劉倩倩

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000）

引言

系統(tǒng)中采用了單片機控制放大器放大倍數(shù)的方法，增加了裝置的實用性，而且可以提高系統(tǒng)的精度。同時應(yīng)用了由運放組成的前級高共模輸入儀表差動放大器，針對不同的應(yīng)用場景與差模信號進行不同程度的放大，并且其放大倍數(shù)可以由單片機進行調(diào)節(jié)，放大后的信號再經(jīng)過后級的數(shù)控衰減器，得到最終的輸出信號[1]。單片機不僅可以實現(xiàn)放大倍數(shù)的控制，而且能使用算法對前級放大和后級衰減進行精準控制。這些設(shè)計充分結(jié)合了模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點，大大增強了測量放大器的放大質(zhì)量與效率。

1 系統(tǒng)電路的設(shè)計

1.1 電源電路

本設(shè)計中電源電路由變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓構(gòu)成。根據(jù)實際要求與計算，變壓部分選擇的是一次測電壓220 V、二次側(cè)電壓18 V的變壓器；穩(wěn)壓部分直接使用穩(wěn)壓芯片LM7815、LM7915及LM7805構(gòu)成，這三個穩(wěn)壓芯片輸出了電路中所需要的±15 V和+5 V的電壓，并在穩(wěn)壓前并聯(lián)了兩個50 V/4 700μF的電解電容進行濾波；整流部分采用最經(jīng)典橋式整流電路，整流橋由4個1N4007二極管構(gòu)成，以實現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)化。

1.2 信號變換放大器

信號變換放大器的作用是將函數(shù)發(fā)生器單端輸入的正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，并保證信號的不失真。設(shè)計方式為采用兩個高精度運算放大器分別構(gòu)成一個兩倍的同相放大器和一倍的同相放大器。此裝置將單線輸人信號經(jīng)過一個反向運算放大器，使輸入的正弦信號大小變?yōu)樵瓉淼囊话耄瑫r改變方向，然后再接一個反向跟隨器，將負的正弦信號翻轉(zhuǎn)過來，這樣后一級的1/2倍電壓減去前一級的-1/2倍電壓就是完整的輸入信號。

1.3 高共模抑制儀表放大器

在許多情況下，想要實現(xiàn)信號的放大，可以直接采用運算放大器，將其組成懸置電橋差動放大電路就可以達到目的。這種電路的原理是利用一個運算放大器實現(xiàn)信號從雙端到單端的轉(zhuǎn)變，再經(jīng)過比例放大器對信號進行放大處理。此電路簡單方便，易于構(gòu)成，但是具有諸多缺點，由于電路中的輸入阻抗較低，放大器的性能就會受到限制，所以電路中的共模抑制比、失調(diào)電壓與電流等參數(shù)的精度無法提高到一定水平，而且針對放大器自身的零點漂移現(xiàn)象以及產(chǎn)生的共模信號均無法避免，達不到實際應(yīng)用的要求。故本設(shè)計采用更加實用高效的高共模抑制儀表放大器，見下頁圖1。此裝置由三個運算放大器構(gòu)成，首先由兩個運放U1與U2使用同相輸入的接法組成第一級差分放大電路并且在電路中加入負反饋，然后再將第一級差分放大電路與第三個運算放大器U3組成第二級差分放大器。將輸入電壓V1、V2分別接入第一級差分放大電路的同相端，根據(jù)運算放大器輸入端具有虛短和虛斷的特點，流入放大器的電流為零，通過一定的計算就可以得到第一級放大電路的放大倍數(shù)。在第一級差分放大電路中，將反饋電阻用一個調(diào)節(jié)電位器替代可以實現(xiàn)放大倍數(shù)的改變與控制。該電路元件較少，構(gòu)成簡單，提高共模抑制比，有效抑制共模信號，最大限度的減少共模干擾。U1與U2兩個運算放大器使用同一種型號，這樣做的好處是抵消電路中兩個運放產(chǎn)生的共模增益與誤差，提高儀表放大器的精度。

