程控增益放大器的研究

摘要

本文设计是程控增益放大器。说明了程控增益放大器的结构和功能及其主要的特点。最后举出了实用电路。

本系统以MCS-51单片机及其扩展，多路转换开关，数控增益放大器等构成了实用性较强的硬件电路。放大器是应用最广泛的一类电子线路。它的功能是将输入信号进行不失真地放大。在广播，通信，自动控制，电子测量等各种电子设备中，放大器是必不可少的组成部分。在各类电子仪器和设备所采用的电子线路中，集成运算放大器是应用最普遍的模拟电子器件。集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反馈方式，就可以构成功能和特性完全不同的各种集成运放电子电路，简称运放电路。这些运放电路是各种电子电路中的最基本的组成环节。

本系统能够实现增益由程序控制，能够满足各项技术指标，测量准确，工作可靠，性能价格比较高。

关键词：放大器，多路转换开关，MCS-51单片机

Summary

This text design is a distance to control to increase benefit enlarger.Elucidation the distance control structure and function of increase the benefit enlarger and it be main of characteristics.The end enumerated practical electric circuit

This system with the MCS-51 list slice machine and it expand, many road conversion switch, number control to increase benefit enlarger etc. constitute the function stronger hardware electric circuit.Enlarger is application the extensive electronics circuit.It of the function carry on importation signal not to lose to really enlarge.At the broadcasting, correspondence, auto control, the electronics measure etc. various electronics equipments in, the enlarger be a constitute of essential to have part.In every variety the electronics circuit for adopt of electronics instrument and equipments, integration operation enlarger is application the most widespread of imitate electronics spare

part.Integration the luck put to go together with up the feedback way of the feedback network and adoption dissimilarity of dissimilarity, can constitute function and characteristic be various totally different integration luck turn on electricity sub- electric circuit, brief name luck turn on electricity road.These lucks' turning on electricity road is in various electronics electric circuit of most basically constitute link.

This system can realization increase a benefit from the procedure control, can satisfy each item technique index sign, measure accurate, work credibility, function price more Gao.

Keyword:Enlarger, many road conversion switch, MCS-51 list slice machine

目录

前言

第一章MCS-51单片机及其扩展

1．1MCS-51系列单片机系统结构

1．2MCS-51单片机的扩展

第二章多路转换开关简介

第三章数控增益放大器的基本原理

第四章测量放大器

4．1 测量放大器的原理

4．2 测量放大器的选择

4．3 测量放大器在数控增益放大器中的应用第五章数控增益放大器实例

5．1 PFA100多路输入数控增益运算放大器5．2 AD612/614数控增益测量放大器

5．3 程序示例

结束语

致谢

参考文献

前言

随着近代超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。集成技术的最新进展之一是将cpu和外围芯片。和程序存储器，数据存储器，并行，串行I/O口，定时/计数器，中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片中，制成单片计算计。而近年来推出的一些文档单片机还包含有许多特殊功能单元。如A/D,D/A转换器，调制解调器，通信控制器，锁相环，DMA浮点运算单元。因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口，就可以构成各种计算机应用系统。如：工业控制系统，数据采集系统，自动测试系统等。

在单片机测控系统的输入通道中，如果输入为多点巡回检测系统，多参数测量系统，输入通道为多输入结构。如果系统中只有一个单片机时，单片机只能分时对这些信号进行采样。无论是多点测量系统，还是多参数测量系统，各路传感器输出的信号电平都会有较大的差异，一般在A/D变换前都要经过放大，然后，通过A/D变换后送入单片机数据总线。为了满足多路分时多路分时传送，输入通道中必须配置多路开关。多路开关的选择由单片机控制，而多路开关在通道中的插入位置应根据传感器输出信号状况而定。当传感器输出信号电压微弱时应先进行放大，再接入多路开关。如果传感器输出信号电压较大，应先接多路开关再进行放大。如果传感器输入信号电平差异较大时，放大器应选用数控增益放大器，以满足不同模拟输入通道的不同增益要求。

