程控放大器的設(shè)計

程控放大器的設(shè)計第1頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月概述程控放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）是指可以通過程序或指令控制而改變其增益等性能的放大器，PGA的基本形式是由運(yùn)算放大器和模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成。模擬開關(guān)則由數(shù)字編碼控制。數(shù)字編碼可用數(shù)字硬件電路實現(xiàn),也可用計算機(jī)硬件根據(jù)需要來控制。

第2頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值當(dāng)前，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類測量儀表越來越趨于采取數(shù)字化和智能化方向的發(fā)展。這些設(shè)備一般由前端的傳感器、放大器電路和后端的數(shù)據(jù)處理電路組成。其中后端數(shù)據(jù)處理電路通常采用高精度A/D和高速單片機(jī)，以保證儀表的精度和速度要求。而對于前端電路，由于傳感器輸出信號的幅度和驅(qū)動能力均比較微弱，必須加接高精度的測量放大器才能滿足后端電路的要求。在自動控制系統(tǒng)或智能儀器中,當(dāng)被測信號的幅值變化范圍很大時，為了保證測量精度的一致性，經(jīng)常采取改變量程的辦法，采用程控放大器可進(jìn)行量程自動切換。當(dāng)改變量程時測量放大器的增益也相應(yīng)地加以改變。這種變化通常是自動進(jìn)行,即不需要人為的改變電路連接,而是通過軟件實現(xiàn)放大器增益的改變。PGA在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中是經(jīng)常會用到的，隨著各種新型元器件的不斷發(fā)展，PGA的實現(xiàn)并不太難，但由于PGA必須具有可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)增益的功能，因而其精度總會因使用一些調(diào)節(jié)元器件而受到影響，在精密測量場合對PGA的精度要求比較高，實現(xiàn)較精密的PGA是眾望所歸。第3頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2目前研究的概況和發(fā)展趨勢由于各類測量儀表設(shè)備中的傳感器在不同測試中，其輸出信號的幅度可能相差很多，傳統(tǒng)的處理方法是對放大器增加手動檔位調(diào)節(jié)以保證后端的A/D采集輸入端的信號在一定幅度內(nèi)，從而保證整個儀表的測量精度。但是人工檔位調(diào)節(jié)增加了儀表操作的復(fù)雜性、影響了數(shù)據(jù)測量的實時性，同時檔位調(diào)節(jié)通常采用機(jī)械轉(zhuǎn)扭，增加了儀器的不可靠性和接觸電阻對測量精度的影響。而且傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器，如AD8321芯片，并且該類放大器價格較高（如AD8321），選擇檔位也較少（如TI的PGA103，206等僅3-4檔）。還有一種可滿足核儀器中所要求的線性度與增益穩(wěn)定性以及自動穩(wěn)譜的增益要求的數(shù)控放大器。系統(tǒng)在保證放大器的增益穩(wěn)定性和線性指標(biāo)的同時卻降低了放大器的輸入阻抗，必然對前級電路輸出阻抗提出更高的要求。在實際應(yīng)用中可通過增大反饋電阻提高輸入阻抗，另外必要時還可以增加一級電壓跟隨電路，電壓跟隨器的輸入阻抗極高，這樣可以忽略電路中的導(dǎo)通電阻對增益的影響，各級增益完全取決于所選電阻。目前通常采用單片機(jī)來自動選擇量程檔位，采用非易失性數(shù)字電位器和儀表放大器組成的高精度、多檔位、低成本的程控放大器。以單片機(jī)（或個人計算機(jī)）為基礎(chǔ)的儀器測量系統(tǒng)的出現(xiàn)，是電子電工測量的一項重大變革，具有廣闊的應(yīng)用前景。第4頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1程控放大器系統(tǒng)原理框圖本文設(shè)計的程控放大電路系統(tǒng)主要采用單片機(jī)最小系統(tǒng)、模擬開關(guān)芯片CD4051和放大器芯片LF353。程控放大器總體設(shè)計原理框圖如下圖所示

左圖所示，控制接口采用AT89C51單片機(jī)作為程控放大器電路的控制中心，放大部分由LF353運(yùn)算放大器二級放大，并通過程序控制CD4051來選擇放大的倍數(shù)。最后通過把正弦信號加與放大電路的輸入端，通過示波器觀察并顯示輸出端所測得的波形或者用毫伏表觀察結(jié)果，不同的放大倍數(shù)將顯示出不同的放大現(xiàn)象。第5頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2硬件電路器件選擇