1.4 程控增益放大器

程控增益放大器由單片機顯示模塊、前級數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和后級放大電路三部分模塊電路構(gòu)成。前級數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使用反饋控制D/A轉(zhuǎn)換集成芯片DAC0832，使輸出的電流量變?yōu)榇笮∨c方向時刻變化的模擬量，再經(jīng)過OP07運算放大器將模擬信號放大處理并輸出，從而實現(xiàn)了小信號的放大。單片機模塊選用型號為AT89C52，使用數(shù)據(jù)處理與算法來改變與調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，并使用液晶屏進行實時顯示。

對于后級放大電路的設(shè)計，簡單地放大電路可以由三極管進行拼接來實現(xiàn)，可以采用多級放大電路達到增加放大倍數(shù)的目的，在放大電路輸出端加入二極管，使用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓，從而調(diào)節(jié)放大電路以實現(xiàn)自動增益的調(diào)節(jié)。這種方法雖然可以實現(xiàn)信號放大的功能，但是存在缺點，因為電路中大量采用如三極管等元件，使電路變得復(fù)雜，不利于調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)。而且采用多級放大會降低電路的穩(wěn)定性，使電路中的誤差變大，使電路發(fā)生自激震蕩。

為了規(guī)避以上問題，直接選擇具有可調(diào)增益功能的運放ADC0832來實現(xiàn)放大功能[2]。其工作原理是將輸入信號經(jīng)過運放內(nèi)部的R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)進行衰減，再將衰減后的信號經(jīng)過固定增益放大器進行輸出。使用這種可調(diào)增益功能的集成運放電路不僅工藝簡單，而且精度高，同時將芯片連接單片機后，把復(fù)雜的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦颖阌诳刂频臄?shù)字化處理方式。

1.4.1 電流輸出型DAC原理

從基準電壓VREF端看進去，無論開關(guān)在什么位置，R-2R網(wǎng)絡(luò)中的阻值都為恒定的R，流入電阻網(wǎng)絡(luò)的電流Ii=VREF/R，對于N位的DAC來說，在每一路經(jīng)過的電流Ib=1/[2^（N-b+1）]Ii，N為DAC位數(shù)，b為該支路所對應(yīng)的位數(shù)。

電流型DAC輸出需要使用運放將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。根據(jù)理想運放模型的特性，（VREF/R）*[D/（2^N）]=-Vout/Rfb，Rfb通常集成在DAC內(nèi)部，保證精度和標值，進而得到Vout=-VREF[D（/2^N）]，D為DAC 輸入的數(shù)字量。

1.4.2 DAC程控運放原理

根據(jù)上述DAC原理已經(jīng)知道了DAC輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系。將待放大的信號從VREF輸入，就可以構(gòu)成一個增益可調(diào)范圍為（2^N）/1到1的放大器，其增益可以表示為A=（1+Rx/R）*[D/（2^N）]，Rx為外接的反饋電阻。

若想實現(xiàn)增益大于1的程控增益放大器，需在前級或后級對信號進行放大.假設(shè)放大2^x倍，則總的增益此時就構(gòu)成了能夠進行程控放大的電路，并且滿足步距為1倍的調(diào)整。

1.4.3 單片機和系統(tǒng)控制設(shè)計

本方案采用增強型8051內(nèi)核單片機STC15W4K56S4作為核心控制器來控制信號放大、鍵盤操作與界面顯示功能。選用8位的R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的DAC0832作為程控衰減器。顯示屏為I2C總線通信方式的0.96吋OLED屏。所有集成運放選擇超低輸入失調(diào)電壓，低噪聲，高增益的OP07運放，可滿足設(shè)計要求。

2 結(jié)語

本設(shè)計中的測量放大器經(jīng)過多次選型、計算仿真與實踐使用，能夠很好地實現(xiàn)放大微弱信號的功能，而且其共模抑制比高，并且加入了單片機的線性控制，針對不同場景改變信號的放大倍數(shù)，可在工程實用中被廣泛應(yīng)用。在設(shè)計過程中，仍有一些不足的地方，比如波形的噪聲比較大等，還需要進一步精進改良。