因此，数控增益放大器是根据多输入通道系统中的不同模拟输入的不同增益要求而设置而设置，它具有应用灵活，使用经济等特点。下面举出了一个程控增益放大器实现框图。

图1 程控增益放大器实现框图

程控增益放大器是以放大器为基础通过单片机，多路转换开关和电阻网络等一起构成的。如图中所示，单片机对多路转换开关进行控制，而多路转换开关又经过与测量放大器相连，并通过控制精密增益调节电阻网络，使精密增益调节电阻网络来调节测量放大器，最终实现程控增益放大器。如已知信号源所需放大倍数，并把这些放大倍数的对应数字量存入ROM中，当需要输入某信号时，则单片机将该对应的放大倍数从ROM中取出，经过多路

转换开关，精密增益调节电阻网络等，使放大器按这个放大倍数输出，既完成了程控增益。

下面以可编程增益放大器MCP6S2X为例。

ＭＣＰ６Ｓ２８芯片的内部结构图（其它类似）如图２所示。由图可见，ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ芯片内部由一些简单的功能模块构成，可共同完成多路选择、可变增益调节等功能。ＭＣＰ６Ｓ２Ｘ具有多路选择输入（ＭＵＸ）模块，共有八路输入，可由软件设置通道选择。不用的输入引脚应悬空，以使输入电流最小。当然，接ＶＤＤ或ＶＳＳ时，芯片也能正常工作但输入电流会变大。

内部运放部分主要由运放、增益转换器、梯形电阻(ＲＬＡＤ＝ＲＦ＋ＲＧ)等组成，可完成信号的放大和带宽选择，提高输出电压的精确度。

ＳＰＩ逻辑控制部分主要提供片选信号、同步时钟、串行输入输出、上电复位、控制指令和数据读写以完成通路选择和增益控制等功能。上电复位电路ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ－ＯｎＲｅｓｅｔ）的功能是：当电源电压低于ＰＯＲ的限定电压时 ＶＤＤ＜ＶＰＯＲ≈１．７Ｖ使内部ＰＯＲ电路复位所有的内部寄存器，并使芯片运行在关机模式下。当ＶＤＤ大于ＶＰＯＲ时，ＰＯＲ又使芯片恢复正常。另外，用ＭＣＰ６Ｓ２６、ＭＣＰ６Ｓ２８还可以实现多个芯片的连接，其连接形式为串行接口方式。多片连接时，前一个芯片的ＳＯ引脚应连到后一个芯片的ＳＩ引脚，依此类推，它们可共用ＳＣＫ和ＣＳ引脚

在前述的基础上本文将集中介绍：MCS-51单片机及其扩展，多路转换开关原理及其应用，数控增益放大器的原理及其应用的情况，并着重以AD612/614数控增益测量放大器为重点典型来研究。

第一章MCS-51单片机及其扩展

一MCS-51系列单片机系统结构

MCS-51系列单片机的典型产品为8051，8751，8031。8051是ROM型单片机，内部有4k字节工厂掩膜编程的Rom程序存储器；8751是EPROM型单片机，内部4k字节用户可编程的EPROM程序存储器；8031是无ROM程序存储器的单片机，它必须外接EPROM 程序存储器。除此之外，8051，8751和8031的内部结构是完全相同的，都具有硬件资源。.面向控制的8位CPU

.128个字节内部ROM数据存储器

.32位双向输入输出线

.一个双工的异步串行口

.两个十六位定时器/计数器

.五个中断源，两个中断优先级

.时钟发生器

.可以寻址64k字节的程序存储器和64k字节的外部数据存储器

MCS-51的系统简化结构图如1-1所示；管脚图见1-2

.Vss接地端.Vcc电源端

.RST/P0复位端.E A 8031中接低电平

.XTAL1振荡器输入.XTAL2振荡器输入

.ALE/PROG锁存器信号出现在P0地址信号,

.PSEN用来信号选通ROM(外部)

.P0 P3为四个I/O口

图1—1MCS-51结构简图

图1—2 8051引脚图

1.2 MCS-51单片机的扩展

MCS-51单片机具有很强的系统扩展能力，可以扩展64k字节的程序存储器和64k 字节的数据存储器或输入输出口及应用系统的设计更灵活，对用户的要求的适应性也更强MCS-51的P0口和P2口可以直接作为输入输出口使用，也可以作为扩展总线口使用，MCS-51系列单片机主要是通过P0口和P2口进行系统扩展的。

由于本系统需要4k字节的程序存储器,而8031是内部无ROM型的单片机。所以必须扩展一个4k字节的程序存储器。理论上，半导体存储器，EPROM,EEROM,RAM等都可以用作单片机的外部程序存储器。但由于EPROM 价格低廉，性能可靠，所以用得比较普遍。所以本系统选用4k字节的EPROM 2732，引脚排列如下：

