基于AD603的程控增益放大電路設計

趙軼男,蔡榮立

1.西安工業大學光電工程學院,陜西 西安 710021

2.陜西省光電測試與儀器技術重點實驗室,陜西 西安 710021

電阻層析成像技術(ERT)是基于電學敏感性的成像技術，其工作原理是首先在邊界進行電壓激勵，激勵過程當中形成電流分布。測試場內的導電率會隨著電壓的分布適應性的改變，進而引起測試場電極的變化，根據該變化量數值運用相關算法成像。上個世紀七十年代，醫學領域應用斷層電阻率測量技術取代輻射相對比較大的CT機器。近些年來ERT技術被廣泛的應用，英國懂得曼切斯特大學研究人員將該技術應用于旋轉器裝置，測量導電流體的多相流參數。2001年相關研究人員設計了雙極性脈沖電流激勵，該激勵模式在電極介質極化現象方面優于傳統的激勵模式；同時該激勵模式工作中無檢波和濾波，因此其采集速度也是大大由于傳統模式。國內在上個世紀八十年代也逐步開展過程成像研究工作，目前已經深入ERT數據成像研究領域。關于ERT研究領域，主要有兩個：一個是ERT硬件系統；二是敏感場仿真研究，研究的根本目的是尋求增加ERT系統有效信息量的同時提高系統成像速率與精度。

ERT檢測系統的對象是多樣的，同時檢測系統的傳感器數量是有限的引起測量數據有限，數據采集速度和系統成像精度低，實現ERT工業化相對比較困難，因此本文主要是基于多通道程控增益放大電路設計。

程控增益放大器是一種反饋電阻網絡可變且受控于控制接口的電路，這有區別于傳統的普通放大器，同時該電路是能夠根據不同的反饋系數將輸入電壓反饋擴大不同電壓的環形增益電路。在具有程控增益放大器電路的ERT系統中，各測量電極輸出的電壓有異，引起采集到模數轉化器的電壓信號也有不同，故不適宜采用固定放大電路信號。另外鑒于微弱信號的動態范圍數值比較寬，因此要求在設計電路中要根據各個通道的放大電路能夠以輸入信號為基礎做出增益調整，進而提高ERT電路系統的分辨率。在數據采集過程當中，一般是利用放大器對輸入的模擬信號進行放大，確保輸出模擬電壓和轉換器的電壓相適應，但是被檢測的信號確實表現從微伏級別到伏級別，因此模數轉換器不能完全適應。若采用單一增益放大器，易造成被檢測信號削頂飽和，導致破壞A/D轉換器。因此在采集數據過程當中，本文就是這些問題基礎之上進行研究的。

1 程控放大器工作原理

程控增益放大器基本組成是運算放大器和模擬開關控制的電阻網絡，其工作原理見下圖1。數字模擬控制模擬開關，采用數字硬件對數字進行編碼，或者采用計算機硬件控制。根據上圖1的工作原理，可以計算出程控增益G的數值見公式1。

圖1 程控放大器工作原理Fig.1 Programmable amplifier working principle

利用D/A轉換器實現程控增益放大器。D/A內部的電阻網絡與儀表放大器構成程控增益放大器，結合具有邏輯判斷功能的軟件能夠對數據采集系統進行自動切換量程（圖2）。

圖2 D/A的增益放大功能Fig.2 The gain amplification function of D/A

程控增益放大器的輸入電壓設置為兩片D/A轉化器的對比電壓，假設D/A為8位DAC，其電壓分別記為D1、則根據模數轉化器內部結構可得以下公式(2)，公式3是增益放大后的放大增益。

2 多通道程控放大電路系統

2.1 電路基本組成

圖3 多通道程控放大電路Fig.3 The multichannel programmable amplifier circuit

圖3 是多通道程控放大電路的采樣電路基本組成，整個電路分為五塊內容，具體為增益控制模塊，微控制模塊、EFFORM模塊、A/D轉換模塊。程控增益放大的內容是：根據電極輸出的電壓判斷是否滿足A/D轉換的條件，如果不滿足條件則采用增益模塊對放大電路極性增益控制。

2.2 系統硬件設計

在整個硬件設計當中，信號放大模塊和增益控制模塊、微控模塊是關鍵內容。信號放大模塊的作用是對各通道微弱的信號進行放大；增益控制模塊的功能是對放大后的信號進行判別是否滿足A/D轉換器要求，進而判斷是否需要放大。

信號放大模塊的組成由INA128、AD603、AD817組成，具體原理見下圖4。該放大信號模塊由芯片AD603、INA128和各種電阻元件組成。

圖4 信號放大模塊原理Fig.4 The principle of the signal amplification module

上述原理圖中，為減少多通道程控放大過程中同時采集mV級別的微弱信號而產生共模干擾，本文采用INA128儀表放大器。INA128是低功耗高精度的通用儀表放大器，其底輸入失調電壓是50 μv，低失調電壓漂移是0.5 μv/℃，其特點是高輸入抗阻，低輸入偏置電流，高共模抑制等。運算器AD603和AD817構成兩級放大，而AD603的主要功能是具有增益程控調整功能的芯片，增益程控模塊的主要功能是對AD603進行程序調控，對AD817進行固定放大倍數增益。

