適用與多片EPROM并行編程不同數(shù)據(jù) 表11列出了2732EPROM的操作方式（其中VIL既TTL低電平，VIH既TTL高電平, App.編程電源其電壓因型號(hào)和廠家而異） 表11 2732A操作方式 引腳 方式CE(IP)OE/ VPPVCCO0 O7讀VILVILVCC數(shù)據(jù)輸出編程校驗(yàn)VIL

12、VILVCC數(shù)據(jù)輸出維持VIH任意VCC高 阻編程VILVILVCC數(shù)據(jù)輸入編程禁止VIHVPPVCC高 阻禁止輸出VILVIHVCC高 阻程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法 圖14給出了 MCS51與外部程序存儲(chǔ)器的一種接口邏輯.圖中采用帶三態(tài)門的8D鎖存器74LS373(見(jiàn)圖15)作為地址鎖存器74LS373的E三態(tài)門輸出允許控制輸入端,低電平有效.G為鎖存信號(hào)輸入端,高電平使74LS373接數(shù),電平負(fù)跳時(shí)將D0D7狀態(tài)鎖存起來(lái).表12是74LS373的狀態(tài)功能表圖14 MCS51與外部程序存儲(chǔ)器的一種接口邏輯圖15 8D鎖存器74LS373引腳圖表12 74L373功能表EG功能01直通00保持(Q1

13、保持不變)1X輸出高阻圖14中,將74LS373的E 接地, G接MCS51的ALE信號(hào)74LS373的數(shù)據(jù)輸入端D0D7接MCS51的P0口,74LS373的數(shù)據(jù)輸出端Q0Q7接到外部程序存儲(chǔ)器的低位地址端.這樣,當(dāng)ALE高電平時(shí)74LS373直通,使P0口輸出的低8位地址和P2口輸出的高8位地址同時(shí)到達(dá)外部程序存儲(chǔ)器的地址線而當(dāng)ALE為低電平時(shí), P0口低8位地址被74LS373鎖存保持,使外部程序存儲(chǔ)器的低8位地址信息維持不變, P0口讀到可靠的信息.外部程序存儲(chǔ)器一般采用單片機(jī)電路,其片選端接地.圖16是一個(gè)用EPROM2732擴(kuò)展4k字節(jié)的程控存儲(chǔ)器的8031系統(tǒng),這也是8031較典

14、型的基本系統(tǒng).圖16 擴(kuò)展410字節(jié)EPROM的8031系統(tǒng)圖中2732的地址范圍為F000H-FFFFH第二章 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的輸入通道中，當(dāng)有多個(gè)模擬輸入信號(hào)需要檢測(cè)時(shí)，為了節(jié)省硬件成本，常常利用多路開(kāi)關(guān)將各個(gè)輸入信號(hào)依次接到公共的放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)輸入信號(hào)輪流檢測(cè)。多路開(kāi)關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。為了提供參數(shù)的測(cè)量精度，要求多路開(kāi)關(guān)接通時(shí)電阻盡可能的小，斷開(kāi)時(shí)電阻盡可能的大，理想的多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，開(kāi)路電阻應(yīng)為無(wú)窮大。此外還要求切換速度快，噪聲小，壽命長(zhǎng)和工作可靠，控制方便。常用的單片多路模擬開(kāi)關(guān)器件有CD4051(8×1),C

15、D4052(4×2),CD4053(3×2),它們都是CMOS電路，能適合一般的場(chǎng)合。下面以CD4051為列簡(jiǎn)單介紹多路開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)原理。圖21給出的結(jié)構(gòu)框圖，它由邏輯電平轉(zhuǎn)換器，通路譯碼器，模擬開(kāi)關(guān)組成。引腳A,B,C為通路選擇控制端，經(jīng)內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換和38線譯碼器輸出8位控制線分別控制模擬開(kāi)關(guān)07的導(dǎo)通和斷開(kāi)；當(dāng)禁止輸入端INH為高電平時(shí)，譯碼器輸出均無(wú)效，使開(kāi)關(guān)07都斷開(kāi)，當(dāng)INH為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)與A,B,C的二進(jìn)制信號(hào)譯碼器輸出線中有一位有效，使一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，其余都斷開(kāi)，其真值表如表21所示。表21CD4051開(kāi)關(guān)切換真值表INHCBA導(dǎo)通通路00000000110