其中：A0－A11：地址输入线

O0－O7：三态数据输入线读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入

线，维持或禁止时呈高阻状态

CE：选片信号输入线有效

PGM：编程脉冲输入线（与合用一脚）

OE ：读选通信号输入线，低电平有效

V pp：编程电源线，值因芯片型号和制造厂商有关

2732主要技术指标如下：

容量：4k 引脚数：24

读出时间：29ns 最大工作电流：100mA

最大维持电流：35mA

EPROM的主要操作方式有：

.编程方式：把程序代码（机器指令，常数）固化到EPROM中

.编程校验方式：读出EPROM中的内容，校验编程操作的正确性

.读出方式：CPU从EPROM中读取指令或常数

.维持方式：数据端呈高阻耗电少

.编程禁止方式：适用与多片EPROM并行编程不同数据

表1－1列出了2732EPROM的操作方式（其中V IL既TTL低电平，V IH既TTL高电平, A pp.编程电源其电压因型号和厂家而异）

表1－1 2732A操作方式

程序存储器的扩展方法

图1－4给出了MCS－51与外部程序存储器的一种接口逻辑.图中采用带三态门的8D锁存器74LS373(见图1－5)作为地址锁存器

74LS373的E三态门输出允许控制输入端,低电平有效.G为锁存信号输入端,高电平使74LS373接数,电平负跳时将D0－D7状态锁存起来.表1－2是74LS373的状态功能表

图1—4 MCS－51与外部程序存储器的一种接口逻辑

图1—5 8D锁存器74LS373引脚图

表1－2 74L373功能表

图1－4中,将74LS373的E 接地, G接MCS－51的ALE信号74LS373的数据输入端D0－D7接MCS－51的P0口,74LS373的数据输出端Q0－Q7接到外部程序存储器的低位地址端.这样,当ALE高电平时74LS373直通,使P0口输出的低8位地址和P2口输出的高8位地址同时到达外部程序存储器的地址线而当ALE为低电平时, P0口低8位地址被74LS373锁存保持,使外部程序存储器的低8位地址信息维持不变, P0口读到可靠的信息.

外部程序存储器一般采用单片机电路,其片选端接地.图1－6是一个用EPROM2732扩展4k字节的程控存储器的8031系统,这也是8031较典型的基本系统.

图1—6 扩展410字节EPROM的8031系统

图中2732的地址范围为F000H-FFFFH

第二章多路转换开关简介

在单片机测控系统的输入通道中，当有多个模拟输入信号需要检测时，为了节省硬件成本，常常利用多路开关将各个输入信号依次接到公共的放大器或A/D转换器上，实现对各个输入信号轮流检测。多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。为了提供参数的测量精度，要求多路开关接通时电阻尽可能的小，断开时电阻尽可能的大，理想的多路开关导通电阻应为零，开路电阻应为无穷大。此外还要求切换速度快，噪声小，寿命长和工作可靠，控制方便。

常用的单片多路模拟开关器件有CD4051(8×1),CD4052(4×2),CD4053(3×2),它们都是CMOS电路，能适合一般的场合。下面以CD4051为列简单介绍多路开关的结构原理。图2－1给出的结构框图，它由逻辑电平转换器，通路译码器，模拟开关组成。引脚A,B,C为通路选择控制端，经内部电平转换和3－8线译码器输出8位控制线分别控制模拟开关0－7的导通和断开；当禁止输入端INH为高电平时，译码器输出均无效，使开关0－7都断开，当INH为低电平时，对应与A,B,C的二进制信号译码器输出线中有一位有效，使一个模拟开关导通，其余都断开，其真值表如表2－1所示。

表2－1CD4051开关切换真值表

图2－1 8路单端模拟开关CD4051结构框图

V DD为正电源输入端，V EE为负电源输入端，V SS为数字地。当V DD-V EE=15v时，输入的模拟信号范围（峰－峰值）为15v时，其导通电阻为80欧；V DD-V EE=10v时，其断开时

