淺談程控增益放大器及應(yīng)用

1、 摘 要 本文設(shè)計(jì)是程控增益放大器。說(shuō)明了程控增益放大器的結(jié)構(gòu)和功能及其主要的特點(diǎn)。最后舉出了實(shí)用電路。本系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，數(shù)控增益放大器等構(gòu)成了實(shí)用性較強(qiáng)的硬件電路。放大器是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)電子線路。它的功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真地放大。在廣播，通信，自動(dòng)控制，電子測(cè)量等各種電子設(shè)備中，放大器是必不可少的組成部分。在各類(lèi)電子儀器和設(shè)備所采用的電子線路中，集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用最普遍的模擬電子器件。集成運(yùn)放配上不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和采用不同的反饋方式，就可以構(gòu)成功能和特性完全不同的各種集成運(yùn)放電子電路，簡(jiǎn)稱運(yùn)放電路。這些運(yùn)放電路是各種電子電路中的最基本的組成環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)能

2、夠?qū)崿F(xiàn)增益由程序控制，能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量準(zhǔn)確，工作可靠，性能價(jià)格比較高。 關(guān)鍵詞：放大器，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，MCS-51單片機(jī) SummaryThis text design is a distance to control to increase benefit enlarger.Elucidation the distance control structure and function of increase the benefit enlarger and it be main of characteristics.The end enumerated practical elec

3、tric circuitThis system with the MCS-51 list slice machine and it expand, many road conversion switch, number control to increase benefit enlarger etc. constitute the function stronger hardware electric circuit.Enlarger is application the extensive electronics circuit.It of the function carry on imp

4、ortation signal not to lose to really enlarge.At the broadcasting, correspondence, auto control, the electronics measure etc. various electronics equipments in, the enlarger be a constitute of essential to have part.In every variety the electronics circuit for adopt of electronics instrument and equ

5、ipments, integration operation enlarger is application the most widespread of imitate electronics spare part.Integration the luck put to go together with up the feedback way of the feedback network and adoption dissimilarity of dissimilarity, can constitute function and characteristic be various tot

6、ally different integration luck turn on electricity sub- electric circuit, brief name luck turn on electricity road.These lucks' turning on electricity road is in various electronics electric circuit of most basically constitute link.This system can realization increase a benefit from the proced

7、ure control, can satisfy each item technique index sign, measure accurate, work credibility, function price more Gao. Keyword:Enlarger, many road conversion switch, MCS-51 list slice machine目錄前言第一章 MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展11 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12 MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展第二章 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介第三章 數(shù)控增益放大器的基本原理第四章 測(cè)量放大器41 測(cè)量放大器的原理42 測(cè)量放大器

8、的選擇43 測(cè)量放大器在數(shù)控增益放大器中的應(yīng)用第五章 數(shù)控增益放大器實(shí)例51 PFA100多路輸入數(shù)控增益運(yùn)算放大器52 AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器 53 程序示例結(jié)束語(yǔ)致謝參考文獻(xiàn)前 言 隨著近代超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器及其外圍芯片有了迅速的發(fā)展。集成技術(shù)的最新進(jìn)展之一是將cpu和外圍芯片。和程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行，串行I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷控制器及其他控制部件集成在一個(gè)芯片中，制成單片計(jì)算計(jì)。而近年來(lái)推出的一些文檔單片機(jī)還包含有許多特殊功能單元。如A/D,D/A轉(zhuǎn)換器，調(diào)制解調(diào)器，通信控制器，鎖相環(huán)，DMA浮點(diǎn)運(yùn)算單元。因此，只要外加一些擴(kuò)展電路及必要的通道接

9、口，就可以構(gòu)成各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。如：工業(yè)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等。在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的輸入通道中，如果輸入為多點(diǎn)巡回檢測(cè)系統(tǒng)，多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，輸入通道為多輸入結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)中只有一個(gè)單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)只能分時(shí)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采樣。無(wú)論是多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，還是多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，各路傳感器輸出的信號(hào)電平都會(huì)有較大的差異，一般在A/D變換前都要經(jīng)過(guò)放大，然后，通過(guò)A/D變換后送入單片機(jī)數(shù)據(jù)總線。為了滿足多路分時(shí)多路分時(shí)傳送，輸入通道中必須配置多路開(kāi)關(guān)。多路開(kāi)關(guān)的選擇由單片機(jī)控制，而多路開(kāi)關(guān)在通道中的插入位置應(yīng)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)狀況而定。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)電壓微弱時(shí)應(yīng)先進(jìn)行放大，再接入多路開(kāi)關(guān)。如果

