一種數(shù)控高增益測量放大器的設(shè)計

摘要：根據(jù)工程應(yīng)用中對小信號放大的需要，結(jié)合模擬電子技術(shù)和單片機技術(shù)，設(shè)計實現(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、第二級的放大量，實現(xiàn)了步進為1的1～1 000的放大倍數(shù)預(yù)置和顯示功能，同時實現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端，使運放電源電壓隨共模輸入電壓浮動等改進措施提高了放大器的共模抑制比，實現(xiàn)了一種方便實用的數(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；數(shù)模轉(zhuǎn)換器

    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的高精度放大器，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現(xiàn)，雖然有很高的性能指標，但不便于實現(xiàn)增益的預(yù)置與數(shù)字控制，同時價格較高。為此，結(jié)合應(yīng)用實際，利用高增益運放，設(shè)計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，并實現(xiàn)放大器增益較大范圍的步進調(diào)節(jié)。

l 方案設(shè)計
    采用固定放大倍數(shù)的測量放大器必然會對整體放大器的動態(tài)性能有很大影響，所以本設(shè)計主要由三個模塊電路構(gòu)成：前級高共模抑制比測量放大器、AD7533衰減器和單片機鍵盤顯示處理模塊。在前級高共模抑制比放大器中將輸出共模電壓反饋到正負電源的公共端提高共模抑制比。衰減器實現(xiàn)衰減率的數(shù)字編程。單片機鍵盤顯示處理模塊一方面對8279進行實時控制，還對AD7533進行數(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)對輸入信號的放大倍數(shù)為：
   
    其中，Ac是前級放大器的放大倍數(shù)，ADAC是衰減器的衰減率。
1．1 前級放大器
    在此采用儀用放大器組成高共模抑制比測量放大器如圖2所示，運放A4實現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端，使運放電源電壓隨共模輸入電壓浮動，從而使各級偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓，這樣各級的共模信號就被大大削弱了，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控制的3個繼電器來分別接通實現(xiàn)。很容易分析得到此放大器的放大倍數(shù)為：
   

    由此，改變Rw獲得3個控制等級的前級電壓放大倍數(shù)，分別對1～10 V，0．1～1 V以及小于O．1 V的3個不同電壓段的信號進行控制，通過繼電器切換的方式實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，如表1所示。

1．2 單片機與衰減器部分
    單片機部分實現(xiàn)總體控制與顯示，由51單片機和8279鍵盤顯示芯片主體構(gòu)成。置數(shù)可由0～9數(shù)字鍵和加、減、預(yù)置數(shù)等控制鍵實現(xiàn)。任一輸入信號在前級放大的基礎(chǔ)上再經(jīng)后級程控衰減器乘上10倍以后獲得最終的電壓放大倍數(shù)。單片機與衰減器原理圖如圖3所示。

    在單片機的算法控制下進行前級放大器放大倍數(shù)的適當(dāng)選取，使得繼電器動作的原則為：選擇最小的前級放大倍數(shù)和相適應(yīng)的最小的后級衰減率，使得由前級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，衰減就會變動1／1 024，實現(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，只要給AD7533置數(shù)OCDH(205D)，同時選擇前級放大倍數(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，只要作600／1 024的衰減，同時選擇前級放大倍數(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，只要作600／1 024的衰減，同時選擇前級放大倍數(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，對實際制作的測量放大器進行了放大倍數(shù)的測試。輸入相應(yīng)的直流信號，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，并實現(xiàn)顯示，直觀方便?？稍?0 V范圍內(nèi)高精度滿足小信號測量的要求?？梢愿鶕?jù)預(yù)置的電壓放大倍數(shù)合理分配第一級、第二級的放大量，實現(xiàn)了步進為1的1～1 000的放大倍數(shù)預(yù)置功能，同時采用多種改進措施提高了放大器的共模抑制比。