漏电流为±10pA,静态功耗为1μw。

下面将简单介绍一下AD7506(16×1)及具有双刀功能的CD4052(4×2),CD4053(3×2)(三刀功能)的引脚及结构图如2－2，2－3所示。

图2—2 AD7506引脚图

图2—3 AD7506结构示意图

十六路开关由四位地址A3－A0编码, S1－S16依次为0000－1111，当EV端低电平时十六路开关全部不通

图2—4 CD4052引脚图

图2—5 CD4053引脚图

上述多路转换开关适用与采样频率较高的控制系统，其优点是快速，是有较大的导通电阻（70－400欧）。

第三章数控增益放大器的基本原理

在单片机测控系统中，多个信号源来的信号，在进行A/D转换前，如果信号幅值相差悬殊，则需设计一个数控增益放大器。当单片机控制多路转换开关的同时，控制它的闭环增益，以使各路信号的幅度均与A/D转换器量程相匹配。见图3－1

图3—1单路可编程放大原理图

因为在实际系统中各路模拟信号的A/D转换器的电压范围已知，故可预见算出各信号源所需放大倍数并把这些放大倍数的对应数字量3入ROM中当计算机需要输入某路信号时，则CPU就将该路对应的放大倍数从ROM中取出，经数据总线送入数控增益放大器，这时放大器就按这个放大倍数放大，既用程序来控制放大器的放大倍数，以适应任一信号源的增益要求。

实用数控增益放大器是以某些测量放大器为基础构成的放大器的增益调节，是靠程控多路转换开关连接的增益调节电阻来实现的。见图3－2

由于测量放大器是数控增益放大器的基础，因此，我们在了解数控增益放大器以前，先对测量放大器有一个较为明确的认识，所以我们在下一章将详细介绍一下测量放大器。

+2v

图3—2数控增益放大器原理框图

第四章测量放大器

在实时控制与数据采集系统中，因被控对象和使用的检测器件不同，有些传感器输出的电压（或电流）信号（或稍经修整）能与A/D转换器匹配，有些输出虽已经是数字式（如脉冲式流量记，各种类型的编码盘和同步感应器等）的，但大多数传感器的输出信号很微弱；需要放大才能与A/D转换器输入电压相匹配；另外，传感器往往是高输出阻抗且输出不平衡，易受各种干扰，共模电压高传输距离远，工作温度变化大，环境恶劣等等，这就需要使用对传感器输出进行精密放大并放有较高共模抑制比的测量放大器。

4．1测量放大器的原理

测量放大器也称数据放大器或仪表放大器。一般运算放大器用作测量放大器，性能往往显得不够。测量放大器由一组运算放大器组成，最典型的结构图如图4．1所示。

图中：A1和A2构成高输入阻抗的第一级，测量放大器的差动输入端V i1和Vi2分别是两个运算放大器（A1和A2）同相输入端，故输入阻抗高。A3为将差分输出变为单端输出信号的第二级负载在V0与基准之间，检测点与V0端通常在外部相连（也有一些测量放大器已在内部连好）且参考电位取地电位，测量放大器的放大倍数A为:

A=V0/(V i1－V i2)=R3/R2(1+R1/R g+R1’/R f)

当R1= R1’时放大器倍数A为:

A= R3/R2(1+2R1/R g)

式中R g是用与调节放大倍数的外接电阻，R3/R2= R3’/ R2’

通过调节R g,可方便获得各种需要的放大倍数，十分灵活。整个电路的共模抑制比为CMRR=AC3,C3为运算放大器A3的共模抑制比,该式说明，在A1和A2完全对称且共模抑制比极大的理想情况下，整个共模抑制比只和整个电路的增益A和A3的共膜抑制比C3的乘积有关，因此A3应选用共模抑制比高的运算放大器。

测量放大器的参数及其意义：

．V os : 输入偏移电压

．dV os/dT :输入偏移电压的温漂

．I os : 输入偏移电流

．dI os/dT : 输入偏移电流的温漂

．S r : 转移速率

．V n : 输入干扰电压

．AV0 : 开环增益

．KCMR : 共模抑制比

．A v ：放大器增益

．f m :-3db带宽

．f(A v) : 增益的非线性度

．R icm : 共模输入阻抗

图4—1 典型的测量放大器结构

4．2测量放大器的选择

前面我们主要介绍了三运放测量放大器的基本原理，而在实际应用中并不一定全部用三运放测量放大器，选用那种放大器要根据具体的任务，具体的情况，实用性，经济性等多方面因素来考虑，这就涉及到测量放大器的选择问题了。

为了提高精度，一般要将信号的最大幅度放大至系统的最大满度电压（通常V Fs=5v或10v）。通常，测量放大器的闭环放大倍数有两类；高电平数据采集系统常为可编程增益1，

2，4，8等挡；低电平数据采集系统常为可编程增益1，10，100，500等挡.

