程控放大器的设计

程控放大器的设计第1页，课件共24页，创作于2023年2月概述程控放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）是指可以通过程序或指令控制而改变其增益等性能的放大器，PGA的基本形式是由运算放大器和模拟开关控制的电阻网络组成。模拟开关则由数字编码控制。数字编码可用数字硬件电路实现,也可用计算机硬件根据需要来控制。

第2页，课件共24页，创作于2023年2月1.1论文（设计）工作的理论意义和应用价值当前，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。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。而对于前端电路，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才能满足后端电路的要求。在自动控制系统或智能仪器中,当被测信号的幅值变化范围很大时，为了保证测量精度的一致性，经常采取改变量程的办法，采用程控放大器可进行量程自动切换。当改变量程时测量放大器的增益也相应地加以改变。这种变化通常是自动进行,即不需要人为的改变电路连接,而是通过软件实现放大器增益的改变。PGA在现代测控系统中是经常会用到的，随着各种新型元器件的不断发展，PGA的实现并不太难，但由于PGA必须具有可以实现自动调节增益的功能，因而其精度总会因使用一些调节元器件而受到影响，在精密测量场合对PGA的精度要求比较高，实现较精密的PGA是众望所归。第3页，课件共24页，创作于2023年2月1.2目前研究的概况和发展趋势由于各类测量仪表设备中的传感器在不同测试中，其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。但是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。而且传统的方法是采用可软件设置增益的放大器，如AD8321芯片，并且该类放大器价格较高（如AD8321），选择档位也较少（如TI的PGA103，206等仅3-4档）。还有一种可满足核仪器中所要求的线性度与增益稳定性以及自动稳谱的增益要求的数控放大器。系统在保证放大器的增益稳定性和线性指标的同时却降低了放大器的输入阻抗，必然对前级电路输出阻抗提出更高的要求。在实际应用中可通过增大反馈电阻提高输入阻抗，另外必要时还可以增加一级电压跟随电路，电压跟随器的输入阻抗极高，这样可以忽略电路中的导通电阻对增益的影响，各级增益完全取决于所选电阻。目前通常采用单片机来自动选择量程档位，采用非易失性数字电位器和仪表放大器组成的高精度、多档位、低成本的程控放大器。以单片机（或个人计算机）为基础的仪器测量系统的出现，是电子电工测量的一项重大变革，具有广阔的应用前景。第4页，课件共24页，创作于2023年2月2.1程控放大器系统原理框图本文设计的程控放大电路系统主要采用单片机最小系统、模拟开关芯片CD4051和放大器芯片LF353。程控放大器总体设计原理框图如下图所示

左图所示，控制接口采用AT89C51单片机作为程控放大器电路的控制中心，放大部分由LF353运算放大器二级放大，并通过程序控制CD4051来选择放大的倍数。最后通过把正弦信号加与放大电路的输入端，通过示波器观察并显示输出端所测得的波形或者用毫伏表观察结果，不同的放大倍数将显示出不同的放大现象。第5页，课件共24页，创作于2023年2月2.2硬件电路器件选择

2.2.1单片机的选择此设计将采用89C51单片机来控制。89C51单片机其引脚采用40只双列直插封装方式，如右图所示。89C51单片机具有较好的存储效果，内部结构丰富，能够实现多种运算功能，对复杂电路的控制有很好的处理能力。其是一个低功耗、高性能的含有4KB闪烁存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz，其具有的4K字节可电气烧录及擦除的程序空间，可以快速擦除程序并烧录新的程序，方便实验。第6页，课件共24页，创作于2023年2月89C51单片机内部结构图如上图所示：89C51单片机片内各功能部件都是通过单一总线连接而成，由微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、4个8位的并行I/O口、一个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统和特殊功能寄存器（SFR）组成。第7页，课件共24页，创作于2023年2月2.2.2开关电路的选择拨码开关可以用来控制开关电路，在测试的时候使用拨码开关很方便，但是在开关电路选择的时候不能实现程序的控制，只能手动控制，因此本设计在放大电路中使用模拟开关芯片CD4051来实现开关电路的控制。CD4051在放大电路中驱动作用很强，基于设计，每个CD4051使用三个开关。因此在二级放大电路中只需要二个CD4051即可。这样可以实现通过“软件实现硬件”的原则，且降低了外设硬件的成本。第8页，课件共24页，创作于2023年2月1.CD4051管脚图

