程控增益放大器的實現(xiàn)方法

1、程控增益放大器的實現(xiàn)方法XThe Method to Realize Programmable Gain Amplifier國防科技大學機電工程與自動化學院(長沙410073王光明張沈國際【摘要】概述了程控增益放大器的基本原理,總結(jié)了當前程控增益放大器電路的實現(xiàn)方法及其特點。關(guān)鍵詞:程控增益放大器,數(shù)字電位器,D /A 轉(zhuǎn)換【Abstract 】In the article ,the principle of programmable gain amplifier is gener alized ,the realizing methods and the respective charact

2、eristics are also summar ized .Keywords :programmable gain amplifier ,RDAC ,D /A conversion1引言在自動測控系統(tǒng)和智能儀器中,如果測控信號的范圍比較寬,為了保證必要的測量精度,常會采用改變量程的辦法。改變量程時,測量放大器的增益也應相應地加以改變;另外,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,對于輸入的模擬信號一般都需要加前置放大器,以使放大器輸出的模擬電壓適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓范圍,但被測信號變化的幅度在不同的場合表現(xiàn)不同動態(tài)范圍,信號電平可以從微伏級到伏級,模數(shù)轉(zhuǎn)換器不可能在各種情況下都與之相匹配,如果采用單一的增益放大,

3、往往使A/D 轉(zhuǎn)換器的精度不能最大限度地利用,或致使被測信號削頂飽和,造成很大的測量誤差,甚至使A/D 轉(zhuǎn)換器損壞。使用程控增益放大器就能很好地解決這些問題,實現(xiàn)量程的自動切換,或?qū)崿F(xiàn)全量程的均一化,從而提高A /D 轉(zhuǎn)換的有效精度。因此,程控增益放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動測控系統(tǒng)和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應用。2基本原理程控增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA 的基本形式是由運算放大器和模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡組成,其基本原理如圖1所示。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),也可用計算機硬件根據(jù)需要來控制。由圖1可知放大器增益G

4、:G =V O V I R FiR I(1電路通過數(shù)字編碼控制模擬開關(guān)切換不同的增益電阻, 從而實現(xiàn)放大器增益的軟件控制。圖13程控增益放大器的實現(xiàn)根據(jù)程控增益放大器的基本原理,它有多種實現(xiàn)方法。(1最簡單的實現(xiàn)方法是基于上述基本原理實現(xiàn)的程控增益放大器。該電路由運算放大器、模擬開關(guān)、數(shù)據(jù)鎖存器和一個電阻網(wǎng)絡組成。其特點是可通過選用精密測量電阻和高性能模擬開關(guān)組成精密程控增益放大器,但缺點是漂移較大,輸入阻抗不高,電路線路比較復雜。·58·電子工程師微電子與基礎(chǔ)產(chǎn)品Vol .28N o .42002X 收稿日期:20020116圖2是由數(shù)據(jù)鎖存器74LS 373、4SPST

5、 模擬開關(guān)MAX 313、運放0P 07和一個電阻網(wǎng)絡組成的實用精密程控增益放大器電路,通過選擇電阻網(wǎng)絡電阻R F1R F4和電阻R I 的阻值,經(jīng)模擬開關(guān)4個通道的切換與組合,可得到15個不同的放大/ 衰減增益。圖 2圖3(2利用D/A 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)程控增益放大器D /A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一組模擬開關(guān)的電阻網(wǎng)絡,用它代替運放反饋部件,與儀表放大器一起可組成程控增益放大/衰減器,再配合軟件判斷功能就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動切換量程,其原理圖如圖3所示。圖3所示是用兩片D/A 轉(zhuǎn)換器和一片運放組成的程控增益放大/衰減器。把程控增益放大/衰減器的輸入輸出信號分別作為兩片D /A 轉(zhuǎn)換器的參考電壓信號,設

6、兩片D /A 為8位DAC,其數(shù)字量輸入分別為D 1和D 2,則根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可知有:I OUT1=V I N R 1õD 1256I OUT2=V O R 2õD 2256(2從圖3可得電路放大增益為:ûG û=V O V I N =D 1D 2õR 2R 1(3通過對D 1和D 2的設置,可以實現(xiàn)放大增益的程序控制。根據(jù)上述原理構(gòu)成的程控增益放大/衰減器電路,不僅能實現(xiàn)程控增益量程的多變,而且具有寬的通頻帶,只是其性價比偏高。(3選用集成程控運算放大器隨著半導體集成電路的發(fā)展,目前許多半導體器件廠家將模擬電路與數(shù)字電路集成在一起

7、,已推出了單片集成數(shù)字程控的增益放大器,例如BURR-BROWN 公司的PGAXXX 系列產(chǎn)品PGA101、PGA 203、PGA 206等等,它們具有低漂移、低非線性、高共模抑制比和寬的通頻帶等優(yōu)點,使用簡單方便,但其增益量程有限,只能實現(xiàn)特定的幾種增益切換。(4采用數(shù)字電位器實現(xiàn)程控增益放大器數(shù)字電位器(RDAC是一種具有數(shù)字接口的有源器件,可以很方便地與微控器接口來精確調(diào)整其阻值。它具有耐沖擊、抗振動、噪音小、使用壽命長等優(yōu)點,更重要的是它可以代替電路中的機械電位器,容易實現(xiàn)控制自動化和操作上的智能化,在自動測控系統(tǒng)和智能儀器中得到越來越廣泛的應用。例如應用較為典型的美國Xicor 公司