选择那一类测量放大器要根据任务需要来确定,对共模抑制比要求不变时可用单运算放大器如:AD521,AD524等它们的KCMR为80－110dB左右。

当分辨要求很高时,往往希望放大器误差远小于系统分辨率误差,这时相应的要有很高的开环增益,单运放是达不到的,应选用三运放等类型的测量放大器如AD522A,AD522B等;例如;某系统需有130位的分辨率,相当于0.012% V Fs。设计时应选用放大器的误差小于0.006%。如果闭环增益需要200倍,则可折算出放大器的开环增益为4×1000000.这只有三运放测量放大器才能实现。

自动稳零放大器CAZ是低零温漂移放大器。它的dV os/dT=0.01,但开环增益KCMR=100dB,故只适用于0－10HZ带宽的信号的低漂移放大。

高性能测量放大器应用于要求高的场合,其性能增益为1000000;闭环差横增益为1000时, KCMR=1000000,参考型号为LN0038;AD624等;隔离放大用于信号源与处理系统之间有非常高的共模干扰,而且必须电隔离的场合。

4．3测量放大器在数控增益放大器中的应用

在第三章我们提到测量放大器是数控增益放大器的基础，现以三运放测量放大器为例

介绍一下测量放大器在数控增益放大器的应用情况，见图4－2：

图4－2以三运放测量放大器为基础的数控增益放大器电路

图中R00－R07通过多路开关和R1相连，它们分别等效于图4－1中的R G,它们的阻值可以根据不同放大倍数的要求按公式A=1+2R1/R0，计算得到，图中51单片机的P1.0－P1.2输出到多路开关CD4051的A,B,C通路选择控制端，由程序控制选通R00－R07中那一个电阻和R1接通，从而实现由程序控制放大器的放大倍数。

与图4－1相比，图4－2在图4－1的基础上增加了一个电压跟随器A4,这是因为在实际应用中A1，A2不可能完全对称，电阻也存在误差，这就使电路的实际共模抑制比比理想值小，而加入A4后，A4的输入取自A点共模电压V cm, A4的输出近似于V cm，并作为A1，A2的电源地端，以使A1，A2的电源电压浮动与V cm相同，从而大大削弱共模干扰的影响。实

践证明和图4－1相比，共模抑制比可提供20－40dB。

第五章数控增益放大器实例

在多通道或多参数的输入通道中，多个通道或多个参数共有一个测量放大器，各通道或各参数送入测量放大器的信号电平不同，但都要放大至A/D变换器输入要求的标准电压，因此对应于各个通道或各个参数不同，测量放大器的增益亦应不同。在输入通道中各信号及参数通道的输入选择是由计算机编程控制的。因此，测量放大器也必须能由编程控制相应的增益选择。

根据前面几个章节的介绍我们已经能够运用分立的运算放大器湖测量放大器，增益调节电阻，多路转换开关制成各种数控增益放大器。但目前已经推出了许多型号的数控增益放大器芯片可提供用户选择，与用分立元件构成的数据增益放大器相比，集成数控增益放大器具有体积小，性能优异，成本低等优点。因此，在一般情况下，采用分立元件来构成数控增益放大器已无多大必要。

因此，本章的重点就是介绍两种较具代表性的数控增益放大器芯片及其与单片机硬件连接的情况。

5．1 PGA100多路输入数控增益运算放大器

PGA100是B－B公司推出的8级二进制可编程增益控制运算放大器。PGA100将多路转换开关与数字程控增益控制功能集成在一个芯片中，对于小信号多路采集系统来说特别适用。

PGA100的主要特性

．增益精度高，小于±0。002%

．非线性，小于±0。005%

．稳定时间短，稳定至终值0。01%为5μs

．通道串扰为±0。003%

．有8个模拟输入通道，输入阻抗为100000000000欧

．有8个二进制增益×1，×2，×4，×8，×16，×32，×64，×128

A0－A5用来选择增益和模拟输入通道，其选择如下

图5－1为PGA100引脚图

通道选择的数字输入在时钟的上升沿锁存，所用的片内锁存器相当于74LS378