10、傳感器輸出信號(hào)電壓較大，應(yīng)先接多路開(kāi)關(guān)再進(jìn)行放大。如果傳感器輸入信號(hào)電平差異較大時(shí)，放大器應(yīng)選用數(shù)控增益放大器，以滿足不同模擬輸入通道的不同增益要求。 因此，數(shù)控增益放大器是根據(jù)多輸入通道系統(tǒng)中的不同模擬輸入的不同增益要求而設(shè)置而設(shè)置，它具有應(yīng)用靈活，使用經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。下面舉出了一個(gè)程控增益放大器實(shí)現(xiàn)框圖。51單片機(jī)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)量放大器 圖1 程控增益放大器實(shí)現(xiàn)框圖 程控增益放大器是以放大器為基礎(chǔ)通過(guò)單片機(jī)，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和電阻 網(wǎng)絡(luò)等一起構(gòu)成的。如圖中所示，單片機(jī)對(duì)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，而多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)又經(jīng)過(guò)與測(cè)量放大器相連，并通過(guò)控制精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)，使精密增益調(diào)節(jié)電阻

11、網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)量放大器，最終實(shí)現(xiàn)程控增益放大器。如已知信號(hào)源所需放大倍數(shù)，并把這些放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)數(shù)字量存入ROM中，當(dāng)需要輸入某信號(hào)時(shí)，則單片機(jī)將該對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)從ROM中取出，經(jīng)過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)等，使放大器按這個(gè)放大倍數(shù)輸出，既完成了程控增益。 下面以可編程增益放大器MCP6S2X為例。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（其它類(lèi)似）如圖所示。由圖可見(jiàn)，芯片內(nèi)部由一些簡(jiǎn)單的功能模塊構(gòu)成，可共同完成多路選擇、可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)等功能。具有多路選擇輸入（）模塊，共有八路輸入，可由軟件設(shè)置通道選擇。不用的輸入引腳應(yīng)懸空，以使輸入電流最小。當(dāng)然，接或時(shí)，芯片也能正常工作但輸入電流會(huì)變大。內(nèi)部運(yùn)放部分主要由運(yùn)

12、放、增益轉(zhuǎn)換器、梯形電阻()等組成，可完成信號(hào)的放大和帶寬選擇，提高輸出電壓的精確度。邏輯控制部分主要提供片選信號(hào)、同步時(shí)鐘、串行輸入輸出、上電復(fù)位、控制指令和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以完成通路選擇和增益控制等功能。上電復(fù)位電路（ ）的功能是：當(dāng)電源電壓低于的限定電壓時(shí)使內(nèi)部電路復(fù)位所有的內(nèi)部寄存器，并使芯片運(yùn)行在關(guān)機(jī)模式下。當(dāng)大于時(shí)，又使芯片恢復(fù)正常。另外，用、還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的連接，其連接形式為串行接口方式。多片連接時(shí)，前一個(gè)芯片的引腳應(yīng)連到后一個(gè)芯片的引腳，依此類(lèi)推，它們可共用和引腳 在前述的基礎(chǔ)上本文將集中介紹：MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)原理及其應(yīng)用，數(shù)控增益放大器的原理及其應(yīng)用的情況

13、，并著重以AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器為重點(diǎn)典型來(lái)研究。第一章 MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展 一 MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品為8051，8751，8031。8051是ROM型單片機(jī)，內(nèi)部有4k字節(jié)工廠掩膜編程的Rom程序存儲(chǔ)器；8751是EPROM型單片機(jī)，內(nèi)部4k字節(jié)用戶可編程的EPROM程序存儲(chǔ)器；8031是無(wú)ROM程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)，它必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。除此之外，8051，8751和8031的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是完全相同的，都具有硬件資源。 .面向控制的8位CPU.128個(gè)字節(jié)內(nèi)部ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.32位雙向輸入輸出線.一個(gè)雙工的異步串行口.