2.2.1單片機(jī)的選擇此設(shè)計將采用89C51單片機(jī)來控制。89C51單片機(jī)其引腳采用40只雙列直插封裝方式，如右圖所示。89C51單片機(jī)具有較好的存儲效果，內(nèi)部結(jié)構(gòu)豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)算功能，對復(fù)雜電路的控制有很好的處理能力。其是一個低功耗、高性能的含有4KB閃爍存儲器的8位CMOS單片機(jī)，時鐘頻率高達(dá)20MHz，其具有的4K字節(jié)可電氣燒錄及擦除的程序空間，可以快速擦除程序并燒錄新的程序，方便實驗。第6頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如上圖所示：89C51單片機(jī)片內(nèi)各功能部件都是通過單一總線連接而成，由微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、4個8位的并行I/O口、一個串行口、2個16位定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)和特殊功能寄存器（SFR）組成。第7頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2開關(guān)電路的選擇撥碼開關(guān)可以用來控制開關(guān)電路，在測試的時候使用撥碼開關(guān)很方便，但是在開關(guān)電路選擇的時候不能實現(xiàn)程序的控制，只能手動控制，因此本設(shè)計在放大電路中使用模擬開關(guān)芯片CD4051來實現(xiàn)開關(guān)電路的控制。CD4051在放大電路中驅(qū)動作用很強(qiáng)，基于設(shè)計，每個CD4051使用三個開關(guān)。因此在二級放大電路中只需要二個CD4051即可。這樣可以實現(xiàn)通過“軟件實現(xiàn)硬件”的原則，且降低了外設(shè)硬件的成本。第8頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月1.CD4051管腳圖

CD4051是單邊8通道的單刀八擲開關(guān)。其引腳結(jié)構(gòu)如下圖：2.CD4051引腳功能說明

CD4051相當(dāng)于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。圖1中，C、B、A為二進(jìn)制控制輸入端，改變C、B、A的數(shù)值，可以譯出8種狀態(tài)，并選中其中之一，使輸入輸出接通?！癐NH”是禁止端，當(dāng)“INH”=1時，各通道均不接通；當(dāng)INH=0時，通道接通。改變圖中IN/OUT0~7及OUT/IN的傳遞方向，則可用作多路開關(guān)或反多路開關(guān)。第9頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月表1：單八路模擬開關(guān)CD4051真值表第10頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3放大器芯片LF353雙JFET輸入運(yùn)算放大器放大器芯片LF353雙JFET輸入運(yùn)算放大器其管腳如下圖5所示：圖5放大器芯片LF353雙JFET輸入運(yùn)算放大器管腳圖第11頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.4驅(qū)動電路的選擇MC1413和74LS07，它們在驅(qū)動功能上有很大不同。其管腳如下圖所示，74LS07是正向驅(qū)動元件，它具有升壓的作用，而MC1413是反向驅(qū)動元件，由于驅(qū)動功能不同，因而用在不同的電路中。當(dāng)電路中的電流或電壓不能達(dá)到所需電路的電流或電壓時，就需要使用驅(qū)動電路。本系統(tǒng)在放大電路中選擇7407。是因為74LS07具有正向驅(qū)動功能，所以在二級放大電路中采用74LS07來驅(qū)動4051。左為74ls07管腳圖、右為MC1413管腳圖第12頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)

2.3.1主要模塊硬件設(shè)計1.單片機(jī)最小系統(tǒng)圖6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路第13頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月在此程控放大電路中，盡使用最小系統(tǒng)板中的一部分8255和鍵盤，如上圖6所示，通過8255C口來讀取鍵盤，由單片機(jī)控制選擇需要放大的倍數(shù)，此最小系統(tǒng)能夠使操作人員通過它編程，利用單片機(jī)控制放大電路，實現(xiàn)對正弦信號的放大。第14頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.可控增益放大電路的設(shè)計程控放大器千變?nèi)f化，但脫離不了3種基本類型，即反相放大器、同相放大器和差分放大器，而差分放大器實現(xiàn)程控較麻煩，所以往往用反相放大器或同相放大器的原型來設(shè)計程控放大器，如下圖所示，左圖為反相放大器，右圖為同相放大器。增益為：反相放大Av=-R1/R同相放大Av=1+R1/R第15頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月本文設(shè)計的程控放大電路采用同相放大器，在此，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻部分采用劃線變阻器，這樣可以通過調(diào)節(jié)電阻來適當(dāng)減少誤差。一級可控增益放大電路如下圖所示，放大電路采用LF353運(yùn)算放大器，其中U1為電壓跟隨器，可以提高驅(qū)動能力，U2為放大器，放大倍數(shù)k=Rf/R1+1，設(shè)計的三路放大倍數(shù)分別為1倍、3.16倍、10倍，即增益分別為0dB、10dB、20dB，開關(guān)選用CD4051，可編程實現(xiàn)，同一時刻某一路導(dǎo)通將得到相應(yīng)的增益，Rx為了消除電路中存在的不可消除的誤差（如導(dǎo)線電阻、模擬開關(guān)的電阻等）。圖10一級可控增益放大電路第16頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月本設(shè)計制作的是一個二級程控放大器，以實現(xiàn)0~40dB的電壓可增益，且步進(jìn)為10dB可調(diào)。在一級的基礎(chǔ)上，級聯(lián)同樣一級可控增益放大電路，通過選擇合理的通道即可實現(xiàn)0~40dB可控電壓增益，第二級的原理與一級相同。兩級通過改變電阻的阻值和所導(dǎo)通通道合理組合來控制0~40dB的增益數(shù)。當(dāng)增益為0~40dB時，電源電壓為5V，由于LF353中是直接耦合，若信號中稍有直流成分，經(jīng)過了2級放大，會造成嚴(yán)重的平頂失真，為了避免出現(xiàn)這種情況，在每級放大之后添加一個電容（較合適去直流且通低頻）。本系統(tǒng)在二級放大的后面加接一個電壓跟隨器之后輸出，這是由于電壓跟隨器的輸入阻抗極高，加接后，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻對增益的影響完全可以忽略，因而各級增益完全取決于所選電阻。在此，我們用P1.0、P1.1來控制第一級，P1.2、P1.3來控制第二級，對P1口賦予不同的值，從而選擇不同的支路，控制放大電路來放大不同的倍數(shù)。第17頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖11二級放大電路