AD603是低噪音、90 HHZ帶寬增益調集成性放大器，壓擺率是275 V/uso。其90 HHZ帶寬增益的功能時，增益范圍在-11～+30 dB，其9 HHZ帶寬增益的功能時，增益范圍在9～41 dB。可編程范圍受限于管腳的連接方式，改變管腳的連接電阻能夠使增益在上述范圍內波動。AD603的管腳1、2提供的電壓決定增益的大小，具體邏輯計算原理是見下公式4。

其中VG=VGPOS-VGNEG，VG=?（-500～+500 mV）

多通道程控放大電路芯片AD603管腳1上的電壓隨著轉換器D/A轉換芯片AD8600輸出電壓的改變而改變。AD8600芯片內多個具有獨立尋址的輸出型的共用一個基準輸入電壓的D/A芯片，每個DAC具有各自的寄存器和輸入寄存器。該芯片的數字接口是8位并行數據輸入端，控制信號包括CS、LD、EN、R/W、RS等，其輸出電壓幅度是DACGND～VREF之間。

AD817是低成本、低功率、高速度運轉放大器，50 HHZ單位增益調集成性放大器，及45 ns的0.1%建立時間等特點，在上述原理圖中，AD817和AD603串聯，擴大放大倍數。

增益調控模塊（圖5）。該模塊的主要功能是為上述AD603管腳1、2提供電壓，其原理是通過改變電壓來改變增益的大小。在并行數據采集程控放大器電路中，采用固定其中一只管腳而改變另外一只管腳電壓的方式改變電壓差VG。

圖5 增益控制模塊Fig.5 The gain control modules

為了確保AD603兩只管腳的電壓VG∈(-500～+500 mv)變動，首先固定AD8600管腳2上的電壓為0.5 V，并且令管腳1上的輸入電壓在0～1 V之間變動，而決定AD8600輸出電壓的基準電壓芯片采用ADR510，該芯片具有低壓、精密度高、分流模式等基準電壓源。AD603的允許輸出電壓是±1.4 V，為了確保其使用的安全性，有必在輸入信號過程當中將串聯一個100 Ω的電阻進行分壓這樣有效保護了AD603正常使用。同時為了保護芯片，采用了4個二極管進行串聯分壓，并聯在AD603與大地之間。

微控制器模塊。它是整個控制電路的核心內容，本文以LPC2366芯片為控制元件，同時該芯片是基于一個型號ARM-7TDM1-S 32位微處理器運行的，該處理器的優點就是高性能、低消耗。同時本文設計的微控制器還包含了10/100 Etheme MAC，2個USB3.0接口，4個UART，I2C、I2S分別是3、1個，60個通用I/O管腳，2路CAN通道

EEFROM模塊。該模塊的功能是保存多通道程控放大器設置的增益值，進而提供整個電路模塊程控放大電路的方大倍數。選用支持I2C總線模式的M24128BW芯片，該芯片標準模式頻率是100 MHZ，在該頻率下讀寫周期是十萬次/s。

3 系統軟件設計

多通道程控放大器程序工作原理是在系統開機之后，進行相關命令操作。通過改變AD8600芯片輸出電壓，進而改變AD8600管腳1、2的壓差VC，每次設置的電壓保存值都是通過EFFROM芯片保存下來。其具體工作流程見圖6。

圖6 多通道程控放大電路程序時序圖Fig.6 Sequence diagram of multichannel programmable amplification circuit

4 實驗驗證

為了驗證ERT中多通道程控放大器的設計方案。對此部分電路進行仿真驗證，如圖7所示。

圖7 VG=500 mV和VG=-400 mV的仿真結果Fig.7 Simulation results at VG=500 mV and VG=-400 mV

上述仿真圖中，深黑線是輸入的電壓，淺黑線是輸出的電壓信號。由圖可以看出，輸出和輸入是反向的，其根本原因是AD817組成電路是10倍反向固定倍數增益放大。AD603的兩管腳電壓差VG=500 mV時，根據公式4可以得出G在+10～+50 dB之間，t同時計算出整體放大倍數約為3000倍，滿足轉換器A/D的要求。同時經過計算分析得出AD603的兩管腳電壓差VG=-400 mV時，程控放大倍數是50倍左右。

5 結論

通過上文的研究，本文設計采用多通道程控放大設計電路能夠很直接的解決了通道多、信號變化范圍大且強度弱等相關缺點，同時根據AD603和AD8600芯片的結合再根據輸出電壓能夠精確知道放大倍數的大小，具有很強的實際意義。

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