14、兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí).時(shí)鐘發(fā)生器.可以尋址64k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MCS-51的系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如1-1所示；管腳圖見(jiàn)1-2.Vss接地端 .Vcc電源端.RST/P0復(fù)位端 .EA 8031中接低電平.XTAL1振蕩器輸入 .XTAL2振蕩器輸入.ALE/PROG鎖存器信號(hào)出現(xiàn)在P0地址信號(hào), .PSEN用來(lái)信號(hào)選通ROM(外部) .P0P3為四個(gè)I/O口圖11MCS-51結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖12 8051引腳圖1.2 MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展 MCS-51單片機(jī)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，可以擴(kuò)展64k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或輸

15、入輸出口及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更靈活，對(duì)用戶的要求的適應(yīng)性也更強(qiáng) MCS-51的P0口和P2口可以直接作為輸入輸出口使用，也可以作為擴(kuò)展總線口使用，MCS-51系列單片機(jī)主要是通過(guò)P0口和P2口進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的。 由于本系統(tǒng)需要4k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器,而8031是內(nèi)部無(wú)ROM型的單片機(jī)。所以必須擴(kuò)展一個(gè)4k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器。理論上，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，EPROM,EEROM,RAM等都可以用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。但由于EPROM 價(jià)格低廉，性能可靠，所以用得比較普遍。所以本系統(tǒng)選用4k字節(jié)的EPROM 2732，引腳排列如下：其中：A0 A11：地址輸入線 O0 O7 ：三態(tài)數(shù)據(jù)輸入線讀或編程校驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)

16、輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線，維持或禁止時(shí)呈高阻狀態(tài) CE：選片信號(hào)輸入線有效 PGM：編程脈沖輸入線（與合用一腳） OE ：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效 Vpp：編程電源線，值因芯片型號(hào)和制造廠商有關(guān)2732主要技術(shù)指標(biāo)如下： 容量：4k 引腳數(shù)：24 讀出時(shí)間：29ns 最大工作電流：100mA 最大維持電流：35mAEPROM的主要操作方式有：.編程方式：把程序代碼（機(jī)器指令，常數(shù)）固化到EPROM中.編程校驗(yàn)方式：讀出EPROM中的內(nèi)容，校驗(yàn)編程操作的正確性.讀出方式：CPU從EPROM中讀取指令或常數(shù).維持方式：數(shù)據(jù)端呈高阻耗電少.編程禁止方式：適用與多片EPROM并行編程不同數(shù)據(jù) 表

17、11列出了2732EPROM的操作方式（其中VIL既TTL低電平，VIH既TTL高電平, App.編程電源其電壓因型號(hào)和廠家而異） 表11 2732A操作方式 引腳 方式CE(IP)OE/ VPPVCCO0 O7讀VILVILVCC數(shù)據(jù)輸出編程校驗(yàn)VILVILVCC數(shù)據(jù)輸出維持VIH任意VCC高 阻編程VILVILVCC數(shù)據(jù)輸入編程禁止VIHVPPVCC高 阻禁止輸出VILVIHVCC高 阻程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法 圖14給出了 MCS51與外部程序存儲(chǔ)器的一種接口邏輯.圖中采用帶三態(tài)門(mén)的8D鎖存器74LS373(見(jiàn)圖15)作為地址鎖存器74LS373的E三態(tài)門(mén)輸出允許控制輸入端,低電平有效.G為

18、鎖存信號(hào)輸入端,高電平使74LS373接數(shù),電平負(fù)跳時(shí)將D0D7狀態(tài)鎖存起來(lái).表12是74LS373的狀態(tài)功能表圖14 MCS51與外部程序存儲(chǔ)器的一種接口邏輯圖15 8D鎖存器74LS373引腳圖表12 74L373功能表EG功能01直通00保持(Q1保持不變)1X輸出高阻 圖14中,將74LS373的E 接地, G接MCS51的ALE信號(hào)74LS373的數(shù)據(jù)輸入端D0D7接MCS51的P0口,74LS373的數(shù)據(jù)輸出端Q0Q7接到外部程序存儲(chǔ)器的低位地址端.這樣,當(dāng)ALE高電平時(shí)74LS373直通,使P0口輸出的低8位地址和P2口輸出的高8位地址同時(shí)到達(dá)外部程序存儲(chǔ)器的地址線而當(dāng)ALE為低

