趙軼男,蔡榮立

1.西安工業(yè)大學光電工程學院,陜西 西安 710021

2.陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點實驗室,陜西 西安 710021

電阻層析成像技術(shù)(ERT)是基于電學敏感性的成像技術(shù)，其工作原理是首先在邊界進行電壓激勵，激勵過程當中形成電流分布。測試場內(nèi)的導電率會隨著電壓的分布適應性的改變，進而引起測試場電極的變化，根據(jù)該變化量數(shù)值運用相關(guān)算法成像。上個世紀七十年代，醫(yī)學領域應用斷層電阻率測量技術(shù)取代輻射相對比較大的CT機器。近些年來ERT技術(shù)被廣泛的應用，英國懂得曼切斯特大學研究人員將該技術(shù)應用于旋轉(zhuǎn)器裝置，測量導電流體的多相流參數(shù)。2001年相關(guān)研究人員設計了雙極性脈沖電流激勵，該激勵模式在電極介質(zhì)極化現(xiàn)象方面優(yōu)于傳統(tǒng)的激勵模式；同時該激勵模式工作中無檢波和濾波，因此其采集速度也是大大由于傳統(tǒng)模式。國內(nèi)在上個世紀八十年代也逐步開展過程成像研究工作，目前已經(jīng)深入ERT數(shù)據(jù)成像研究領域。關(guān)于ERT研究領域，主要有兩個：一個是ERT硬件系統(tǒng)；二是敏感場仿真研究，研究的根本目的是尋求增加ERT系統(tǒng)有效信息量的同時提高系統(tǒng)成像速率與精度。

ERT檢測系統(tǒng)的對象是多樣的，同時檢測系統(tǒng)的傳感器數(shù)量是有限的引起測量數(shù)據(jù)有限，數(shù)據(jù)采集速度和系統(tǒng)成像精度低，實現(xiàn)ERT工業(yè)化相對比較困難，因此本文主要是基于多通道程控增益放大電路設計。

程控增益放大器是一種反饋電阻網(wǎng)絡可變且受控于控制接口的電路，這有區(qū)別于傳統(tǒng)的普通放大器，同時該電路是能夠根據(jù)不同的反饋系數(shù)將輸入電壓反饋擴大不同電壓的環(huán)形增益電路。在具有程控增益放大器電路的ERT系統(tǒng)中，各測量電極輸出的電壓有異，引起采集到模數(shù)轉(zhuǎn)化器的電壓信號也有不同，故不適宜采用固定放大電路信號。另外鑒于微弱信號的動態(tài)范圍數(shù)值比較寬，因此要求在設計電路中要根據(jù)各個通道的放大電路能夠以輸入信號為基礎做出增益調(diào)整，進而提高ERT電路系統(tǒng)的分辨率。在數(shù)據(jù)采集過程當中，一般是利用放大器對輸入的模擬信號進行放大，確保輸出模擬電壓和轉(zhuǎn)換器的電壓相適應，但是被檢測的信號確實表現(xiàn)從微伏級別到伏級別，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器不能完全適應。若采用單一增益放大器，易造成被檢測信號削頂飽和，導致破壞A/D轉(zhuǎn)換器。因此在采集數(shù)據(jù)過程當中，本文就是這些問題基礎之上進行研究的。

1 程控放大器工作原理

程控增益放大器基本組成是運算放大器和模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡，其工作原理見下圖1。數(shù)字模擬控制模擬開關(guān)，采用數(shù)字硬件對數(shù)字進行編碼，或者采用計算機硬件控制。根據(jù)上圖1的工作原理，可以計算出程控增益G的數(shù)值見公式1。

圖1 程控放大器工作原理Fig.1 Programmable amplifier working principle

利用D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)程控增益放大器。D/A內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡與儀表放大器構(gòu)成程控增益放大器，結(jié)合具有邏輯判斷功能的軟件能夠?qū)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行自動切換量程（圖2）。

圖2 D/A的增益放大功能Fig.2 The gain amplification function of D/A

程控增益放大器的輸入電壓設置為兩片D/A轉(zhuǎn)化器的對比電壓，假設D/A為8位DAC，其電壓分別記為D1、則根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可得以下公式(2)，公式3是增益放大后的放大增益。

2 多通道程控放大電路系統(tǒng)

2.1 電路基本組成

圖3 多通道程控放大電路Fig.3 The multichannel programmable amplifier circuit

圖3 是多通道程控放大電路的采樣電路基本組成，整個電路分為五塊內(nèi)容，具體為增益控制模塊，微控制模塊、EFFORM模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊。程控增益放大的內(nèi)容是：根據(jù)電極輸出的電壓判斷是否滿足A/D轉(zhuǎn)換的條件，如果不滿足條件則采用增益模塊對放大電路極性增益控制。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

在整個硬件設計當中，信號放大模塊和增益控制模塊、微控模塊是關(guān)鍵內(nèi)容。信號放大模塊的作用是對各通道微弱的信號進行放大；增益控制模塊的功能是對放大后的信號進行判別是否滿足A/D轉(zhuǎn)換器要求，進而判斷是否需要放大。

