程控放大器的设计与实现

程控放大器的设计与实现

摘要

本文介绍了一种可通过程序改变增益的放大器。它与ADC相配合，可以自动适应大范围变化的模拟信号电平。系统以89S51单片机作微处理器，运用NE5532芯片组成运放电路，采用CD4052芯片担任增益切换开关，通过软件控制开关的闭合或断开来达到改变电路的增益。

文章首先对系统方案进行论证，然后对硬件电路和软件设计进行了说明，最后重点阐述了系统的调试过程，并且对调试过程中遇到的问题以及解决方案进行了详细说明。该系统设计达到了预期要求，实现了最大放大60db的目的。

关键词

程控放大器；运算器放大器；单片机；增益

The Design and Realization of Program-Controll Amplifier

Abstract

This article introduces a amplifier which changes the gain through the software. It coordinates with ADC and adapts the simulated signal level with wide range change automatically. The system uses the 89s51 SCM as the core. The NE5532 chip composes the operational circuit and the CD4052 chip composes the gain switch. The gain of the circuit is changed by software which can control switch closed or disconnect.

The article first demonstrates the system plan, then introduces the hardware and the software, finally explains the debugging process of the system with emphasis. It also especially analogizes the problem in the debugging process and the resolutions. This system design has achieved anticipative request and realized enlarged 60db most greatly the goal.

Key words

Program-controlled amplifier; operational Amplifier; SCM; gain

前言

在计算机数控系统中,模拟信号在送入计算机进行处理前,必须进行量化,即进行A/D 转换[ 1 ]。进行A/D 转换之前,必须考虑A/D 转换器的分辨率和模拟输入电压量程这两个问题。

在一些特殊的应用中,我们常希望输入信号的幅值接近A/D 的输入电压量程的上限。工程上常采取改变放大器增益的方法对幅值大小不一的信号进行放大。在计算机数控系统中,为实现不同幅度信号的放大, 往往不希望、甚至也不可能利用手动方法来实现增益变换。利用程控放大器可以很好地解决上述问题。程控放大器是根据使用要求由程序控制改变增益的放大器,具有控制方便,线性度高,稳定可靠等优点[ 2 ]。使用程控放大器改变模拟输入信号的增益,并配合A/D的使用,可允许输入的模拟信号在较大范围内动态变化,达到了提高A/D 的输入电压量程的目的,也相当于提高了A/D 的分辨率。

随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采取数字化和智能化方向的发展[ 3 ]。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处理电路组成。其中后端数据处理电路通常采用高精度A/D和高速单片机，以保证仪表的精度和速度要求。对于前端电路，

由于传感器输出信号的幅度和驱动能力均比较微弱，必须加接高精度的测量放大器以满足后端电路的要求；另一方面，传感器在不同测试中输出信号的幅度可能相差很多，传统的处理方法是对放大器增加手动档位调节以保证后端的A/D采集输入端的信号在一定幅度内，从而保证整个仪表的测量精度。人工档位调节增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性，同时档位调节通常采用机械转扭增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。是否可由单片机自动选择量程档位呢？答案是肯定的，传统的方法是采用可软件设置增益的放大器。

1 设计任务与要求

设计并制作一个程控放大器。通频带10Hz-150KHz，输入阻抗大于500KΩ，最大输出10VPP。增益可调范围0-60db，每10db步进。放大倍数可预置，可修改，并用数码管显示。增益误差不大于 2db。

2 系统方案论证

程控放大器的基本电路和一般放大器电路类似,只是不同电路其反馈网络以及期中的电阻阻值是不同的,下面就改变增益的几种常用方法作一些探讨。

2.1 方案一同相型程控放大器

图2.1 同相放大器的基本电路

同相型放大器的基本电路如图2.1所示。放大器的增益G只取决于反馈电阻Rf 和电阻R1。

由于运算放大器的输入阻抗很高,尤其对于场效应输入型运算放大器, 输入阻抗可达1012Ω,因而开关的导通电阻对放大器增益的影响可以忽略不计[ 4 ]。在图2.1中,利用运算放大器的高开环增益特性和负反馈,开关的导通电阻对增益的影响基本上得以消除。该类电路的优点是开关导通电阻对电路的增益影响小,因此特别适用于采用模拟电子开关控制的场合。电路的不足之处是放大器增益不能小于1 ,因此不能对输入信号进行衰减,解决办法是在前级加入无源衰减网络。2.2 方案二反相型程控放大器

图2.2 反相型程控放大器

反相型程控放大器的基本电路如图2.2所示。在图中只需改变Rf 或Ri 的阻值就可以改变放大器的增益。电路中,切换开关SW1～SWn 可以使用模拟电子开关或继电器,通过软件控制开关的闭合或断开,用于选择不同的输入电阻或反馈电阻来达到改变电路的增益[ 5 ]。该类电路的优点:放大器增益可大于1 ,也可小于1 或等于1 ,因此,既可以对输入的小信号进行放大,也可以对输入的大信号进行衰减,因此电路的动态适应范围很大。但该方法的缺点也是显而易见的:由于切换开关与输入电阻或反馈电阻串联,开关的导通电阻将影响放大器的增益,特别是在使用模拟电子开关时尤其明显。解决方法是将放大器的反馈电阻Rf 和输入电阻Ri 尽量取大一些,也可先测出开关的导通电阻,再对电路中的Rf~Rf n或Ri1~Ri n作适当的修正。另外, 所示的放大器的输入阻抗不是固定的,因此最好加入隔离放大器以减少对前级信号源的影响。

该图所示电路，采用集成化的模拟开关担任增益切换开关，功耗小，体积小，可以由TTL或CMOS电平直接驱动，可进行放大和衰减。同样，模拟开关的导通电阻影响放大倍数，模拟开关可以使用CMOS 系列的CD4066，CD4051~CD4053等等，也可以使用MAX75XX系列或MAX301~309，331~339，351~359系列的模拟开关。当放大器的输入信号正负都有时，模拟开关必须双电源供电。

2.3 方案三 DAC型程控放大器

DAC型程控放大器由DAC 和运算放大器组成,其原理是利用