依據(jù)電子技術(shù)理論，采用模/數(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)討論了一種增益可調(diào)的編程放大器的實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析，給出了實(shí)際應(yīng)用電路。

在許多數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)，特別是小信號(hào)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于信號(hào)源的多樣性，常常需要采集系統(tǒng)的前向通道，具有可變的放大倍數(shù)，使之能對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行滿(mǎn)量程放大，保證測(cè)量精度。因此，多數(shù)采集系統(tǒng)的前向通道，需要可編程放大器的支持。

目前，采集系統(tǒng)的前向通道，一般采用外接電阻和模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的增益變換，使得編程放大器的放大倍數(shù)，級(jí)差變化較大，可調(diào)整范圍較小，對(duì)外接電阻的精度要求較高，且需要較復(fù)雜的接口電路，給設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)了諸多不便。根據(jù)電子技術(shù)理論，利用D/A轉(zhuǎn)換器的特有工作原理，實(shí)現(xiàn)一種增益可編程的信號(hào)放大電路，是一種較好的和經(jīng)濟(jì)的方法，且具有一定的應(yīng)用和實(shí)踐意義。

原理實(shí)現(xiàn)

一種R-2R 梯型網(wǎng)絡(luò)式D/A 轉(zhuǎn)換器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。其轉(zhuǎn)換原理為電阻加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，按需求產(chǎn)生不同的加權(quán)電壓，然后相加得到要轉(zhuǎn)換的模擬電壓。圖1中VRef為參考電源輸入端，是轉(zhuǎn)換器輸出電壓的基準(zhǔn)； Iout1和Iout2為轉(zhuǎn)換器模擬量的互補(bǔ)輸出端，由數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)： Rfb為反饋電阻接入端，使得內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可與外部放大器組成閉環(huán)回路，完成電壓的疊加； K0 ～K7 為由數(shù)字量控制的模擬開(kāi)關(guān)， 控制D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出。

由圖1分析知，該類(lèi)型的D/A轉(zhuǎn)換器是由電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)基準(zhǔn)電壓VRef按2i （ i = 0， 。， 7）的權(quán)值取其電壓分量，由開(kāi)關(guān)控制是否將對(duì)應(yīng)的權(quán)值位接入到輸出端上，再由Iout1和Iout2互補(bǔ)輸出。根據(jù)電路基本原理，若將Iout1和Iout2輸入至運(yùn)放，則在運(yùn)放的輸出端得到如下數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系式

N 為D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入值。通過(guò)上式可得到，數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路（D/A轉(zhuǎn)換器+運(yùn)算放大器）的模擬量輸出Vout ，實(shí)際是對(duì)參考電壓VRef的一種分壓變換，若將VRef看成是輸入電壓信號(hào)，則給定數(shù)字量與它的字長(zhǎng)N 位模2N 的比即可看成是放大倍數(shù)， 那么從運(yùn)算放大器的Vout端，隨著給定數(shù)字量的不同，可在輸出信號(hào)Vout端，得到與VRef對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)Vout。因此可利用D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)VRef信號(hào)端編程的增益變換。

圖1　R-2R梯型網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器的原理結(jié)構(gòu)圖

電路設(shè)計(jì)

通過(guò)上述的討論，采用D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸是可行的。但由式（ 1）可看到，若將VRef作為輸出端，在Vout輸出端，只能獲得小于等于一的增益。通過(guò)圖1可以看出，VRef、Iout1、Iout2和Rfb端是構(gòu)成R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的模擬信號(hào)端口，網(wǎng)絡(luò)的組成可由數(shù)字接口信號(hào)控制。那么對(duì)這些端點(diǎn)進(jìn)行新的組合應(yīng)用，則可實(shí)現(xiàn)增益大于一的編程放大器。其實(shí)現(xiàn)原理圖見(jiàn)圖2。

在圖2中，改變?cè)韴D1中信號(hào)的接入點(diǎn)，將Rfb端作為放大電路的信號(hào)輸入端Vin ，將Iout1端接運(yùn)算放大器的信號(hào)輸入負(fù)端，同時(shí)將VRef端接運(yùn)放的輸出，使通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電阻R網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了基本放大電路的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。這樣由D/A轉(zhuǎn)換器的R-2R網(wǎng)絡(luò)，和運(yùn)算放大器共同組成了可編程的放大電路。根據(jù)運(yùn)算放大器V + =V - 的虛短原理有