信號放大模塊的組成由INA128、AD603、AD817組成，具體原理見下圖4。該放大信號模塊由芯片AD603、INA128和各種電阻元件組成。

圖4 信號放大模塊原理Fig.4 The principle of the signal amplification module

上述原理圖中，為減少多通道程控放大過程中同時采集mV級別的微弱信號而產(chǎn)生共模干擾，本文采用INA128儀表放大器。INA128是低功耗高精度的通用儀表放大器，其底輸入失調(diào)電壓是50 μv，低失調(diào)電壓漂移是0.5 μv/℃，其特點是高輸入抗阻，低輸入偏置電流，高共模抑制等。運算器AD603和AD817構(gòu)成兩級放大，而AD603的主要功能是具有增益程控調(diào)整功能的芯片，增益程控模塊的主要功能是對AD603進行程序調(diào)控，對AD817進行固定放大倍數(shù)增益。

AD603是低噪音、90 HHZ帶寬增益調(diào)集成性放大器，壓擺率是275 V/uso。其90 HHZ帶寬增益的功能時，增益范圍在-11～+30 dB，其9 HHZ帶寬增益的功能時，增益范圍在9～41 dB?？删幊谭秶芟抻诠苣_的連接方式，改變管腳的連接電阻能夠使增益在上述范圍內(nèi)波動。AD603的管腳1、2提供的電壓決定增益的大小，具體邏輯計算原理是見下公式4。

其中VG=VGPOS-VGNEG，VG=?（-500～+500 mV）

多通道程控放大電路芯片AD603管腳1上的電壓隨著轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換芯片AD8600輸出電壓的改變而改變。AD8600芯片內(nèi)多個具有獨立尋址的輸出型的共用一個基準輸入電壓的D/A芯片，每個DAC具有各自的寄存器和輸入寄存器。該芯片的數(shù)字接口是8位并行數(shù)據(jù)輸入端，控制信號包括CS、LD、EN、R/W、RS等，其輸出電壓幅度是DACGND～VREF之間。

AD817是低成本、低功率、高速度運轉(zhuǎn)放大器，50 HHZ單位增益調(diào)集成性放大器，及45 ns的0.1%建立時間等特點，在上述原理圖中，AD817和AD603串聯(lián)，擴大放大倍數(shù)。

增益調(diào)控模塊（圖5）。該模塊的主要功能是為上述AD603管腳1、2提供電壓，其原理是通過改變電壓來改變增益的大小。在并行數(shù)據(jù)采集程控放大器電路中，采用固定其中一只管腳而改變另外一只管腳電壓的方式改變電壓差VG。

圖5 增益控制模塊Fig.5 The gain control modules

為了確保AD603兩只管腳的電壓VG∈(-500～+500 mv)變動，首先固定AD8600管腳2上的電壓為0.5 V，并且令管腳1上的輸入電壓在0～1 V之間變動，而決定AD8600輸出電壓的基準電壓芯片采用ADR510，該芯片具有低壓、精密度高、分流模式等基準電壓源。AD603的允許輸出電壓是±1.4 V，為了確保其使用的安全性，有必在輸入信號過程當中將串聯(lián)一個100 Ω的電阻進行分壓這樣有效保護了AD603正常使用。同時為了保護芯片，采用了4個二極管進行串聯(lián)分壓，并聯(lián)在AD603與大地之間。

微控制器模塊。它是整個控制電路的核心內(nèi)容，本文以LPC2366芯片為控制元件，同時該芯片是基于一個型號ARM-7TDM1-S 32位微處理器運行的，該處理器的優(yōu)點就是高性能、低消耗。同時本文設計的微控制器還包含了10/100 Etheme MAC，2個USB3.0接口，4個UART，I2C、I2S分別是3、1個，60個通用I/O管腳，2路CAN通道

EEFROM模塊。該模塊的功能是保存多通道程控放大器設置的增益值，進而提供整個電路模塊程控放大電路的方大倍數(shù)。選用支持I2C總線模式的M24128BW芯片，該芯片標準模式頻率是100 MHZ，在該頻率下讀寫周期是十萬次/s。

3 系統(tǒng)軟件設計

多通道程控放大器程序工作原理是在系統(tǒng)開機之后，進行相關(guān)命令操作。通過改變AD8600芯片輸出電壓，進而改變AD8600管腳1、2的壓差VC，每次設置的電壓保存值都是通過EFFROM芯片保存下來。其具體工作流程見圖6。

圖6 多通道程控放大電路程序時序圖Fig.6 Sequence diagram of multichannel programmable amplification circuit

4 實驗驗證

為了驗證ERT中多通道程控放大器的設計方案。對此部分電路進行仿真驗證，如圖7所示。

圖7 VG=500 mV和VG=-400 mV的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results at VG=500 mV and VG=-400 mV

上述仿真圖中，深黑線是輸入的電壓，淺黑線是輸出的電壓信號。由圖可以看出，輸出和輸入是反向的，其根本原因是AD817組成電路是10倍反向固定倍數(shù)增益放大。AD603的兩管腳電壓差VG=500 mV時，根據(jù)公式4可以得出G在+10～+50 dB之間，t同時計算出整體放大倍數(shù)約為3000倍，滿足轉(zhuǎn)換器A/D的要求。同時經(jīng)過計算分析得出AD603的兩管腳電壓差VG=-400 mV時，程控放大倍數(shù)是50倍左右。

5 結(jié)論

通過上文的研究，本文設計采用多通道程控放大設計電路能夠很直接的解決了通道多、信號變化范圍大且強度弱等相關(guān)缺點，同時根據(jù)AD603和AD8600芯片的結(jié)合再根據(jù)輸出電壓能夠精確知道放大倍數(shù)的大小，具有很強的實際意義。

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