基于单片机的程控放大器

基于单片机的程控放大器

摘要：程控放大器是一种放大倍数由程序控制的放大器，也称作是可编程放大器。在这个数据信息的时代里，数据和信息的快速采集与分析很重要，而程控放大器正好可以实现自动控制增益或量程自动切换，所以程控放大器得到广泛的应用。这就涉及到如何通过程序去实现放大倍数的问题，也需要用到数字控制放大器，并针对仪器的要解决的具体问题要求放大器的放大倍数在一定范围内变化，且放大倍数如何达到精细。

关键词：程控；放大器；信号；单片机

1系统设计原理

程控放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶、生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。

程控放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。

程控放大器的第一级只对差摸信号有一定的放大作用，而对共模信号几乎没有抑制作用，对共模信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成,而且放大器的共摸抑制比约为第一级电路的差摸电压增益和第二级电路的共摸抑制比的乘积。

在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，由于信号远离运放，两者地电位不统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引人的误差。为了抑制干扰，运放通常采用差动输人方式。

2设计方案及实现

通常采用同相并联式高阻抗测量放大器电路（图1），具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移互相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号等优点。线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模输人电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需精密匹配电阻。后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻精度则要求匹配。增益分

配一般前级取高值，后级取低值。

图1 同相并联式高阻抗测量放大器电路

该测量放大器由运放U1和U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U3组成第二级差分放大电路。

然而由于测量放大器常采用预置电阻的方法控制增益、其灵活性不能满足特殊应用的需要。因此本文提出的方案在常规的放大器的基础上，增加了单片机控制线性增益调节电路和抗干扰提高共模抑制比，电路增益最大预置为4095倍，能实现闭环控制，线性度好，共模抑制比高。此方法能较好的应用于宽范围不平衡电桥的动态监测中。

系统组成框图如图2所示。

图2 系统组成框图传感器输出信号

程控电路

输出电路

（数码管显示）

单

片

机

信号

变换

DA运

算放大器

拨码开关

电源模块

整个电路由信号变换电路、程控放大电路、信号输出电路三大模块组成。信号变换电路主要实现对信号的调理。程控放大电路包括单片机控制部分、拨码开关部分和运放部分组成，实现对信号放大倍数的自动调节。

来自传感器或函数发生器的模拟信号经过信号变换电路后送程控放大电路，而程控放大器的增益受程序控制，可以实现变动，其具体数值则通过拨码开关设置并送入单片机系统，单片机输出一方面送程控放大器控制器增益按预置数值变化，一方面经译码驱动电路送LED显示该预置数值。

3系统核心模块的硬件设计

程控放大器中的运放放大部分，可以由LM318来实现，而对于的比例放大器的反馈电阻可以由D/A组成的网络电阻代替，通过单片机对其阻值进行控制，从而实现对放大倍数的控制。单片机控制是利用单片机AT89S52控制测量放大倍数，主要是由按键控制选择不同的前级放大倍数，再由单片机预制放大倍数，输送给AD转换器AD7520衰减输出，实现1000倍放大倍数可调。拨码控制部分，可以采用四位BCD拨码开关，用来预置调节差模电压增益。它的优点是断电后再开启时，不用重新置数。单片机用于将拨码开关设置的数值转化成程控放大器的控制字，并且送显示电路。显示驱动电路采用CMOS通用型8位LED数码管驱动电路MC14495，它内含位和段驱动电路及自动扫描控制电路，还有8乘8位的静态存储器以及七段16进制的现实吗和10进制的显示译码电路。该电路采用单一+5V电源供电，数据在电压降至2V时仍可保存不丢失；它与MCS-51系列单片机的接口非常简单，而且8位LED数码管直接与MC14495相连，不需接上拉电阻。程序防大部分包括D∕A转换器AD7520和输出放大。通过D∕A 转换器AD7520把输入电压放大到手工调节的倍数。电路原理图如图3所示。

图3 AD7520程控原理图

通过D∕A转换将模拟信号放大到欲实现的放大倍数并有倒相功能。设计中

要求将信号放大0倍至1000倍。十位二进制能表示的最大十进制数十1023。如果将每一位定为0，则十进制也为0；如果将每位数定义为1那么十进制数位1023。AD7520可看成是一个R-2R电阻网络，而十位数据口的输入则相当于对该网络的输入电阻进行编程，对于输出的不同的数值量，得到不同的输出、输入电压比。由于前级放大器已经做到了相应的放大，只要调整相应的输出放大器就得到要求的放大倍数。现在采用单片机的数模转换器AD7520是10位D∕A转换成集成芯片，与微处理器完全兼容。10位DAC（AD7520）数字量每改变一个bit，该放大器输出就改变输入量的1∕1024，因此，完全可以实现放大倍数步距为1的变化。比如要求的到1000倍的放大倍数，则只要前级和中间级的放大倍数Au为：

Au=5.1K（1+10.2K∕10）∕5K=1040 由1024乘以1000∕1024=1016D=3F8H，对输出放大器置数成3F8H就可以得到1000倍的放大。

参考文献

[1] 丁德渝，徐静编.电子技术基础[M].中国电力出版社.2010年3月

[2] 蔡振江.单片机原理及运用[M].电子工业出版社.2011年8月