圖2　編程放大器電原理圖

若改變Rin、Rf 的任何一個(gè)的阻值，均可改變放大器的放大倍數(shù)。故而在該電路中，可由D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入改變反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的投、切，實(shí)現(xiàn)Rf 的變化，從而實(shí)現(xiàn)放大器增益的可編程。由原理圖2可推得

N 為數(shù)字量給定，它的范圍是從0 ～255 （對(duì)應(yīng)DAC0832）的數(shù)值，當(dāng)給定為滿(mǎn)刻度時(shí)（255） 10，可獲得近似為1的最小增益；當(dāng)給定數(shù)字為“0”時(shí)，則電路中出現(xiàn)放大器反饋電阻開(kāi)路，運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，因此理論上，該電路可實(shí)現(xiàn)從1～∞的可編程增益。

為了不出現(xiàn)開(kāi)環(huán)增益的情況，在電路中，在運(yùn)放的輸出與輸入端，并入一兆歐級(jí)（電路中為15 MΩ）的電阻，防止出現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)，造成對(duì)電路的影響。DAC0832是一片帶雙緩沖輸入的8位D/A轉(zhuǎn)換器，它具有靈活的數(shù)字接口，數(shù)字信道具有雙緩沖功能，且可單獨(dú)控制；數(shù)字接口邏輯支持5 V供電系統(tǒng)，可方便地與微機(jī)對(duì)接；模擬信道允許正、負(fù)15 V的動(dòng)態(tài)擺幅，是一種非常通用D/A轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)中將其設(shè)計(jì)為單緩沖模式，WR1，作為編程信號(hào)統(tǒng)一控制，該端可作為與微機(jī)的接口控制信號(hào)應(yīng)用。當(dāng)且僅當(dāng)，該信號(hào)為低電平時(shí)，才可能將由數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)的數(shù)字，寫(xiě)入D/A轉(zhuǎn)換器，否則，D/A轉(zhuǎn)換器處于保持狀態(tài)，既保持放大器的放大倍數(shù)不變。其信號(hào)傳輸時(shí)序如圖3。

圖3　編程信號(hào)時(shí)序圖

為了實(shí)現(xiàn)良好的放大器性能，采用具有FET高阻輸入特性的CA3140運(yùn)放作為核心放大器，同時(shí)采用外部調(diào)零電路，對(duì)其進(jìn)行物理調(diào)零。以保證放大器的精度。

實(shí)驗(yàn)分析

DAC0832內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)是由若干15kΩ 的電阻組成的R-2R網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，在Iout1和Rfb端內(nèi)部集成了15kΩ的電阻，為此，我們直接將Rfb作為放大器的信號(hào)輸入端。并且由于電阻的集成制造，保證了其參數(shù)的一致性，放大器的穩(wěn)定性能取決于外接運(yùn)算放大器的性能，電路中采用CA3140可獲得非常穩(wěn)定的增益。

實(shí)驗(yàn)首先將信號(hào)輸入Rfb端接零電平，然后在1、128、256三點(diǎn)不同增益下，分別進(jìn)行物理調(diào)零。采用fluke F45數(shù)字萬(wàn)用表作為測(cè)量工具，使得三點(diǎn)的零電位誤差在0. 1%之內(nèi)，然后將信號(hào)輸入端分別接10 mV直流信號(hào)和50 Hz、10 mV的正弦信號(hào)，并改變其編程放大參數(shù)，測(cè)量其對(duì)應(yīng)的結(jié)果，可得表1的測(cè)試參數(shù)。

表1　V in = 10 mV直流信號(hào)，和V in = 10 mV　50 Hz的正弦信號(hào)測(cè)試參數(shù)

上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該可編程放大器具有非常穩(wěn)定的倒數(shù)增益特性，且控制方式簡(jiǎn)單。

結(jié)　論

由DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器組成的可編程放大器，由于它所具有的微機(jī)接口功能，使得其實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單可靠，增益調(diào)整簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活方便，擴(kuò)充了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍，其缺點(diǎn)是增益倒數(shù)數(shù)值關(guān)系，使得增益與編程數(shù)字間不能保持線(xiàn)性變換。本設(shè)計(jì)的研究，探討了一種數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于模擬技術(shù)的方法，應(yīng)用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的特性，可方便的實(shí)現(xiàn)，如數(shù)字給定式信號(hào)發(fā)生器、電位鑒別器等應(yīng)用。是一種非常有意義的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用探討。

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