利用程控增益放大器提高AD转换分辨力

利用程控增益放大器提高A/D转换分辨力2011-07-03 16:22

利用程控增益放大器提高A/D转换分辨力

徐开友徐承材孙海波

【摘要】分析了程控增益放大器的原理，利用它提高A/D转换分辨力。

给出了电原理图、调试方法及程序流程，并说明了它的主要用途。

【关键词】程控增益放大器，A/D转换，分辨力

INCREASE A/D CONVERSION RESOLUTION BY PROGRAMMED GAIN AMPLIFIER

Xu Kaiyou Xu Chengcai Sun Haibo

ABSTRACT This paper clarifies the theory of programmed gain

amplifier and the theory about increasing the resolution of A/D convertion.It puts forword the circuit,the way to debug and the program flow.And its application is also described.

Key words Programmed gain amplifier,A/D conversion,Resolution

1 程控增益放大器的原理

用程序控制放大器的增益常用下面2种方法。

1)图1是程控增益放大器的电原理图。它实际上是由集成运放组成

的反向端输入放大器，它的增益为：

图1 程控增益放大器的电原理图

当K1闭合，K2断开时，

当K2闭合，K1断开时，

由公式可见，改变Ri即可改变增益Aufi而开关K的通断可用单片机通过程序控制模拟电子开关的通断来实现。

2)仿示波器Y信道工作原理，在放大器的输入端与信号电压Vi之间加一RC衰减器，在信号电压Vi为不同数值时，单片机通过程序控制不同的Ki接通，从而改变整个放大系统的增益。(见图2)

图2 程控RC衰减器原理图

在图2中，将衰减器看作整个放大系统的组成部分，则整个放大系统的增益为

A=A1.A2

RC衰减器的工作原理如下：

对输入幅度为E的阶跃电压(见图3)，用拉氏变换和反变换容易求出输出电压为

图3 RC衰减器原理图

式中

显然，当C1R1=C2R2时

此时，输出信号对输入信号而言，只是衰减了1个幅度，而无失真。对别的形状的周期波形，只要满足C1R1=C2R2，就能使输出信号不失真。

2 用程控增益放大器提高A/D转换分辨力

我们选用8位逐次逼近A/D转换芯片ADC0809，基准电压

VREF=5.000V，该芯片对输入电压的要求范围是0～5.000V。它的分辨力是5.000×2-8=19.5mV，即输入电压每改变19.5mV，转换结果变化1个字。

一般输入信号幅度小，需要放大后才能进行A/D变换。设放大器的增益为A，我们分2种情况进行讨论。

1)设被测信号的变化范围是Vi=0～50mV，放大器增益A=100倍，A/D 转换芯片的输入电压Vi×A=0～5.000V,A/D转换对被测电压的分辨力19.5÷100=0.195mV，即被测电压每改变0.195mV，A/D转换结果变化1个字。

2)设被测电压的范围是Vi＝0～25mV，放大器增益A=200倍，A/D 转换芯片的输入电压Vi×A=0～5.000V，A/D转换对被测电压的分辨力

19.5÷200=0.195×mV，即被测电压每改变0.195×mV，A/D转换结果变化1个字。

由分析可见，放大器的增益增加了1倍，则A/D转换对被测信号的分辨力也提高1倍。

放大器的增益变化由程控增益放大器来实现。

3 对变化范围较大的被测信号，作分段处理，提高A/D转换的分辨力

在2．1)中，被测信号的幅度范围为0～50mV，由于A/D转换芯片

对输入电压的范围要求0～5.000V，所以放大器的增益最高只能是A=100倍。

图4 Vi为0～25mV时的放大电路

现在我们作分段处理。我们将Vi分为0～25mV,25～50mV 2段，将放大器的增益由原来的100倍提高到200倍。

在被测信号Vi为0～25mV时，用图4放大它相当于前面2．2)中的情况。

在被测信号Vi为25～50mV时用图5进行放大。

图5 Vi为25～50mV时的放大电路

图5是一个双端输入的运放电路。

该电路的调整方法如下：

①当Vi=25mV时，调Rw使V0=0V。此时

②当Vi=50mV时，V0应为5.000V

实际电路若Vi=50mV,V0不是正好等于5.000V，则应仔细调整Rf 使V0=5.000V。

①②步调整反复进行，直至满足Vi=25mV时V0=0V;Vi=50mV时

V0=5.000V。

在被测信号Vi为25～50mV时，放大器的输出V0为0～5.000V,正好满足A/D芯片对输入电压的要求。

对于Vi=0～50mV的情况，分2段后，A=200倍，A/D转换对被测信

号的分辨力为0.195×mV，比前面2．1)中不分段时，分辨力提高了1倍。

对被测信号电压分段，由单片机控制的程控放大器来实现。(见图6)

图6 Vi为0～50mV时分段处理的放大电路

当Vi在0～25mV范围时，K1接通，K2断开。

当Vi在25～50mV范围时，K2接通，K1断开。

4 用单片机组成带程控增益放大器的A/D转换

用单片机组成带程控增益放大器的A/D转换如图7所示。