對(duì)微弱信號(hào)的程控放大，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設(shè)置增益的放大器如AD8321 芯片，但該類放大器價(jià)格較高且選擇檔位較少。采用數(shù)字電位器或者模擬開關(guān)和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點(diǎn)，但是模擬開關(guān)具有較大的噪聲且存在偏置電阻，精度不高使用D/A 內(nèi)部電阻實(shí)現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法， 利用DAC 內(nèi)部精密電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)放的反饋電阻提高了放大精度，但這種方案難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)?；诮Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的程控放大器采用時(shí)鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制， 能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的精確放大。通過(guò)D/A改變場(chǎng)效應(yīng)管的柵源極之間的電壓以調(diào)節(jié)壓控電阻，可變電阻范圍大，噪聲低，采用較復(fù)雜的軟件系統(tǒng)彌補(bǔ)了線性度不高的問(wèn)題，較高的精度滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

1 程控放大器原理

壓控放大模塊要求實(shí)現(xiàn)1~100 倍放大，然后與前置放大模塊組合實(shí)現(xiàn)100~1000 倍的信號(hào)放大。

采用D/A 控制以場(chǎng)效應(yīng)管為核心的可變電阻可實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)要求。場(chǎng)效應(yīng)管的源漏極電壓UDS 小于1V，UGS 不變時(shí)，ID 隨UDS 的增加而增加， 與電阻的特性一致，并且UGS 改變時(shí)ID－UDS 曲線的斜率跟著改變。這就是說(shuō)， 場(chǎng)效應(yīng)管可以用作一個(gè)受UGS 控制的壓控電阻。

本設(shè)計(jì)將場(chǎng)效應(yīng)管接入運(yùn)放的T 型反饋網(wǎng)絡(luò)，使運(yùn)放的等效反饋電阻隨場(chǎng)效應(yīng)管的DS 間電阻的變化而變化，如圖1 所示。

圖1 壓控放大電路

反饋電阻為：

為了確保場(chǎng)效應(yīng)管DS 之間的電壓小于1V，取R1＝R2：

壓控放大電路放大倍數(shù)為：

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選取R1＝200，R2＝200，R3＝1，R4＝390。改變場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓，測(cè)量輸入、輸出，并計(jì)較得到放大倍數(shù)AV 的范圍為1 ~112 之間， 對(duì)20Hz~20kHz 的正弦信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量和分析，柵級(jí)電壓與增益的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 場(chǎng)效應(yīng)管GS 電壓值與增益關(guān)系

以輸入和放大倍數(shù)為坐標(biāo)反映到曲線圖上如圖2 所示。

圖2 輸入電壓與放大倍數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖

由圖可知輸入電壓與放大倍數(shù)近似成線性關(guān)系，經(jīng)線性擬合后得到函數(shù)關(guān)系：

UGS取值范圍－2．38V～0V， 如果采用12 位D/A控制UGS， 參考電壓取2．4V 則可實(shí)現(xiàn)0．001V 步進(jìn)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，其輸出經(jīng)反向后接到結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管G 極，由于R1、R2對(duì)稱使場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，源極和漏極間的等效電阻由G 極的電壓即D/A 輸出電壓控制，場(chǎng)效應(yīng)管源極和漏極的電阻變化會(huì)引起反饋電阻的變化。UDS 增益、AV 及數(shù)字量D/A 間對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

單片機(jī)D/A 輸出電壓0～2．4V，故需外接運(yùn)放將輸出反向，輸出電壓范圍為－2．4V～0V，可滿足要求。

表2 UDS增益、AV及D/A 數(shù)字量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 電路設(shè)計(jì)

2．1 總體方案的設(shè)計(jì)及組成

系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、前置放大電路模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、壓控放大模塊、有效值轉(zhuǎn)換、A/D采樣模塊和顯示電路等組成。

2．2 總體結(jié)構(gòu)

控制器選用C8051F020 單片機(jī)， 內(nèi)部集成12位A/D、D/A 和鎖相環(huán)，最高工作頻率100MHz，選用低噪聲、頻帶寬和放大能力好的放大器AD* 做為前置放大器，AD* 能夠放大最小信號(hào)為25μV。有效值轉(zhuǎn)換選用精度高的AD637，AD637 能夠采集0V～2V 之間的信號(hào)，系統(tǒng)方框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