16、010200113010040101501106011171xxx無(wú)邏輯電平轉(zhuǎn)換通路譯碼器模擬開(kāi)關(guān)0模擬開(kāi)關(guān)7圖21 8路單端模擬開(kāi)關(guān)CD4051結(jié)構(gòu)框圖VDD為正電源輸入端，VEE為負(fù)電源輸入端，VSS為數(shù)字地。當(dāng)VDD-VEE=15v時(shí)，輸入的模擬信號(hào)范圍（峰峰值）為15v時(shí)，其導(dǎo)通電阻為80歐；VDD-VEE=10v時(shí)，其斷開(kāi)時(shí)漏電流為±10pA,靜態(tài)功耗為1w。 下面將簡(jiǎn)單介紹一下AD7506(16×1)及具有雙刀功能的CD4052(4×2),CD4053(3×2)(三刀功能)的引腳及結(jié)構(gòu)圖如22，23所示。圖22 AD7506引腳圖TTLCMO

17、S電平轉(zhuǎn)換電路譯碼器/驅(qū)動(dòng)器圖23 AD7506結(jié)構(gòu)示意圖十六路開(kāi)關(guān)由四位地址A3A0編碼, S1S16依次為00001111，當(dāng)EV端低電平時(shí)十六路開(kāi)關(guān)全部不通圖24 CD4052引腳圖圖25 CD4053引腳圖表22 CD4052開(kāi)關(guān)切換真值表輸入狀態(tài)接通通道INHBA0000x0y0011x1y0102x2y0113x3y100xx表23 CD4053開(kāi)關(guān)切換真值表輸入狀態(tài)接通通道INHCBA0000cxbxax0001cxbxay0010cxbyax0011cxbxay0100cybxay0101cybxay0110cybyax0111cybyay1xxxxxx上述多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)適用與采

18、樣頻率較高的控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是快速，是有較大的導(dǎo)通電阻（70400歐）。第三章 數(shù)控增益放大器的基本原理 在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，多個(gè)信號(hào)源來(lái)的信號(hào)，在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換前，如果信號(hào)幅值相差懸殊，則需設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控增益放大器。當(dāng)單片機(jī)控制多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的同時(shí)，控制它的閉環(huán)增益，以使各路信號(hào)的幅度均與A/D轉(zhuǎn)換器量程相匹配。見(jiàn)圖31單片機(jī)A/D可編程增益放大器傳感器多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)傳感器增益選擇控制多路選擇控制 圖31單路可編程放大原理圖因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中各路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍已知，故可預(yù)見(jiàn)算出各信號(hào)源所需放大倍數(shù)并把這些放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)數(shù)字量3入ROM中當(dāng)計(jì)算機(jī)需要輸入某路信號(hào)時(shí)，則CPU就將該路

19、對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)從ROM中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入數(shù)控增益放大器，這時(shí) 放大器就按這個(gè)放大倍數(shù)放大，既用程序來(lái)控制放大器的放大倍數(shù)，以適應(yīng)任一信號(hào)源的增益要求。實(shí)用數(shù)控增益放大器是以某些測(cè)量放大器為基礎(chǔ)構(gòu)成的放大器的增益調(diào)節(jié)，是靠程控多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接的增益調(diào)節(jié)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。見(jiàn)圖32由于測(cè)量放大器是數(shù)控增益放大器的基礎(chǔ)，因此，我們?cè)诹私鈹?shù)控增益放大器以前，先對(duì)測(cè)量放大器有一個(gè)較為明確的認(rèn)識(shí)，所以我們?cè)谙乱徽聦⒃敿?xì)介紹一下測(cè)量放大器。+2v測(cè)量放大器-2v精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)51片機(jī)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)圖32數(shù)控增益放大器原理框圖第四章 測(cè)量放大器在實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，因被控對(duì)象和使用的檢測(cè)器件不同，有些

20、傳感器輸出的電壓（或電流）信號(hào)（或稍經(jīng)修整）能與A/D轉(zhuǎn)換器匹配，有些輸出雖已經(jīng)是數(shù)字式（如脈沖式流量記，各種類型的編碼盤和同步感應(yīng)器等）的，但大多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)很微弱；需要放大才能與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配；另外，傳感器往往是高輸出阻抗且輸出不平衡，易受各種干擾，共模電壓高傳輸距離遠(yuǎn)，工作溫度變化大，環(huán)境惡劣等等，這就需要使用對(duì)傳感器輸出進(jìn)行精密放大并放有較高共模抑制比的測(cè)量放大器。 41測(cè)量放大器的原理 測(cè)量放大器也稱數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器。一般運(yùn)算放大器用作測(cè)量放大器，性能往往顯得不夠。測(cè)量放大器由一組運(yùn)算放大器組成，最典型的結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。 圖中：A1和A2構(gòu)成高輸入阻抗的第