CD4051是单边8通道的单刀八掷开关。其引脚结构如下图：2.CD4051引脚功能说明

CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。图1中，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通；当INH=0时，通道接通。改变图中IN/OUT0~7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。第9页，课件共24页，创作于2023年2月表1：单八路模拟开关CD4051真值表第10页，课件共24页，创作于2023年2月2.2.3放大器芯片LF353双JFET输入运算放大器放大器芯片LF353双JFET输入运算放大器其管脚如下图5所示：图5放大器芯片LF353双JFET输入运算放大器管脚图第11页，课件共24页，创作于2023年2月2.2.4驱动电路的选择MC1413和74LS07，它们在驱动功能上有很大不同。其管脚如下图所示，74LS07是正向驱动元件，它具有升压的作用，而MC1413是反向驱动元件，由于驱动功能不同，因而用在不同的电路中。当电路中的电流或电压不能达到所需电路的电流或电压时，就需要使用驱动电路。本系统在放大电路中选择7407。是因为74LS07具有正向驱动功能，所以在二级放大电路中采用74LS07来驱动4051。左为74ls07管脚图、右为MC1413管脚图第12页，课件共24页，创作于2023年2月2.3系统的具体设计与实现

2.3.1主要模块硬件设计1.单片机最小系统图6单片机最小系统电路第13页，课件共24页，创作于2023年2月在此程控放大电路中，尽使用最小系统板中的一部分8255和键盘，如上图6所示，通过8255C口来读取键盘，由单片机控制选择需要放大的倍数，此最小系统能够使操作人员通过它编程，利用单片机控制放大电路，实现对正弦信号的放大。第14页，课件共24页，创作于2023年2月2.可控增益放大电路的设计程控放大器千变万化，但脱离不了3种基本类型，即反相放大器、同相放大器和差分放大器，而差分放大器实现程控较麻烦，所以往往用反相放大器或同相放大器的原型来设计程控放大器，如下图所示，左图为反相放大器，右图为同相放大器。增益为：反相放大Av=-R1/R同相放大Av=1+R1/R第15页，课件共24页，创作于2023年2月本文设计的程控放大电路采用同相放大器，在此，模拟开关的导通电阻部分采用划线变阻器，这样可以通过调节电阻来适当减少误差。一级可控增益放大电路如下图所示，放大电路采用LF353运算放大器，其中U1为电压跟随器，可以提高驱动能力，U2为放大器，放大倍数k=Rf/R1+1，设计的三路放大倍数分别为1倍、3.16倍、10倍，即增益分别为0dB、10dB、20dB，开关选用CD4051，可编程实现，同一时刻某一路导通将得到相应的增益，Rx为了消除电路中存在的不可消除的误差（如导线电阻、模拟开关的电阻等）。图10一级可控增益放大电路第16页，课件共24页，创作于2023年2月本设计制作的是一个二级程控放大器，以实现0~40dB的电压可增益，且步进为10dB可调。在一级的基础上，级联同样一级可控增益放大电路，通过选择合理的通道即可实现0~40dB可控电压增益，第二级的原理与一级相同。两级通过改变电阻的阻值和所导通通道合理组合来控制0~40dB的增益数。当增益为0~40dB时，电源电压为5V，由于LF353中是直接耦合，若信号中稍有直流成分，经过了2级放大，会造成严重的平顶失真，为了避免出现这种情况，在每级放大之后添加一个电容（较合适去直流且通低频）。本系统在二级放大的后面加接一个电压跟随器之后输出，这是由于电压跟随器的输入阻抗极高，加接后，模拟开关的导通电阻对增益的影响完全可以忽略，因而各级增益完全取决于所选电阻。在此，我们用P1.0、P1.1来控制第一级，P1.2、P1.3来控制第二级，对P1口赋予不同的值，从而选择不同的支路，控制放大电路来放大不同的倍数。第17页，课件共24页，创作于2023年2月

