可数控调节增益的测量放大器

可数控调节增益的测量放大器作者：牛秀范叶明朗李晶摘要本设计由三个模块电路构成，前级为信号变换电路，高共模抑制比仪表放大器，单片机控制数控电位器X9C103构成的可变增益放大模块，以及单片机键盘显示处理模块。信号变换电路将单路信号转变为极性相反幅值相同的差模信号，而仪表放大器组成的次级电路经过优化，实现了很高的共模抑制比。我们利用可控电位器x9c103实现了较小步长的数控增益调节。单片机键盘显示模块负责与用户的界面接口。一方案设计与论证根据题目要求，我们分以下两部分进行方案设计与论证。1.测量放大器电路。分为两部分考虑：（1）低噪声前置放大器方案一：利用场效应管构成差动放大电路，再通过次级运放放大构成场效应管输入型测量放大器。其电路图如图1-1所示。该电路的特点是输入共模抑制比CMRR较高。此电路可以提高输入阻抗和降低噪声，但场效应管的参数匹配值影响抗噪声性能的高低，失调电压和失调电流等参数受到放大器本身性能限制不易进一步提高。引入该分立元件将导致调试复杂化，可靠性将下降。图1-1方案二：如图1-2，此方案是利用较成熟的三运放仪表放大器结构，该电路结构简单，只要OP放大器的性能对称，其漂移将大为减少，即使在电压增益很大时，共模抑制比也相当高，完全可以满足题目要求。此电路的优点在于输入电压接在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大，可满足要求。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在输入端引起的漂移施共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。在实际操作中可以考虑使用双运放，以实现最大限度的结构对称。OP07运放的SR经过计算满足题目通频带的要求。而且该电路调试也比较方便。综合考虑我们选择了该方案。图1-2（2）数控增益放大器方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，由单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变电压增益。此方案的优点在于继电器的导通电阻小，断开电阻大，损耗较小，而且有很好的隔离作用。但缺点是电阻网络匹配难以实现，且占用体积大速度较慢。因此，给调试工作带来很大困难。方案二：利用D/A转换芯片内部结构是R-2R可编程电阻网络的特性，只要其位数达到10位，如AD7520完全可以实现步长为一的精确调节。而且其控制也比较简单，利用单片机可以编程可以实现对AD7520的精确控制。相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精度高，体积小，控制方便，外围布线简化等特点。但经过我们调查，AD7520不仅价格非常高，而且在本地很难买到。方案三：如图1-3利用数控电位器同样可编程的特性也可以实现增益的较精确的调节。最初我们为了想实现步长为一的调节，就需要1024抽头的电位器，如美信公司的MAX5481-5484。但遇到了与方案二同样的问题，本地很难买到。如果对步长要求不太高的话，在可以购到的器件中只能选择X9C103，它是200抽头的，根据计算采用该器件只能实现步长为10的增益变化。而且对电阻匹配的要求也比较高。对此，我们决定采用双可变电阻方案。输入与反馈电阻均采用X9C103，经过优化算法，可以实现较精确的增益调节。综合以上考虑，我们选择了方案三。2．控制电路及用户接口电路方案一：采用数字电路，利用十位拨码开关对数控电位器置数，实现预置增益的调节，该电路结构简单，但置的是十六进制数，对使用者而言非常的不方便。另外数控电位器X9C103不具备置数的功能，只能通过脉冲来调节，这就意味着用户要不停的按脉冲开关来调节增益，太不灵活，而且容易出错误。方案二：单片机控制方案，利用89C51的最小系统完全可以实现对增益的方便而且精确的调节，编程也不繁琐，而且还可以考虑更多的输入方法，如键盘输入等等，也可以实现增益的实时显示。在软件的控制下，单片机开机后先将预置数读入，再送去显示的同时，控制X9C103调节合适的阻值，然后等待键盘中断，或不停的扫描键盘，等待新的输入。此方案比较灵活，利用软件可以轻松控制，故我们选用此方案。二.系统整体设计方案系统整体原理框图，如图2-1所示：输入信号是单输入信号，为了与仪器放大器连接，需先经过信号转换，将单信号转换成一对幅值相等，极性相反的信号。再经过前置的仪表放大器放大，该级电路的主要作用就是提高共模抑制比。减少零漂。接着经过程控增益放大后输出。上电初始化以后，电路默认放大倍数为一，通过拨码开关输入一个设定的增益，通过单片机控制数控电位器的阻值调节增益。或者通过单独设置的递加递减键实现步进式的增益调节。三．原理分析与说明主要电路的参数计算1．信号变换电路因为将单输入信号转换成了极性相反的双输出信号，由电路参数可知，该级放大倍数为2。2．前端放大电路该级为三运放的仪表放大器结构，其增益的计算公式为Vo=(1+2．程控放大部分为保证增益为1~1000，前两级的增益为20，故程控放大部分应该为0.05~50，由本级的电路结构可知，本级的增益为：A3=-X2/X1其中X2为图1-3中的反馈回路中的X9C103的接入电路的阻值，X1为输入的X9C103的接入阻值。由于我们采用的是双可变电阻的结构，我们将0.05~500的范围分成了两个区间，分别为0.05~5，5~50。在0.05~5的范围内我们将X1设置为2K，通过改变X2的阻值来调节增益，其阻值与增益的对应关系如下表：阻值（欧）本级增益1000.055000.2510000.520001100005其阻值与增益的计算公式为：X2=A3*2000；在本级增益为0.05~5，即总的增益为1~100范围内时，可以实现步进为1的精细调节。在0.5~50的增益范围内，我们将X1设置为200欧，再通过改变X2调节增益。其阻值与增益的对应关系如下表：阻值本级增益100052000105000256000301000050阻值与增益的计算公式为：该增益范围内，即总的增益在100~1000范围内时可以实现步长为10的调节。在上电复位初始化时，我们将X1与X2的阻值均调节为2K。三．调试实践（1）数字部分可以实现放大倍数的输入，但是不可控，实际用示波器测得的放大倍数与输入的放大倍数不一制。输入输出幅值为（Vp-p）。Vinf设置倍数AinVout实测倍数A10mV500hz5008.4V,84010mV500hz100015.5V1550(波形呈方波，失真严重)10mV500hz1002.3V23050mV1000hz100=6.5V650实际测得的放大倍数与设定的放大倍数没有什么联系。（2）模拟部分信号转换：f=1.9981kHz,op07V+=15.00V,V-=-15.30VVinVout1Vout220mV20mV-22.5mV50vm50mv(双踪波形重合很好)-52mV100mV100mV(双踪波形重合很好)-100mV(双踪波形对称很好)2.0V2.0V(双踪波形重合很好)-2.0V(双踪波形对称很好)5.0V5.0V(双踪波形重合很好)-5.0V(双踪波形对称很好)前端放大器：f=1.9981kHz,op07V+=15.00V,V-=-15.30VVinVout4.9V30V(波形失真)1.4V30V(波形失真)0.5V10V200mV4.1V99mV2.0V50mV1.0V20mV0.41V10mV0.2V参考文献：1．电子电路基础刘京南主编电子工业出版社2．单片机典型模块设计导航求是科技编著人民邮电出版社3．数字电位器在放大器中的应用居彩梅，王贵平