19、電平時(shí), P0口低8位地址被74LS373鎖存保持,使外部程序存儲(chǔ)器的低8位地址信息維持不變, P0口讀到可靠的信息.外部程序存儲(chǔ)器一般采用單片機(jī)電路,其片選端接地.圖16是一個(gè)用EPROM2732擴(kuò)展4k字節(jié)的程控存儲(chǔ)器的8031系統(tǒng),這也是8031較典型的基本系統(tǒng).圖16 擴(kuò)展410字節(jié)EPROM的8031系統(tǒng)圖中2732的地址范圍為F000H-FFFFH第二章 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的輸入通道中，當(dāng)有多個(gè)模擬輸入信號(hào)需要檢測(cè)時(shí)，為了節(jié)省硬件成本，常常利用多路開(kāi)關(guān)將各個(gè)輸入信號(hào)依次接到公共的放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)輸入信號(hào)輪流檢測(cè)。多路開(kāi)關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元

20、件。為了提供參數(shù)的測(cè)量精度，要求多路開(kāi)關(guān)接通時(shí)電阻盡可能的小，斷開(kāi)時(shí)電阻盡可能的大，理想的多路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，開(kāi)路電阻應(yīng)為無(wú)窮大。此外還要求切換速度快，噪聲小，壽命長(zhǎng)和工作可靠，控制方便。常用的單片多路模擬開(kāi)關(guān)器件有CD4051(8×1),CD4052(4×2),CD4053(3×2),它們都是CMOS電路，能適合一般的場(chǎng)合。下面以CD4051為列簡(jiǎn)單介紹多路開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)原理。圖21給出的結(jié)構(gòu)框圖，它由邏輯電平轉(zhuǎn)換器，通路譯碼器，模擬開(kāi)關(guān)組成。引腳A,B,C為通路選擇控制端，經(jīng)內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換和38線譯碼器輸出8位控制線分別控制模擬開(kāi)關(guān)07的導(dǎo)通和斷開(kāi)；當(dāng)禁止輸入端

21、INH為高電平時(shí)，譯碼器輸出均無(wú)效，使開(kāi)關(guān)07都斷開(kāi)，當(dāng)INH為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)與A,B,C的二進(jìn)制信號(hào)譯碼器輸出線中有一位有效，使一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，其余都斷開(kāi)，其真值表如表21所示。表21CD4051開(kāi)關(guān)切換真值表 INHCBA導(dǎo)通通路00000000110010200113010040101501106011171xxx無(wú)邏輯電平轉(zhuǎn)換通路譯碼器模擬開(kāi)關(guān)0模擬開(kāi)關(guān)7圖21 8路單端模擬開(kāi)關(guān)CD4051結(jié)構(gòu)框圖VDD為正電源輸入端，VEE為負(fù)電源輸入端，VSS為數(shù)字地。當(dāng)VDD-VEE=15v時(shí)，輸入的模擬信號(hào)范圍（峰峰值）為15v時(shí)，其導(dǎo)通電阻為80歐；VDD-VEE=10v時(shí)，其斷開(kāi)時(shí)漏電流

22、為±10pA,靜態(tài)功耗為1w。 下面將簡(jiǎn)單介紹一下AD7506(16×1)及具有雙刀功能的CD4052(4×2),CD4053(3×2)(三刀功能)的引腳及結(jié)構(gòu)圖如22，23所示。圖22 AD7506引腳圖TTLCMOS電平轉(zhuǎn)換電路譯碼器/驅(qū)動(dòng)器圖23 AD7506結(jié)構(gòu)示意圖十六路開(kāi)關(guān)由四位地址A3A0編碼, S1S16依次為00001111，當(dāng)EV端低電平時(shí)十六路開(kāi)關(guān)全部不通圖24 CD4052引腳圖圖25 CD4053引腳圖表22 CD4052開(kāi)關(guān)切換真值表輸入狀態(tài)接通通道INHBA0000x0y0011x1y0102x2y0113x3y100xx