21、一級(jí)，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端Vi1和Vi2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器（A1和A2）同相輸入端，故輸入阻抗高。A3為將差分輸出變?yōu)閱味溯敵鲂盘?hào)的第二級(jí)負(fù)載在V0與基準(zhǔn)之間，檢測(cè)點(diǎn)與V0端通常在外部相連（也有一些測(cè)量放大器已在內(nèi)部連好）且參考電位取地電位，測(cè)量放大器的放大倍數(shù)A為:A=V0/(Vi1Vi2)=R3/R2(1+R1/Rg+R1/Rf) 當(dāng)R1= R1時(shí)放大器倍數(shù)A為: A= R3/R2(1+2R1/Rg) 式中Rg是用與調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，R3/R2= R3/ R2通過(guò)調(diào)節(jié)Rg,可方便獲得各種需要的放大倍數(shù)，十分靈活。整個(gè)電路的共模抑制比為 CMRR=AC3,C3為運(yùn)算放大器A3的共模

22、抑制比,該式說(shuō)明，在A1和A2完全對(duì)稱且共模抑制比極大的理想情況下，整個(gè)共模抑制比只和整個(gè)電路的增益A和A3的共膜抑制比C3的乘積有關(guān)，因此A3應(yīng)選用共模抑制比高的運(yùn)算放大器。測(cè)量放大器的參數(shù)及其意義：Vos : 輸入偏移電壓dVos/dT :輸入偏移電壓的溫漂Ios : 輸入偏移電流dIos/dT : 輸入偏移電流的溫漂Sr : 轉(zhuǎn)移速率Vn : 輸入干擾電壓AV0 : 開(kāi)環(huán)增益KCMR : 共模抑制比Av ：放大器增益fm :-3db帶寬f(Av) : 增益的非線性度Ricm : 共模輸入阻抗圖41 典型的測(cè)量放大器結(jié)構(gòu)42測(cè)量放大器的選擇 前面我們主要介紹了三運(yùn)放測(cè)量放大器的基本原理，而

23、在實(shí)際應(yīng)用中并不一定全部用三運(yùn)放測(cè)量放大器，選用那種放大器要根據(jù)具體的任務(wù)，具體的情況，實(shí)用性，經(jīng)濟(jì)性等多方面因素來(lái)考慮，這就涉及到測(cè)量放大器的選擇問(wèn)題了。為了提高精度，一般要將信號(hào)的最大幅度放大至系統(tǒng)的最大滿度電壓（通常VFs=5v或10v）。通常，測(cè)量放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)有兩類；高電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常為可編程增益1，2，4，8等擋；低電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常為可編程增益1，10，100，500等擋. 選擇那一類測(cè)量放大器要根據(jù)任務(wù)需要來(lái)確定,對(duì)共模抑制比要求不變時(shí)可用單運(yùn)算放大器如:AD521,AD524等它們的KCMR為80110dB左右。 當(dāng)分辨要求很高時(shí),往往希望放大器誤差遠(yuǎn)小于系統(tǒng)分辨率誤

24、差,這時(shí)相應(yīng)的要有很高的開(kāi)環(huán)增益,單運(yùn)放是達(dá)不到的,應(yīng)選用三運(yùn)放等類型的測(cè)量放大器如AD522A,AD522B等;例如;某系統(tǒng)需有130位的分辨率,相當(dāng)于0.012% VFs。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用放大器的誤差小于0.006%。如果閉環(huán)增益需要200倍,則可折算出放大器的開(kāi)環(huán)增益為4×1000000.這只有三運(yùn)放測(cè)量放大器才能實(shí)現(xiàn)。 自動(dòng)穩(wěn)零放大器CAZ是低零溫漂移放大器。它的dVos/dT=0.01,但開(kāi)環(huán)增益KCMR=100dB,故只適用于010HZ帶寬的信號(hào)的低漂移放大。 高性能測(cè)量放大器應(yīng)用于要求高的場(chǎng)合,其性能增益為1000000;閉環(huán)差橫增益為1000時(shí), KCMR=1000000

