程控增益放大器的实现方法

【摘　要】　概述了程控增益放大器的基本原理，总结了当前程控增益放大器电路的实现方法及其特点。
    关键词：程控增益放大器，数字电位器，D／A转换

1　引　言
　　在自动测控系统和智能仪器中，如果测控信号的范围比较宽，为了保证必要的测量精度，常会采用改变量程的办法。改变量程时，测量放大器的增益也应相应地加以改变；另外，在数据采集系统中，对于输入的模拟信号一般都需要加前置放大器，以使放大器输出的模拟电压适合于模数转换器的电压范围，但被测信号变化的幅度在不同的场合表现不同动态范围，信号电平可以从微伏级到伏级，模数转换器不可能在各种情况下都与之相匹配，如果采用单一的增益放大，往往使A／D转换器的精度不能最大限度地利用，或致使被测信号削顶饱和，造成很大的测量误差，甚至使A／D转换器损坏。
　　使用程控增益放大器就能很好地解决这些问题，实现量程的自动切换，或实现全量程的均一化，从而提高A／D转换的有效精度。因此，程控增益放大器在数据采集系统、自动测控系统和各种智能仪器仪表中得到越来越多的应用。
2　基本原理
　　程控增益放大器（Programmable GainAmplifier，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，其基本原理如图1所示。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。
　　由图1可知放大器增益G：

    电路通过数字编码控制模拟开关切换不同的增益电阻，从而实现放大器增益的软件控制。
3　程控增益放大器的实现
　　根据程控增益放大器的基本原理，它有多种实现方法。
　 （1）最简单的实现方法是基于上述基本原理实现的程控增益放大器。该电路由运算放大器、模拟开关、数据锁存器和一个电阻网络组成。其特点是可通过选用精密测量电阻和高性能模拟开关组成精密程控增益放大器，但缺点是漂移较大，输入阻抗不高，电路线路比较复杂。
　　图2是由数据锁存器74LS373、4SPST模拟开关MAX313、运放0P07和一个电阻网络组成的实用精密程控增益放大器电路，通过选择电阻网络电阻RF1～RF4和电阻RI的阻值，经模拟开关4个通道的切换与组合，可得到15个不同的放大／衰减增益。 　

   （2）利用D／A转换器实现程控增益放大器D／A转换器内部有一组模拟开关的电阻网络，用它代替运放反馈部件，与仪表放大器一起可组成程控增益放大／衰减器，再配合软件判断功能就可实现数据采集系统的自动切换量程，其原理图如图3所示。图3所示是用两片D／A转换器和一片运放组成的程控增益放大／衰减器。
　　把程控增益放大／衰减器的输入输出信号分别作为两片D／A转换器的参考电压信号，设两片D／A为8位DAC，其数字量输入分别为D1和D2，则根据数模转换器内部结构分析可知有：

    通过对D1和D2的设置，可以实现放大增益的程序控制。根据上述原理构成的程控增益放大／衰减器电路，不仅能实现程控增益量程的多变，而且具有宽的通频带，只是其性价比偏高。
   （3）选用集成程控运算放大器
　　随着半导体集成电路的发展，目前许多半导体器件厂家将模拟电路与数字电路集成在一起，已推出了单片集成数字程控的增益放大器，例如BURR－BROWN公司的PGAXXX系列产品PGA101、PGA203、PGA206等等，它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽的通频带等优点，使用简单方便，但其增益量程有限，只能实现特定的几种增益切换。
   （4）采用数字电位器实现程控增益放大器
　　数字电位器（RDAC）是一种具有数字接口的有源器件，可以很方便地与微控器接口来精确调整其阻值。它具有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点，更重要的是它可以代替电路中的机械电位器，容易实现控制自动化和操作上的智能化，在自动测控系统和智能仪器中得到越来越广泛的应用。例如应用较为典型的美国Xicor公司推出的X系列固体非易失性数字电位器产品E2POT。本文以X9C104为具体实例，介绍它的功能及在程控增益放大器中的应用。X9C104的功能方框图如图4所示。它是一个含有99个电阻单元的电阻阵列，每个电阻单元之间和两个端点都有可以被滑动端访问的抽头，滑动单元的位置由／CS、U／D和／INC三个输入端控制，滑动端的位置可以被储存在非易失性存储器中，使用方便简单。在微处理器控制系统中，利用它与运放很容易构成程控增益放大器。其特点是它不仅能实现量程多级变化，实现高的增益分辨率，而且线路非常简单。但由于数字电位器受制造工艺等因素的制约，其通频带受限，利用它实现的程控增益放大器高频频响特性不理想。下面介绍一种采用此方法在DSP系统中实现的程控增益放大／衰减器。

　　在电路设计中，将两片数字电位器X9C104配合使用与精密运放OP37构成一程控增益放大／衰减器，电路原理图如图5所示。数字电位器的片选信　

号／CS由译码电路确定，U／D和／INC两个控制信号利用DSP的IO0、IO1口输出，因DSP的IO0、IO1口具有锁存功能，容易用软件编程方法输出满足数字电位器X9C104要求的时序信号，DSP与数字电位器之间不需要再设计等待状态发生器，使控制电路大大简化。设分别为数字电位器X9C104（1）与
　　X9C104（2）的阻值，由图5知其放大增益G为：
  
通过DSP设置N1、N2的值从而实现增益G。若取R1＝20．2kΩ，R2＝1．01kΩ，则通过N1、N2的组合可
使增益｜G｜在1／120～5的范围内实现多个可程控的增益变化。
4　结束语
　　上述几种实现方法各有其不同的特点和应用场合，在实际应用电路中，程控增益放大器的实现要根据不同的要求，选择相应的实现方式。为了提高程控增益放大倍数的精度，电路要选用精密电阻网络并要精密匹配，同时要减小电路中控制开关导通电阻的影响，并要根据精度的不同要求选用不同级别的模拟开关。随着程控增益放大器电路的精度越来越高，应用越来越简单方便，它在自动测控系统和各种智能仪器仪表中得到越来越多的应用，并大大加速了测控系统和仪器仪表的自动化、智能化和集成化的发展。
1　赵茂泰．智能仪器原理及应用．北京：电子工业出版社，1999
2　杨欣荣，凌玉华等．现代测控技术与智能仪器．长沙：湖南科学技术出版社，1995