23、表23 CD4053開(kāi)關(guān)切換真值表輸入狀態(tài)接通通道INHCBA0000cxbxax0001cxbxay0010cxbyax0011cxbxay0100cybxay0101cybxay0110cybyax0111cybyay1xxxxxx上述多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)適用與采樣頻率較高的控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是快速，是有較大的導(dǎo)通電阻（70400歐）。第三章 數(shù)控增益放大器的基本原理 在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，多個(gè)信號(hào)源來(lái)的信號(hào)，在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換前，如果信號(hào)幅值相差懸殊，則需設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控增益放大器。當(dāng)單片機(jī)控制多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的同時(shí)，控制它的閉環(huán)增益，以使各路信號(hào)的幅度均與A/D轉(zhuǎn)換器量程相匹配。見(jiàn)圖31單片機(jī)A/D可編程

24、增益放大器傳感器多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)傳感器增益選擇控制多路選擇控制 圖31單路可編程放大原理圖因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中各路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍已知，故可預(yù)見(jiàn)算出各信號(hào)源所需放大倍數(shù)并把這些放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)數(shù)字量3入ROM中當(dāng)計(jì)算機(jī)需要輸入某路信號(hào)時(shí)，則CPU就將該路對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)從ROM中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入數(shù)控增益放大器，這時(shí) 放大器就按這個(gè)放大倍數(shù)放大，既用程序來(lái)控制放大器的放大倍數(shù)，以適應(yīng)任一信號(hào)源的增益要求。實(shí)用數(shù)控增益放大器是以某些測(cè)量放大器為基礎(chǔ)構(gòu)成的放大器的增益調(diào)節(jié)，是靠程控多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接的增益調(diào)節(jié)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。見(jiàn)圖32由于測(cè)量放大器是數(shù)控增益放大器的基礎(chǔ)，因此，我們?cè)诹私鈹?shù)控增益放

25、大器以前，先對(duì)測(cè)量放大器有一個(gè)較為明確的認(rèn)識(shí)，所以我們?cè)谙乱徽聦⒃敿?xì)介紹一下測(cè)量放大器。+2v測(cè)量放大器-2v精密增益調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)51片機(jī)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)圖32數(shù)控增益放大器原理框圖第四章 測(cè)量放大器在實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，因被控對(duì)象和使用的檢測(cè)器件不同，有些傳感器輸出的電壓（或電流）信號(hào)（或稍經(jīng)修整）能與A/D轉(zhuǎn)換器匹配，有些輸出雖已經(jīng)是數(shù)字式（如脈沖式流量記，各種類(lèi)型的編碼盤(pán)和同步感應(yīng)器等）的，但大多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)很微弱；需要放大才能與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配；另外，傳感器往往是高輸出阻抗且輸出不平衡，易受各種干擾，共模電壓高傳輸距離遠(yuǎn)，工作溫度變化大，環(huán)境惡劣等等，這就需要使用對(duì)傳

26、感器輸出進(jìn)行精密放大并放有較高共模抑制比的測(cè)量放大器。 41測(cè)量放大器的原理 測(cè)量放大器也稱數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器。一般運(yùn)算放大器用作測(cè)量放大器，性能往往顯得不夠。測(cè)量放大器由一組運(yùn)算放大器組成，最典型的結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。 圖中：A1和A2構(gòu)成高輸入阻抗的第一級(jí)，測(cè)量放大器的差動(dòng)輸入端Vi1和Vi2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器（A1和A2）同相輸入端，故輸入阻抗高。A3為將差分輸出變?yōu)閱味溯敵鲂盘?hào)的第二級(jí)負(fù)載在V0與基準(zhǔn)之間，檢測(cè)點(diǎn)與V0端通常在外部相連（也有一些測(cè)量放大器已在內(nèi)部連好）且參考電位取地電位，測(cè)量放大器的放大倍數(shù)A為:A=V0/(Vi1Vi2)=R3/R2(1+R1/Rg+R1/Rf)