25、,參考型號(hào)為L(zhǎng)N0038;AD624等;隔離放大用于信號(hào)源與處理系統(tǒng)之間有非常高的共模干擾,而且必須電隔離的場(chǎng)合。43測(cè)量放大器在數(shù)控增益放大器中的應(yīng)用 在第三章我們提到測(cè)量放大器是數(shù)控增益放大器的基礎(chǔ)，現(xiàn)以三運(yùn)放測(cè)量放大器為例介紹一下測(cè)量放大器在數(shù)控增益放大器的應(yīng)用情況，見(jiàn)圖42：圖42以三運(yùn)放測(cè)量放大器為基礎(chǔ)的數(shù)控增益放大器電路圖中R00R07通過(guò)多路開(kāi)關(guān)和R1相連，它們分別等效于圖41中的RG,它們的阻值可以根據(jù)不同放大倍數(shù)的要求按公式A=1+2R1/R0，計(jì)算得到，圖中51單片機(jī)的P1.0P1.2輸出到多路開(kāi)關(guān)CD4051的A,B,C通路選擇控制端，由程序控制選通R00R07中那一個(gè)電

26、阻和R1接通，從而實(shí)現(xiàn)由程序控制放大器的放大倍數(shù)。與圖41相比，圖42在圖41的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電壓跟隨器A4,這是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中A1，A2不可能完全對(duì)稱，電阻也存在誤差，這就使電路的實(shí)際共模抑制比比理想值小，而加入A4后，A4的輸入取自A點(diǎn)共模電壓Vcm, A4的輸出近似于Vcm，并作為A1，A2的電源地端，以使A1，A2的電源電壓浮動(dòng)與Vcm相同，從而大大削弱共模干擾的影響。實(shí)踐證明和圖41相比，共模抑制比可提供2040dB。第五章 數(shù)控增益放大器實(shí)例在多通道或多參數(shù)的輸入通道中，多個(gè)通道或多個(gè)參數(shù)共有一個(gè)測(cè)量放大器，各通道或各參數(shù)送入測(cè)量放大器的信號(hào)電平不同，但都要放大至A/D變換器輸

27、入要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此對(duì)應(yīng)于各個(gè)通道或各個(gè)參數(shù)不同，測(cè)量放大器的增益亦應(yīng)不同。在輸入通道中各信號(hào)及參數(shù)通道的輸入選擇是由計(jì)算機(jī)編程控制的。因此，測(cè)量放大器也必須能由編程控制相應(yīng)的增益選擇。根據(jù)前面幾個(gè)章節(jié)的介紹我們已經(jīng)能夠運(yùn)用分立的運(yùn)算放大器湖測(cè)量放大器，增益調(diào)節(jié)電阻，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)制成各種數(shù)控增益放大器。但目前已經(jīng)推出了許多型號(hào)的數(shù)控增益放大器芯片可提供用戶選擇，與用分立元件構(gòu)成的數(shù)據(jù)增益放大器相比，集成數(shù)控增益放大器具有體積小，性能優(yōu)異，成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在一般情況下，采用分立元件來(lái)構(gòu)成數(shù)控增益放大器已無(wú)多大必要。因此，本章的重點(diǎn)就是介紹兩種較具代表性的數(shù)控增益放大器芯片及其與單片機(jī)硬件連

28、接的情況。51 PGA100多路輸入數(shù)控增益運(yùn)算放大器PGA100是BB公司推出的8級(jí)二進(jìn)制可編程增益控制運(yùn)算放大器。PGA100將多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與數(shù)字程控增益控制功能集成在一個(gè)芯片中，對(duì)于小信號(hào)多路采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特別適用。PGA100的主要特性增益精度高，小于±0。002%非線性，小于±0。005%穩(wěn)定時(shí)間短，穩(wěn)定至終值0。01%為5s通道串?dāng)_為 ±0。003%有8個(gè)二進(jìn)制增益 ×1，×2，×4，×8，×16，×32，×64，×128A0A5用來(lái)選擇增益和模擬輸入通道，其選擇如下圖51為

29、PGA100引腳圖A5A4A3增益A2A1A0通道0 0 010 0 0IN00 0 120 0 1IN10 1 040 1 0IN20 1 180 1 1IN31 0 0161 0 0IN41 0 1321 0 1IN51 1 0641 1 0IN61 1 11281 1 1IN7通道選擇的數(shù)字輸入在時(shí)鐘的上升沿鎖存，所用的片內(nèi)鎖存器相當(dāng)于74LS378圖51 PGA100引教圖為了充分發(fā)揮PGA100的性能，模擬和數(shù)字電源應(yīng)正確連接，如圖52示，電源應(yīng)用1F電容去耦VOUT=+G,63，12，13，1619為數(shù)字輸入：14，2124為附加輸入通道圖52 電源，地，和信號(hào)的接法圖53 PGA

