基于TI（德州儀器）乘法數模轉換器DAC8802的程控增益放大研究

北京郵電大學　林泊安

基于TI（德州儀器）乘法數模轉換器DAC8802的程控增益放大研究

北京郵電大學林泊安

本次研究使用德州儀器的程控增益模塊器件，基于乘法數模轉換器DAC8802的程控增益放大模塊進行測試，并且以喇叭輸出音頻外放信號作為標準。測試過程中首先使用示波器雙蹤觀察輸入輸出波形，并且分別測量程控增益放大和衰減兩種情況，記錄實驗數據，計算理論值與實際值。之后在接入外放的音頻信號，測試了放大的效果。

程控增益；數模轉換；音頻；放大

1　研究概述

1.1程控增益放大器簡介

程控增益放大器的基本形式是由運算放大器和模擬開關控制的電阻網絡組成。模擬開關則由數字編碼控制。數字編碼可用數字硬件電路實現，也可用計算機硬件根據需要來控制。

程控增益放大器與普通放大器的差別在于反饋電阻網絡可變且受控于控制接口的輸出信號。不同的控制信號，將產生不同的反饋系數，從而改變放大器的閉環增益。在現實世界中，測量信號的電平往往存在很大的不同，普通放大器的模數轉換器并不能與之一一匹配，使A/D轉換器的精度不能最大限度地利用，或致使被測信號削頂飽和，造成很大的測量誤差。因此，程控增益放大器在數據采集系統、自動測控系統和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應用。

1.2DAC發展背景及現狀

DAC的發展經歷了電子管、晶體管到集成電路的過程。單片DAC工業化生長始于上個世紀70年代，70年代初，所有元件都被集成在一個芯片上的數模轉換器研制成功，它標志著數模轉換器正式進入批量大規模生產的階段，擺脫了精心挑選轉換器中原器件 的麻煩，從而大大降低了成本沒提高了可靠性。進入90年代以來，由于數字化的影響，供應商品種類急劇增加。并且DAC可以構造ADC，所以DAC的占有比重較高?？v觀整個DAC的發展歷程，可以發現DAC的研究一直朝著3個方向發展，一是以提高速度為主，二是以提高精度為主，三是兼顧速度與精度。由于高速高精度DAC有比普通更多的優點從而成為DAC發展的潮流。

1.3研究主要內容概述

基于如上所示的研究背景，本研究的主要目的是根據已有的DAC8802數模轉換器以及外置TIVA控件進行程控增益放大和衰減的研究，調整傳遞到數模轉換器的值來控制放大的倍數，同時測量實際數據并處理后進行比較。通過所得到的結果進行實際的分析，再使用外界的音頻將聲音信號傳遞進去，通過芯片得到輸出信號，最后通過喇叭外放信號，從而進行研究結果的總結和性能的分析。

圖2-1　程控放大原理圖

2　研究原理及技術架構

如圖2-1所示，本模塊的核心部分由一片14雙通道串行接口乘法數模轉換器DAC8802芯片組成的程控放大和衰減部分。其自身通過串行外設接口（SPI）通信協議進行數據傳輸，SPI的通信原理很簡單，如圖2-2所示，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入）、SDO（數據輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）。其中，CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。

這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。

另外，由Tiva傳輸的code值決定放大/衰減幅值。程序成功燒寫后，Tiva LaunchPad進行LCD的初始化、ADC采樣初始化以及SSI初始化，通過調節滾輪轉動，使Tiva讀取滾輪ADC采樣值，同時滾輪所調節的CODE碼值以十進制數碼顯示于自身LCD顯示屏中，Tiva接受的12位信號變為14位傳輸到DAC8802芯片，14位信號鎖存于串行輸入寄存器中，控制其中的R-2R電阻網絡14個選通開關的開合，另有兩位數據專門控制程控增益或衰減模塊的運作。而后Tiva讀取電壓（PD2）采樣值，通過相應公式轉換為實際電壓并進行峰值檢測，將檢測結果顯示與LCD屏中。

圖2-2　SPI通信協議

3　測試情況及數據處理

3.1程控增益與衰減的波形觀察

在原理圖2-1中，DAC8802處于圖的中間位置，輸入信號從圖3-1的下方DAC_IN傳遞進來，通過低通濾波器后可以分別從CH1或者CH2進入DAC8802中，其中CH1進入程控放大模塊，CH2進入程控衰減模塊，再從圖3-1上方的AMP_OUTA接入示波器觀察輸入輸出信號，調節滾輪可以觀察到波形的變化情況。

圖3-1　TI測試版

得到的程控增益波形情況如圖3-2所示：

圖3-2　程控增益波形

得到的程控衰減波形LCD顯示情況如圖3-3所示：

圖3-3　程控衰減波形與LCD顯示

將所得的數據進行計算和整理，得到的數據記錄在表3-1中。

表3-1　程控放大與衰減放大倍數與誤差

從表3-1中可以清晰的看出，測量誤差一般都在0.6%以內，可以認為測試數據基本準確，測量目的基本達到。

3.2程控增益音頻輸出測試

根據以上對于理想信號的程控增益放大和衰減的測試取得成功后，我們正式開始試驗其對于音頻信號的程控放大性能，測試原理圖如圖3-4，測試步驟如下：

（1）首先用ccs燒寫代碼到LaunchPad中；

（2）在木板上TIVA，MDAC和液晶連接完成；

（3）在MDAC模塊上完成跳線連接；

（4）用杜邦線將話筒連接到MIC，將擴音機連接到J4；

（5）打開TIVA開關，并用示波器進行雙蹤觀察，同時觀察兩信號相減的情況；

（6）短接J3的1、2，調節滾輪，聽聲音的變化。

圖3-4　音頻輸出測試原理圖

觀察的波形如圖3-5所示，可以從測試中明顯聽出音頻信號的放大，尤其是當調節放大倍數的增加時，音頻信號的放大更加明顯。

圖3-5　音頻測試時的示波器波形

4　降噪措施

從這一次的測試中可以看出，程控增益放大模塊對于音頻信號的支持非常好，并且在經過調整之后基本可以保證無失真的恢復原信號，這一點是非常不容易的。在一開始測試的時候，喇叭雖然也可以在一定程度上放大信號，但是總是有“沙沙”的響聲，后來我們采用將駐極體管腳扭曲對折的方法提高其與MIC的穩定度，使干擾的噪聲減小，這對于測試的順利進行起著至關重要的作用。從圖3-5中可以看出，在基波PWM波頻率約為242KHz的情況下，基本可以較好無失真的恢復原信號，從而可以看出，這套德州儀器提供的程控增益模塊具有較為良好的性能。

［1］邱榮富，黃民雙.高精度程控增益運算放大器PGA102及其應用［J］.自動化與儀表，1996，03：1-3.

［2］何育東.一個實用的程控增益放大電路［J］.熱力發電，1997，01：1-7.

［3］郗艷華.程控增益放大器的實現［J］.信息技術，2007，09：1-14.

［4］胡蘭芳.一種用D/A轉換器構成的程控增益放大器［J］.四川教育學院學報，2001，07：1-10.

［5］TI官方網站對于Tiva的介紹：http：//www.ti.com/tool/sw-tm4c.