一種數(shù)控高增益測量放大器的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)工程應(yīng)用中對小信號放大的需要，結(jié)合模擬電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)控高增益測量放大器。根據(jù)預(yù)置的電壓放大倍數(shù)合理分配第一級、第二級的放大量，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)為1的1～1 000的放大倍數(shù)預(yù)置和顯示功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端，使運(yùn)放電源電壓隨共模輸入電壓浮動(dòng)等改進(jìn)措施提高了放大器的共模抑制比，實(shí)現(xiàn)了一種方便實(shí)用的數(shù)控高增益測量放大器。
關(guān)鍵詞：測量放大器；共模抑制比；數(shù)字控制；單片機(jī)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器

測量放大器也稱為儀表放大器或數(shù)據(jù)放大器，它是一種可以用來放大微弱差值信號的高精度放大器，在測量控制等領(lǐng)域具有廣泛的用途。通常，測量放大器多采用專用集成模塊來實(shí)現(xiàn)，雖然有很高的性能指標(biāo)，但不便于實(shí)現(xiàn)增益的預(yù)置與數(shù)字控制，同時(shí)價(jià)格較高。為此，結(jié)合應(yīng)用實(shí)際，利用高增益運(yùn)放，設(shè)計(jì)了一種具有高共模抑制比，高增益數(shù)控可顯的測量放大器。提高了測量放大器的性能指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)放大器增益較大范圍的步進(jìn)調(diào)節(jié)。

l 方案設(shè)計(jì)
采用固定放大倍數(shù)的測量放大器必然會(huì)對整體放大器的動(dòng)態(tài)性能有很大影響，所以本設(shè)計(jì)主要由三個(gè)模塊電路構(gòu)成：前級高共模抑制比測量放大器、AD7533衰減器和單片機(jī)鍵盤顯示處理模塊。在前級高共模抑制比放大器中將輸出共模電壓反饋到正負(fù)電源的公共端提高共模抑制比。衰減器實(shí)現(xiàn)衰減率的數(shù)字編程。單片機(jī)鍵盤顯示處理模塊一方面對8279進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還對AD7533進(jìn)行數(shù)字控制。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從整體系統(tǒng)框圖可以分析，系統(tǒng)對輸入信號的放大倍數(shù)為：

其中，Ac是前級放大器的放大倍數(shù)，ADAC是衰減器的衰減率。
1．1 前級放大器
在此采用儀用放大器組成高共模抑制比測量放大器如圖2所示，運(yùn)放A4實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓反饋至電源公共端，使運(yùn)放電源電壓隨共模輸入電壓浮動(dòng)，從而使各級偏置電壓都跟蹤共模輸入電壓，這樣各級的共模信號就被大大削弱了，共模輸入電壓在放大器輸出端產(chǎn)生的誤差電壓就大幅度減少，提高了放大器的共模抑制比。圖中Rw由3條并列的固定電阻通路構(gòu)成，3條電阻通路由單片機(jī)控制的3個(gè)繼電器來分別接通實(shí)現(xiàn)。很容易分析得到此放大器的放大倍數(shù)為：

由此，改變Rw獲得3個(gè)控制等級的前級電壓放大倍數(shù)，分別對1～10 V，0．1～1 V以及小于O．1 V的3個(gè)不同電壓段的信號進(jìn)行控制，通過繼電器切換的方式實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，如表1所示。

1．2 單片機(jī)與衰減器部分
單片機(jī)部分實(shí)現(xiàn)總體控制與顯示，由51單片機(jī)和8279鍵盤顯示芯片主體構(gòu)成。置數(shù)可由0～9數(shù)字鍵和加、減、預(yù)置數(shù)等控制鍵實(shí)現(xiàn)。任一輸入信號在前級放大的基礎(chǔ)上再經(jīng)后級程控衰減器乘上10倍以后獲得最終的電壓放大倍數(shù)。單片機(jī)與衰減器原理圖如圖3所示。