30、100數(shù)控增益運(yùn)算放大器硬件連接圖5.2 AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器 AD612/614是美國(guó)AO公司生產(chǎn)的數(shù)控增益測(cè)量放大器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖54所示。圖54 AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器測(cè)量放大器為典型的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。三運(yùn)放結(jié)構(gòu)中給出了“輸入保護(hù)”端15，用戶可用它來(lái)構(gòu)成輸入保護(hù)電路。由于測(cè)量放大器的兩個(gè)輸入不可能得到完全一樣的共膜電壓而使測(cè)量放大器的輸出有共膜誤差電壓，而且這種情況隨共膜電壓頻率增高而加劇。如果采用保護(hù)技術(shù)，使傳輸線的屏蔽層不接地，而改為跟蹤共膜電壓相對(duì)應(yīng)的電位，這樣就可消除共膜電壓誤差。圖中保護(hù)電位取位取自A1,A2輸出端的中點(diǎn)，與15端相連，由15端接一

31、跟隨器去驅(qū)動(dòng)輸入電纜，可屏蔽輸入共膜電壓，提高共膜抑制比，降低輸入噪聲。片內(nèi)的精密電阻網(wǎng)絡(luò)使其增益可控。AD612/614的增益控制有兩種方式，一種是數(shù)控增益，一種是外接電阻可調(diào)增益。 數(shù)控增益為二進(jìn)制增益狀態(tài)選擇，是利用精密電阻網(wǎng)絡(luò)獲得的。當(dāng)精密電阻網(wǎng)絡(luò)引出端310分別與1端相連時(shí)，接二進(jìn)制關(guān)系建立在增益，增益范圍從2的1次冪2的8次冪，要求增益為2的9次冪時(shí)，10，11端與1端相連，要求增益為2的10次冪時(shí)；10，11，12端均與1相連，當(dāng)電阻網(wǎng)絡(luò)引出端312均不與1相連時(shí)，增益為1。因此，只要在1端和212端之間加一多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就可方便地進(jìn)行增益數(shù)控。外接電阻RG也可以調(diào)節(jié)增益大小，其方

32、法是在1端和2端之間外接增益電阻RG,其增益為：Af=1+80千歐/RG為保證增益精度，可利用RG和精密電阻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的方法來(lái)減少RG對(duì)增益精度和漂移的影響。如圖54中所示。因?yàn)檫@時(shí)流過(guò)RG的電流是總電流的一小部分外接電阻RG的影響減少R內(nèi)/R內(nèi)+R外AD612/614為24腳雙列直插封裝結(jié)構(gòu)如圖55所示圖55 AD612/614引腳圖AD612/614芯片在片內(nèi)控制系統(tǒng)中的硬件連接圖見(jiàn)下頁(yè)。圖中×2的9次冪，×2的10次冪檔位分別用CD4052(4×2)和CD4053(3×2)來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD612/614 硬件連接圖53 程序示例 在實(shí)際應(yīng)用中，片機(jī)控制程

33、序具體情況不同而不同但，其流程圖大都與56基本相同。開(kāi)始取出增益量片選操作返回重新發(fā)送是否發(fā)送完畢執(zhí)行其它程序發(fā)送增益量NY圖56數(shù)控增益放大器程序控制流程圖下面是一個(gè)實(shí)際程控的例子：程序示例：某片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，選用的是AD612數(shù)控增益放大器，該系統(tǒng)有8路模擬輸入，每路的增益量已經(jīng)固化到EPROM中(F000HF006H)，對(duì)應(yīng)增益檔位為×2，×4，×8，×16，×32，×64，×512，×1024其程序清單如下ORG 0000H0000 75 8100 MAIN: MOV SP,#79H0003 7E 00 MO

34、V R0,#00H0005 7F 06 MOV R7,#06H0007 90 F000 MOV DPTR,#F000H000A 75 AOCF MOV P2,#CFH000D E0 LOOP1:MOVX A,DPTR000E 75 90 MOV P1,A0010 A3 INC DPTR0011 1F DEC R70012 OE INC R60013 02 2000 LJMP LOOPZ0016 BF 0005 LOOP2:CJNE R7,#00H,LOOP10019 75 AOAF MOV P2,#AFH001C EO MOVX A,DPTR001D F590 MOV P1,A001F A3 INC DPTR