27、 當(dāng)R1= R1時(shí)放大器倍數(shù)A為: A= R3/R2(1+2R1/Rg) 式中Rg是用與調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的外接電阻，R3/R2= R3/ R2通過(guò)調(diào)節(jié)Rg,可方便獲得各種需要的放大倍數(shù)，十分靈活。整個(gè)電路的共模抑制比為 CMRR=AC3,C3為運(yùn)算放大器A3的共模抑制比,該式說(shuō)明，在A1和A2完全對(duì)稱且共模抑制比極大的理想情況下，整個(gè)共模抑制比只和整個(gè)電路的增益A和A3的共膜抑制比C3的乘積有關(guān)，因此A3應(yīng)選用共模抑制比高的運(yùn)算放大器。測(cè)量放大器的參數(shù)及其意義：Vos : 輸入偏移電壓dVos/dT :輸入偏移電壓的溫漂Ios : 輸入偏移電流dIos/dT : 輸入偏移電流的溫漂Sr : 轉(zhuǎn)移速

28、率Vn : 輸入干擾電壓AV0 : 開(kāi)環(huán)增益KCMR : 共模抑制比Av ：放大器增益fm :-3db帶寬f(Av) : 增益的非線性度Ricm : 共模輸入阻抗圖41 典型的測(cè)量放大器結(jié)構(gòu)42測(cè)量放大器的選擇 前面我們主要介紹了三運(yùn)放測(cè)量放大器的基本原理，而在實(shí)際應(yīng)用中并不一定全部用三運(yùn)放測(cè)量放大器，選用那種放大器要根據(jù)具體的任務(wù)，具體的情況，實(shí)用性，經(jīng)濟(jì)性等多方面因素來(lái)考慮，這就涉及到測(cè)量放大器的選擇問(wèn)題了。為了提高精度，一般要將信號(hào)的最大幅度放大至系統(tǒng)的最大滿度電壓（通常VFs=5v或10v）。通常，測(cè)量放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)有兩類(lèi)；高電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常為可編程增益1，2，4，8等擋；低電

29、平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常為可編程增益1，10，100，500等擋. 選擇那一類(lèi)測(cè)量放大器要根據(jù)任務(wù)需要來(lái)確定,對(duì)共模抑制比要求不變時(shí)可用單運(yùn)算放大器如:AD521,AD524等它們的KCMR為80110dB左右。 當(dāng)分辨要求很高時(shí),往往希望放大器誤差遠(yuǎn)小于系統(tǒng)分辨率誤差,這時(shí)相應(yīng)的要有很高的開(kāi)環(huán)增益,單運(yùn)放是達(dá)不到的,應(yīng)選用三運(yùn)放等類(lèi)型的測(cè)量放大器如AD522A,AD522B等;例如;某系統(tǒng)需有130位的分辨率,相當(dāng)于0.012% VFs。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用放大器的誤差小于0.006%。如果閉環(huán)增益需要200倍,則可折算出放大器的開(kāi)環(huán)增益為4×1000000.這只有三運(yùn)放測(cè)量放大器才能實(shí)現(xiàn)。 自動(dòng)

30、穩(wěn)零放大器CAZ是低零溫漂移放大器。它的dVos/dT=0.01,但開(kāi)環(huán)增益KCMR=100dB,故只適用于010HZ帶寬的信號(hào)的低漂移放大。 高性能測(cè)量放大器應(yīng)用于要求高的場(chǎng)合,其性能增益為1000000;閉環(huán)差橫增益為1000時(shí), KCMR=1000000,參考型號(hào)為L(zhǎng)N0038;AD624等;隔離放大用于信號(hào)源與處理系統(tǒng)之間有非常高的共模干擾,而且必須電隔離的場(chǎng)合。43測(cè)量放大器在數(shù)控增益放大器中的應(yīng)用 在第三章我們提到測(cè)量放大器是數(shù)控增益放大器的基礎(chǔ)，現(xiàn)以三運(yùn)放測(cè)量放大器為例介紹一下測(cè)量放大器在數(shù)控增益放大器的應(yīng)用情況，見(jiàn)圖42：圖42以三運(yùn)放測(cè)量放大器為基礎(chǔ)的數(shù)控增益放大器電路圖中R

