具有高共模抑制比，高增益數(shù)控可顯的測(cè)量放大器設(shè)計(jì)

　　測(cè)量放大器也稱(chēng)為儀表放大器或數(shù)據(jù)放大器，它是一種可以用來(lái)放大微弱差值信號(hào)的高精度放大器，在測(cè)量控制等領(lǐng)域具有廣泛的用途。通常，測(cè)量放大器多采用專(zhuān)用集成模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然有很高的性能指標(biāo)，但不便于實(shí)現(xiàn)增益的預(yù)置與數(shù)字控制，同時(shí)價(jià)格較高。為此，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，利用高增益運(yùn)放，設(shè)計(jì)了一種具有高共模抑制比，高增益數(shù)控可顯的測(cè)量放大器。提高了測(cè)量放大器的性能指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)放大器增益較大范圍的步進(jìn)調(diào)節(jié)。

　　l 方案設(shè)計(jì)

　　采用固定放大倍數(shù)的測(cè)量放大器必然會(huì)對(duì)整體放大器的動(dòng)態(tài)性能有很大影響，所以本設(shè)計(jì)主要由三個(gè)模塊電路構(gòu)成：前級(jí)高共模抑制比測(cè)量放大器、AD7533衰減器和單片機(jī)鍵盤(pán)顯示處理模塊。在前級(jí)高共模抑制比放大器中將輸出共模電壓反饋到正負(fù)電源的公共端提高共模抑制比。衰減器實(shí)現(xiàn)衰減率的數(shù)字編程。單片機(jī)鍵盤(pán)顯示處理模塊一方面對(duì)8279進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還對(duì)AD7533進(jìn)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(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為：

　　其中，Ac是前級(jí)放大器的放大倍數(shù)，ADAC是衰減器的衰減率。

　　1.1 前級(jí)放大器

　　在此采用儀用放大器組成高共模抑制比測(cè)量放大器如圖2所示，運(yùn)放A4實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端，使運(yùn)放電源電壓隨共模輸入電壓浮動(dòng)，從而使各級(jí)偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓，這樣各級(jí)的共模信號(hào)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(jī)控制的3個(gè)繼電器來(lái)分別接通實(shí)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(gè)控制等級(jí)的前級(jí)電壓放大倍數(shù)，分別對(duì)1～10 V，0.1～1 V以及小于O.1 V的3個(gè)不同電壓段的信號(hào)進(jìn)行控制，通過(guò)繼電器切換的方式實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，如表1所示。

　　1.2 單片機(jī)與衰減器部分

　　單片機(jī)部分實(shí)現(xiàn)總體控制與顯示，由51單片機(jī)和8279鍵盤(pán)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(shí)現(xiàn)。任一輸入信號(hào)在前級(jí)放大的基礎(chǔ)上再經(jīng)后級(jí)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(jī)與衰減器原理圖如圖3所示。

　　在單片機(jī)的算法控制下進(jìn)行前級(jí)放大器放大倍數(shù)的適當(dāng)選取，使得繼電器動(dòng)作的原則為：選擇最小的前級(jí)放大倍數(shù)和相適應(yīng)的最小的后級(jí)衰減率，使得由前級(jí)放大器的衰減器引起的誤差盡量小。

　　可變?cè)鲆娴乃p器AD7533也由單片機(jī)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(huì)變動(dòng)1/1 024，實(shí)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(shí)，只要給AD7533置數(shù)OCDH(205D)，同時(shí)選擇前級(jí)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(shí)，只要作600/1 024的衰減，同時(shí)選擇前級(jí)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(shí)，只要作600/1 024的衰減，同時(shí)選擇前級(jí)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(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)以上思路，對(duì)實(shí)際制作的測(cè)量放大器進(jìn)行了放大倍數(shù)的測(cè)試。輸入相應(yīng)的直流信號(hào)，結(jié)果如表2所示。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　從測(cè)試結(jié)果可以分析看出，該測(cè)量放大器差模電壓放大倍數(shù)大，可以對(duì)放大倍數(shù)預(yù)置，并實(shí)現(xiàn)顯示，直觀方便?？稍?0 V范圍內(nèi)高精度滿(mǎn)足小信號(hào)測(cè)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(jí)、第二級(jí)的放大量，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)為1的1～1 000的放大倍數(shù)預(yù)置功能，同時(shí)采用多種改進(jìn)措施提高了放大器的共模抑制比。