第18頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計1.算法描述通過對單片機(jī)的P1口的P1.0-P1.3賦值，控制CD4051開關(guān)電路，選擇不同放大倍數(shù)。利用單片機(jī)最小系統(tǒng)的8255的PC口控制鍵盤，實現(xiàn)其功能。2.理論計算(1）電壓跟隨器：Ui=Uo(2）同相比例放大器:Uo=（1+Rf/R1)Ui3.實際測量結(jié)果及分析1）放大倍數(shù)的測量

在放大電路的信號輸入端接入正弦信號，用單片機(jī)控制4051和鍵盤來選擇放大倍數(shù)0dB-40dB，利用毫伏表或示波器觀察放大倍數(shù)。對P1口賦予不同的值，選通不同的開關(guān)電路,從而控制不同的放大倍數(shù)。2）放大電路電阻的測量根據(jù)同相比例放大器的公式，調(diào)節(jié)滑線變阻器即可得到比較合理的電阻值。本設(shè)計選用的上拉電阻值為10k.

第19頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月圖12系統(tǒng)主程序流程圖第20頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5程控放大器系統(tǒng)的應(yīng)用

2.5.1程控放大技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是假設(shè)一個以89C51為核心的典型最小系統(tǒng)。在系統(tǒng)中采用作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器,輔以程控放大器作為多路轉(zhuǎn)換器,為突出本文所討論的重點,具體電路不在此贅述。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是要對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣。由于程控放大器的放大倍數(shù)要根據(jù)實際的采樣值大小而定,當(dāng)剛開始采樣時,PGA無法確定需要放大多少倍。如果放大倍數(shù)過小容易產(chǎn)生較大誤差,從而失去意義；放大倍數(shù)過大,容易超量程而產(chǎn)生錯誤結(jié)果。而要確定放大倍數(shù),必須根據(jù)具體信號的大小來決定。通過使用程控放大技術(shù),使采集到的信號更加接近真實值,減少了量化誤差,從而提高了采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。特別是對微弱信號的采樣,能大大擴(kuò)展測量儀器的動態(tài)測量范圍,因此使用程控放大器對信號幅度相差較大的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集有著十分重要的意義。第21頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2程控放大技術(shù)在光柵干涉儀中的應(yīng)用在光柵刻劃機(jī)中,分度信號是由光柵干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后得到的。為了提高分度基準(zhǔn)的分辨率,需要對分度信號進(jìn)行細(xì)分；同時,需要利用細(xì)分脈沖控制馬達(dá)分級調(diào)速,以提高光柵刻劃機(jī)的定位精度。光柵干涉儀輸出的信號是很小的,不能直接利用。因此需用前置放大器將它放大成為4～7V的大信號,波形接近正弦波形。當(dāng)然在整個刻劃過程中,前置放大后的信號的幅度可能會發(fā)生幾伏變化，產(chǎn)生誤差，這就需要適當(dāng)改變電路來確保適當(dāng)?shù)木取Ｄ壳霸诳虅潓嶒炐怨鈻诺倪^程中，已成功地采用了程控放大及細(xì)分。由于程序控制需要一定時間，因此，對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，程控放大器的使用受到一定限制。若需使用程控放大器，必須根據(jù)實際情況，合理選用速度較高的微處理器和高速A/D轉(zhuǎn)換器。第22頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論本文設(shè)計的程控放大器系統(tǒng)主要采用單片機(jī)最小系統(tǒng)、模擬開關(guān)芯片CD4051和放大器芯片LF353。其最小系統(tǒng)板模塊是以ATMEL公司的89C51為核心，其放大電路采用LF353運(yùn)算放大器二級放大，并用CD4051三輸入、可選擇八路的可程控的開關(guān)芯片，在每一級使用其中的三個開關(guān)電路，用P1.0、P1.1來控制第一級，P1.2、P1.3來控制第二級，對P1口賦予不同的值，從而選擇不同的支路，控制放大電路放大不同的倍數(shù)。通過示波器或毫伏表觀察輸入端和輸出端的波形或電壓的變化，達(dá)到放大的效