31、00R07通過(guò)多路開(kāi)關(guān)和R1相連，它們分別等效于圖41中的RG,它們的阻值可以根據(jù)不同放大倍數(shù)的要求按公式A=1+2R1/R0，計(jì)算得到，圖中51單片機(jī)的P1.0P1.2輸出到多路開(kāi)關(guān)CD4051的A,B,C通路選擇控制端，由程序控制選通R00R07中那一個(gè)電阻和R1接通，從而實(shí)現(xiàn)由程序控制放大器的放大倍數(shù)。與圖41相比，圖42在圖41的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電壓跟隨器A4,這是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中A1，A2不可能完全對(duì)稱，電阻也存在誤差，這就使電路的實(shí)際共模抑制比比理想值小，而加入A4后，A4的輸入取自A點(diǎn)共模電壓Vcm, A4的輸出近似于Vcm，并作為A1，A2的電源地端，以使A1，A2的電源電壓浮

32、動(dòng)與Vcm相同，從而大大削弱共模干擾的影響。實(shí)踐證明和圖41相比，共模抑制比可提供2040dB。第五章 數(shù)控增益放大器實(shí)例在多通道或多參數(shù)的輸入通道中，多個(gè)通道或多個(gè)參數(shù)共有一個(gè)測(cè)量放大器，各通道或各參數(shù)送入測(cè)量放大器的信號(hào)電平不同，但都要放大至A/D變換器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此對(duì)應(yīng)于各個(gè)通道或各個(gè)參數(shù)不同，測(cè)量放大器的增益亦應(yīng)不同。在輸入通道中各信號(hào)及參數(shù)通道的輸入選擇是由計(jì)算機(jī)編程控制的。因此，測(cè)量放大器也必須能由編程控制相應(yīng)的增益選擇。根據(jù)前面幾個(gè)章節(jié)的介紹我們已經(jīng)能夠運(yùn)用分立的運(yùn)算放大器湖測(cè)量放大器，增益調(diào)節(jié)電阻，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)制成各種數(shù)控增益放大器。但目前已經(jīng)推出了許多型號(hào)的數(shù)控增益

33、放大器芯片可提供用戶選擇，與用分立元件構(gòu)成的數(shù)據(jù)增益放大器相比，集成數(shù)控增益放大器具有體積小，性能優(yōu)異，成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在一般情況下，采用分立元件來(lái)構(gòu)成數(shù)控增益放大器已無(wú)多大必要。因此，本章的重點(diǎn)就是介紹兩種較具代表性的數(shù)控增益放大器芯片及其與單片機(jī)硬件連接的情況。51 PGA100多路輸入數(shù)控增益運(yùn)算放大器PGA100是BB公司推出的8級(jí)二進(jìn)制可編程增益控制運(yùn)算放大器。PGA100將多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與數(shù)字程控增益控制功能集成在一個(gè)芯片中，對(duì)于小信號(hào)多路采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特別適用。PGA100的主要特性增益精度高，小于±0。002%非線性，小于±0。005%穩(wěn)定時(shí)間短，穩(wěn)定至終值

34、0。01%為5s通道串?dāng)_為 ±0。003%有8個(gè)模擬輸入通道，輸入阻抗為100000000000歐有8個(gè)二進(jìn)制增益 ×1，×2，×4，×8，×16，×32，×64，×128A0A5用來(lái)選擇增益和模擬輸入通道，其選擇如下圖51為PGA100引腳圖A5A4A3增益A2A1A0通道0 0 010 0 0IN00 0 120 0 1IN10 1 040 1 0IN20 1 180 1 1IN31 0 0161 0 0IN41 0 1321 0 1IN51 1 0641 1 0IN61 1 11281 1 1IN7

