一種數控高增益測量放大器的設計

戴　杰　賓　浩　莊知龍　石晨曦

摘 要：根據工程應用中對小信號放大的需要,結合模擬電子技術和單片機技術,設計實現了一種數控高增益測量放大器。根據預置的電壓放大倍數合理分配第一級、第二級的放大量,實現了步進為1的1～1 000的放大倍數預置和顯示功能,同時實現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,實現了一種方便實用的數控高增益測量放大器。

關鍵詞：測量放大器;共模抑制比;數字控制;單片機;數模轉換器

中圖分類號：TN72 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-110-02

Design of High Gain Instrumentation Amplifier by Digital Control

DAI Jie,BIN Hao,ZHUANG Zhilong,SHI Chenxi

(School of Communication & Control Engineering,Jiangnan University,Wuxi,214122,China)

Abstract：Based on the needs of amplifying low signal during engineering applications,using analog electronic technology and single chip computer technology,this essay introduces a high gain instrumentation amplifier by digital control.On the basis of preset amplifier′s gain,distributes the first and second gains rationally,then realizes the gain from 1~1 000 in step 1 and displays the gains.At the same time improves the amplifier′s common-mode rejection ratio with several amelioration methods.Finally,a convenient and applied instrumentation amplifier by digital control with high gain is finished.

Keywords：instrumentation amplifier;common-mode rejection ratio;digital control;single chip computer;D/A converter

測量放大器也稱為儀表放大器或數據放大器,它是一種可以用來放大微弱差值信號的高精度放大器［1］,在測量控制等領域具有廣泛的用途。通常,測量放大器多采用專用集成模塊來實現,雖然有很高的性能指標,但不便于實現增益的預置與數字控制,同時價格較高。為此,結合應用實際,利用高增益運放,設計了一種具有高共模抑制比,高增益數控可顯的測量放大器。提高了測量放大器的性能指標,并實現放大器增益較大范圍的步進調節。

1 方案設計

采用固定放大倍數的測量放大器必然會對整體放大器的動態性能有很大影響,所以本設計主要由三個模塊電路構成：前級高共模抑制比測量放大器、AD7533衰減器［2］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。衰減器實現衰減率的數字編程。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進行數字控制。整體系統框圖如圖1所示。

從整體系統框圖可以分析,系統對輸入信號的放大倍數為：

A=A_c×A _DAC×10

其中,Ac是前級放大器的放大倍數,A DAC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［3］如圖2所示,運放A4實現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。很容易分析得到此放大器的放大倍數為［4］：

A_c=R₃/R₂(1+2R₁/R_w)

由此,改變Rw獲得3個控制等級的前級電壓放大倍數,分別對1～10 V,0.1～1 V以及小于0.1 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不同的放大倍數,如表1所示。

1.2 單片機與衰減器部分

單片機部分實現總體控制與顯示,由51單片機和8279鍵盤顯示芯片主體構成［5］。置數可由0~9數字

鍵和加、減、預置數等控制鍵實現。任一輸入信號在前

級放大的基礎上再經后級程控衰減器乘上10倍以后獲得最終的電壓放大倍數。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的適當選取,使得繼電器動作的原則為：選擇最小的前級放大倍數和相適應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位數字量就獲得不同的輸出輸入電壓比。調整相應的衰減率就得到相應的放大倍數。10位的AD7533,數字量每改變1位,衰減就會變動1/1 024,實現步距為1的1 000倍電壓放大倍數。譬如當要得到205的電壓放大倍數時,只要給AD7533置數0CDH(205D),同時選擇前級放大倍數為102.4,這樣就得到：102.4×10×205/1 024=205的放大倍數；當要得到60的電壓放大倍數時,只要作600/1 024的衰減,同時選擇前級放大倍數為10.24,這樣就得到：10.24×10×600/1 024=60的放大倍數；當要得到6的電壓放大倍數時,只要作600/1 024的衰減,同時選擇前級放大倍數為1.024,這樣就得到：1.024×10×600/1 024=6的放大倍數。

2 測試結果

根據以上思路,對實際制作的測量放大器進行了放大倍數的測試。輸入相應的直流信號,結果如表2所示。

3 結 語

從測試結果可以分析看出,該測量放大器差模電壓放大倍數大,可以對放大倍數預置,并實現顯示,直觀方便。可在10 V范圍內高精度滿足小信號測量的要求。可以根據預置的電壓放大倍數合理分配第一級、第二級的放大量,實現了步進為1的1～1 000的放大倍數預置功能,同時采用多種改進措施提高了放大器的共模抑制比。

參考文獻

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