一种数控高增益测量放大器的设计

摘要：根据工程应用中对小信号放大的需要，结合模拟电子技术和单片机技术，设计实现了一种数控高增益测量放大器。根据预置的电压放大倍数合理分配第一级、第二级的放大量，实现了步进为1的1～1 000的放大倍数预置和显示功能，同时实现输出共模电压反馈至电源公共端，使运放电源电压随共模输入电压浮动等改进措施提高了放大器的共模抑制比，实现了一种方便实用的数控高增益测量放大器。
关键词：测量放大器；共模抑制比；数字控制；单片机；数模转换器

    测量放大器也称为仪表放大器或数据放大器，它是一种可以用来放大微弱差值信号的高精度放大器，在测量控制等领域具有广泛的用途。通常，测量放大器多采用专用集成模块来实现，虽然有很高的性能指标，但不便于实现增益的预置与数字控制，同时价格较高。为此，结合应用实际，利用高增益运放，设计了一种具有高共模抑制比，高增益数控可显的测量放大器。提高了测量放大器的性能指标，并实现放大器增益较大范围的步进调节。

l 方案设计
    采用固定放大倍数的测量放大器必然会对整体放大器的动态性能有很大影响，所以本设计主要由三个模块电路构成：前级高共模抑制比测量放大器、AD7533衰减器和单片机键盘显示处理模块。在前级高共模抑制比放大器中将输出共模电压反馈到正负电源的公共端提高共模抑制比。衰减器实现衰减率的数字编程。单片机键盘显示处理模块一方面对8279进行实时控制，还对AD7533进行数字控制。整体系统框图如图1所示。

    从整体系统框图可以分析，系统对输入信号的放大倍数为：
   
    其中，Ac是前级放大器的放大倍数，ADAC是衰减器的衰减率。
1．1 前级放大器
    在此采用仪用放大器组成高共模抑制比测量放大器如图2所示，运放A4实现输出共模电压反馈至电源公共端，使运放电源电压随共模输入电压浮动，从而使各级偏置电压都跟踪共模输入电压，这样各级的共模信号就被大大削弱了，共模输入电压在放大器输出端产生的误差电压就大幅度减少，提高了放大器的共模抑制比。图中Rw由3条并列的固定电阻通路构成，3条电阻通路由单片机控制的3个继电器来分别接通实现。很容易分析得到此放大器的放大倍数为：
   

    由此，改变Rw获得3个控制等级的前级电压放大倍数，分别对1～10 V，0．1～1 V以及小于O．1 V的3个不同电压段的信号进行控制，通过继电器切换的方式实现不同的放大倍数，如表1所示。

1．2 单片机与衰减器部分
    单片机部分实现总体控制与显示，由51单片机和8279键盘显示芯片主体构成。置数可由0～9数字键和加、减、预置数等控制键实现。任一输入信号在前级放大的基础上再经后级程控衰减器乘上10倍以后获得最终的电压放大倍数。单片机与衰减器原理图如图3所示。

    在单片机的算法控制下进行前级放大器放大倍数的适当选取，使得继电器动作的原则为：选择最小的前级放大倍数和相适应的最小的后级衰减率，使得由前级放大器的衰减器引起的误差尽量小。
    可变增益的衰减器AD7533也由单片机控制，输入不同的10位数字量就获得不同的输出输入电压比。调整相应的衰减率就得到相应的放大倍数。10位的AD7533，数字量每改变1位，衰减就会变动1／1 024，实现步距为1的1 000倍电压放大倍数。譬如当要得到205的电压放大倍数时，只要给AD7533置数OCDH(205D)，同时选择前级放大倍数为102．4，这样就得到：102．4×10×205／1 024=205的放大倍数；当要得到60的电压放大倍数时，只要作600／1 024的衰减，同时选择前级放大倍数为10．24，这样就得到：10．24×10×600／1 024=60的放大倍数；当要得到6的电压放大倍数时，只要作600／1 024的衰减，同时选择前级放大倍数为1．024，这样就得到：1．024×10×600／1 024=6的放大倍数。

2 测试结果
    根据以上思路，对实际制作的测量放大器进行了放大倍数的测试。输入相应的直流信号，结果如表2所示。

3 结 语
    从测试结果可以分析看出，该测量放大器差模电压放大倍数大，可以对放大倍数预置，并实现显示，直观方便。可在10 V范围内高精度满足小信号测量的要求。可以根据预置的电压放大倍数合理分配第一级、第二级的放大量，实现了步进为1的1～1 000的放大倍数预置功能，同时采用多种改进措施提高了放大器的共模抑制比。