35、通道選擇的數(shù)字輸入在時(shí)鐘的上升沿鎖存，所用的片內(nèi)鎖存器相當(dāng)于74LS378圖51 PGA100引教圖為了充分發(fā)揮PGA100的性能，模擬和數(shù)字電源應(yīng)正確連接，如圖52示，電源應(yīng)用1F電容去耦VOUT=+G,63，12，13，1619為數(shù)字輸入：14，2124為附加輸入通道圖52 電源，地，和信號(hào)的接法圖53 PGA100數(shù)控增益運(yùn)算放大器硬件連接圖5.2 AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器 AD612/614是美國(guó)AO公司生產(chǎn)的數(shù)控增益測(cè)量放大器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖54所示。圖54 AD612/614數(shù)控增益測(cè)量放大器測(cè)量放大器為典型的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。三運(yùn)放結(jié)構(gòu)中給出了“輸入保護(hù)”端15，用戶可用它

36、來(lái)構(gòu)成輸入保護(hù)電路。由于測(cè)量放大器的兩個(gè)輸入不可能得到完全一樣的共膜電壓而使測(cè)量放大器的輸出有共膜誤差電壓，而且這種情況隨共膜電壓頻率增高而加劇。如果采用保護(hù)技術(shù)，使傳輸線的屏蔽層不接地，而改為跟蹤共膜電壓相對(duì)應(yīng)的電位，這樣就可消除共膜電壓誤差。圖中保護(hù)電位取位取自A1,A2輸出端的中點(diǎn)，與15端相連，由15端接一跟隨器去驅(qū)動(dòng)輸入電纜，可屏蔽輸入共膜電壓，提高共膜抑制比，降低輸入噪聲。片內(nèi)的精密電阻網(wǎng)絡(luò)使其增益可控。AD612/614的增益控制有兩種方式，一種是數(shù)控增益，一種是外接電阻可調(diào)增益。 數(shù)控增益為二進(jìn)制增益狀態(tài)選擇，是利用精密電阻網(wǎng)絡(luò)獲得的。當(dāng)精密電阻網(wǎng)絡(luò)引出端310分別與1端相連時(shí)

37、，接二進(jìn)制關(guān)系建立在增益，增益范圍從2的1次冪2的8次冪，要求增益為2的9次冪時(shí)，10，11端與1端相連，要求增益為2的10次冪時(shí)；10，11，12端均與1相連，當(dāng)電阻網(wǎng)絡(luò)引出端312均不與1相連時(shí)，增益為1。因此，只要在1端和212端之間加一多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就可方便地進(jìn)行增益數(shù)控。外接電阻RG也可以調(diào)節(jié)增益大小，其方法是在1端和2端之間外接增益電阻RG,其增益為：Af=1+80千歐/RG為保證增益精度，可利用RG和精密電阻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的方法來(lái)減少RG對(duì)增益精度和漂移的影響。如圖54中所示。因?yàn)檫@時(shí)流過(guò)RG的電流是總電流的一小部分外接電阻RG的影響減少R內(nèi)/R內(nèi)+R外AD612/614為24腳雙列直插

38、封裝結(jié)構(gòu)如圖55所示圖55 AD612/614引腳圖 AD612/614芯片在片內(nèi)控制系統(tǒng)中的硬件連接圖見(jiàn)下頁(yè)。圖中×2的9次冪，×2的10次冪檔位分別用CD4052(4×2)和CD4053(3×2)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 AD612/614 硬件連接圖53 程序示例 在實(shí)際應(yīng)用中，片機(jī)控制程序具體情況不同而不同但，其流程圖大都與56基本相同。開(kāi)始取出增益量片選操作返回重新發(fā)送是否發(fā)送完畢執(zhí)行其它程序發(fā)送增益量NY圖56數(shù)控增益放大器程序控制流程圖下面是一個(gè)實(shí)際程控的例子：程序示例：某片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，選用的是AD612數(shù)控增益放大器，該系統(tǒng)有8路模擬輸入，每路的增益量已

39、經(jīng)固化到EPROM中(F000HF006H)，對(duì)應(yīng)增益檔位為×2，×4，×8，×16，×32，×64，×512，×1024其程序清單如下ORG 0000H0000 75 8100 MAIN: MOV SP,#79H0003 7E 00 MOV R0,#00H0005 7F 06 MOV R7,#06H0007 90 F000 MOV DPTR,#F000H000A 75 AOCF MOV P2,#CFH000D E0 LOOP1:MOVX A,DPTR000E 75 90 MOV P1,A0010 A3 INC DPTR