8、推出的X 系列固體非易失性數(shù)字電位器產(chǎn)品E 2POT 。本文以X9C104為具體實例,介紹它的功能及在程控增益放大器中的應用。X 9C 104的功能方框圖如圖4所示。它是一個含有99個電阻單元的電阻陣列,每個電阻單元之間和兩個端點都有可以被滑動端訪問的抽頭,滑動單元的位置由/CS 、U /D 和/INC 三個輸入端控制,滑動端的位置可以被儲存在非易失性存儲器中,使用方便簡單。在微處理器控制系統(tǒng)中,利用它與運放很容易構(gòu)成程控增益放大器。其特點是它不僅能實現(xiàn)量程多級變化,實現(xiàn)高的增益分辨率,而且線路非常簡單。但由于數(shù)字電位器受制造工藝等因素的制約,其通頻帶受限,利用它實現(xiàn)的程控增益放大器高頻頻響特

9、性不理想。下面介紹一種采用此方法在DSP 系統(tǒng)中實現(xiàn)的程控增益放大/ 衰減器。圖4在電路設計中,將兩片數(shù)字電位器X9C104配合使用與精密運放OP37構(gòu)成一程控增益放大/衰減器,電路原理圖如圖5所示。數(shù)字電位器的片選信·59·王光明,等:程控增益放大器的實現(xiàn)方法 圖5號/CS 由譯碼電路確定,U /D 和/INC 兩個控制信號利用DSP 的IO 0、IO 1口輸出,因DSP 的IO 0、IO 1口具有鎖存功能,容易用軟件編程方法輸出滿足數(shù)字電位器X 9C 104要求的時序信號,DSP 與數(shù)字電位器之間不需要再設計等待狀態(tài)發(fā)生器,使控制電路大大簡化。設分別為數(shù)字電位器X9C1

10、04(1與X 9C 104(2的阻值,由圖5知其放大增益G 為:G =-R 2+R G 2R 1+R G 1=-R 2+1010N 2R 1+1010N 1(N 1,N 2=0,1,2, (99(4通過DSP 設置N 1、N 2的值從而實現(xiàn)增益G 。若取R 1=20.2k 8,R 2=1.01k 8,則通過N 1、N 2的組合可使增益ûG û在1/1205的范圍內(nèi)實現(xiàn)多個可程控的增益變化。4結(jié)束語上述幾種實現(xiàn)方法各有其不同的特點和應用場合,在實際應用電路中,程控增益放大器的實現(xiàn)要根據(jù)不同的要求,選擇相應的實現(xiàn)方式。為了提高程控增益放大倍數(shù)的精度,電路要選用精密電阻網(wǎng)絡并要精

11、密匹配,同時要減小電路中控制開關(guān)導通電阻的影響,并要根據(jù)精度的不同要求選用不同級別的模擬開關(guān)。隨著程控增益放大器電路的精度越來越高,應用越來越簡單方便,它在自動測控系統(tǒng)和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應用,并大大加速了測控系統(tǒng)和儀器儀表的自動化、智能化和集成化的發(fā)展。參考文獻1趙茂泰.智能儀器原理及應用.北京:電子工業(yè)出版社,19992楊欣榮,凌玉華等.現(xiàn)代測控技術(shù)與智能儀器.長沙:湖南科學技術(shù)出版社,1995(上接第51頁于穩(wěn)壓管VD 2兩端的電壓恒定(3V,使射隨器V 4的V e 升高,導致差分對V 3的V b 升高,集電極電流增大,差分對另一個管子V 2的I c 減小,V c 升高,從

12、而使V 1的ûV GS û降低,導致I D 減小,直到兩調(diào)整管電流均衡。若輸出電流減小,其工作過程與上述相反。電路中的功放電流檢測電路由N 1、V 4、N 4-A 等組成,假設功放管由于某種原因使其電流增大,這時電阻R 4兩端電壓也增大,則V 4的V e 升高,使N 4-A 1端輸出增大,將這個增大的輸出信號送至檢測電路。機內(nèi)自檢系統(tǒng)即時對功放管進行檢測,一有故障馬上報警并及時采取保護措施。3.5輸出短路保護電路二極管VD 1是穩(wěn)壓器的保護電路,它跨接在輸出端和V 2的基極之間,負載正常時,二極管因反偏而截止。負載一旦出現(xiàn)短路故障,二極管就會立即導通,使V 2的V b =0,V 2截止導致V c =27V ,從而V 1因V GS =0而截止,于是穩(wěn)壓器無電流輸出,從而保護了穩(wěn)壓器。其電路如圖3所示。4結(jié)束語設計的射頻功放穩(wěn)壓電源,能夠滿足射頻功放大功率、大電流的需要,能夠?qū)崿F(xiàn)自動穩(wěn)壓,并能夠自動保護功放穩(wěn)壓電源和功放管,經(jīng)多年的使用證明,穩(wěn)壓性能良好,其各項指標達到了設計要求。參考文獻1趙學權(quán).電源電路.北京:電