图11二级放大电路

第18页，课件共24页，创作于2023年2月2.3.2系统软件设计1.算法描述通过对单片机的P1口的P1.0-P1.3赋值，控制CD4051开关电路，选择不同放大倍数。利用单片机最小系统的8255的PC口控制键盘，实现其功能。2.理论计算(1）电压跟随器：Ui=Uo(2）同相比例放大器:Uo=（1+Rf/R1)Ui3.实际测量结果及分析1）放大倍数的测量

在放大电路的信号输入端接入正弦信号，用单片机控制4051和键盘来选择放大倍数0dB-40dB，利用毫伏表或示波器观察放大倍数。对P1口赋予不同的值，选通不同的开关电路,从而控制不同的放大倍数。2）放大电路电阻的测量根据同相比例放大器的公式，调节滑线变阻器即可得到比较合理的电阻值。本设计选用的上拉电阻值为10k.

第19页，课件共24页，创作于2023年2月图12系统主程序流程图第20页，课件共24页，创作于2023年2月2.5程控放大器系统的应用

2.5.1程控放大技术在数据采集系统中的应用数据采集系统是假设一个以89C51为核心的典型最小系统。在系统中采用作为模数转换器,辅以程控放大器作为多路转换器,为突出本文所讨论的重点,具体电路不在此赘述。数据采集系统关键技术是要对数据进行多次采样。由于程控放大器的放大倍数要根据实际的采样值大小而定,当刚开始采样时,PGA无法确定需要放大多少倍。如果放大倍数过小容易产生较大误差,从而失去意义；放大倍数过大,容易超量程而产生错误结果。而要确定放大倍数,必须根据具体信号的大小来决定。通过使用程控放大技术,使采集到的信号更加接近真实值,减少了量化误差,从而提高了采样数据的可靠性和准确性。特别是对微弱信号的采样,能大大扩展测量仪器的动态测量范围,因此使用程控放大器对信号幅度相差较大的多路数据进行采集有着十分重要的意义。第21页，课件共24页，创作于2023年2月2.5.2程控放大技术在光栅干涉仪中的应用在光栅刻划机中,分度信号是由光栅干涉仪产生的干涉条纹经光电接收器转换后得到的。为了提高分度基准的分辨率,需要对分度信号进行细分；同时,需要利用细分脉冲控制马达分级调速,以提高光栅刻划机的定位精度。光栅干涉仪输出的信号是很小的,不能直接利用。因此需用前置放大器将它放大成为4～7V的大信号,波形接近正弦波形。当然在整个刻划过程中,前置放大后的信号的幅度可能会发生几伏变化，产生误差，这就需要适当改变电路来确保适当的精度。目前在刻划实验性光栅的过程中，已成功地采用了程控放大及细分。由于程序控制需要一定时间，因此，对于高速数据采集系统，程控放大器的使用受到一定限制。若需使用程控放大器，必须根据实际情况，合理选用速度较高的微处理器和高速A/D转换器。第22页，课件共24页，创作于2023年2月结论本文设计的程控放大器系统主要采用单片机最小系统、模拟开关芯片CD4051和放大器芯片LF353。其最小系统板模块是以ATMEL公司的89C51为核心，其放大电路采用LF353运算放大器二级放大，并用CD4051三输入、可选择八路的可程控的开关芯片，在每一级使用其中的三个开关电路，用P1.0、P1.1来控制第一级，P1.2、P1.3来控制第二级，对P1口赋予不同的值，从而选择不同的支路，控制放大电路放大不同的倍数。通过示波器或毫伏表观察输入端和输出端的波形或电压的变化，达到放大的效