2．3 模塊方案論證

2．3．1 前置放大模塊

前置放大部分對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行10 倍放大，當(dāng)輸入信號(hào)十分微弱時(shí)，通常會(huì)淹沒在噪聲中，這就要求前置放大電路具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲等特性。系統(tǒng)采用精密儀表放大器AD*，它具有很高輸入阻抗， 能有效抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引入的誤差，單位增益帶寬25MHz，適用于寬頻帶測(cè)量系統(tǒng)，共摸抑制比高達(dá)130dB，等效輸入噪聲小于4nV/Hz， 輸入失調(diào)電壓溫度漂移只有0．25μV/℃，能有效抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系統(tǒng)的精度； 具有較高的增益及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍，可適用信號(hào)源電平較寬的范圍。

AD* 是高精度低噪聲儀用放大電路，它可用在不同傳感器輸出信號(hào)的放大系統(tǒng)中。AD* 除給定100、200、500 的固定增益外，還可將3 腳與其它相連得到不同固定增益。該集成放大器通過(guò)內(nèi)部高精度電阻器設(shè)置了1，100，200，500，1000 等管腳增益，并可通過(guò)連接適當(dāng)?shù)脑鲆娴玫蕉喾N組合增益值。

還可通過(guò)外部電阻器任意設(shè)定增益值，如圖4 所示。

圖4 增益值的設(shè)定

圖中，在腳3 與16 之間連接電阻RG，其阻值為：

其中：AV為放大器增益。為達(dá)到最好效果，RG應(yīng)選用低溫度系數(shù)的精密電阻器。

取RG＝4．44k，即可得到10 倍的前置放大。

2．3．2 壓控放大模塊

單片機(jī)內(nèi)部12 位D/A 輸出0～2．4V 直流信號(hào)，而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管需要－2．4～0V 信號(hào)， 因此需要對(duì)D/A 輸出信號(hào)取反。T 型反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻分別取R1＝200，R2＝200，R3＝1，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5 所示。

圖5 壓控放大電路設(shè)計(jì)

2．3．3 有效值轉(zhuǎn)換

有效值轉(zhuǎn)換電路采用AD637 專用芯片計(jì)算電流和電壓的有效值，能簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，而且轉(zhuǎn)換精度達(dá)到0．1％。

一個(gè)交變信號(hào)的有效值定義為：

其中：VRMS為信號(hào)的有效值；T 為測(cè)量時(shí)間；V（t）是信號(hào)的波形，V（t）是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，但不一定是周期性的。

對(duì)等式的兩邊進(jìn)行平方得：

右邊的積分項(xiàng)可以用一個(gè)平均來(lái)近似：

式（8）可以簡(jiǎn)化為：

等式兩邊除以VRMS得：

系統(tǒng)采用AD637 有效值檢測(cè)器將輸入的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器送給單片機(jī)處理。AD637 有效值轉(zhuǎn)換如圖6 所示。

圖6 有效值轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分完成各個(gè)部分的控制和協(xié)調(diào)。本系統(tǒng)軟件由主程序和子程序組成， 主要完成系統(tǒng)初始化、液晶顯示初始化、繼電器控制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。主要由主程序和顯示子程序等組成。如圖7 所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊設(shè)計(jì)法，功能模塊各自獨(dú)立，使得程序結(jié)構(gòu)清晰。首先對(duì)系統(tǒng)各模塊初始化，12 位A/D、D/A 均采用C8051F020 內(nèi)部參考電壓2．4V，繼電器切換到輸入端測(cè)量經(jīng)AD* 放大后的輸入信號(hào)，若測(cè)量值大于200mV，說(shuō)明輸入信號(hào)超過(guò)20mV，設(shè)置1 倍前置放大，然后根據(jù)輸入信號(hào)的大小判斷量程，調(diào)節(jié)D/A 輸出控制JFET，繼電器切換到輸出端采集輸出信號(hào)，根據(jù)輸入輸出進(jìn)行系統(tǒng)自調(diào)節(jié)。考慮到溫度對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管影響，為了不增加復(fù)雜硬件電路，對(duì)系統(tǒng)采用軟件補(bǔ)償。

圖7 程控放大器主程序流程圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4．1 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

放大倍數(shù)測(cè)試，是通過(guò)示波器把輸入信號(hào)的峰峰值和輸出信號(hào)的峰峰值測(cè)出來(lái)，然后相比較：

其中：AV為放大倍數(shù)；VO為輸出信號(hào)峰峰值；Vi為輸入信號(hào)峰峰值。

電路本身的非線性、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管受溫度影響、電阻的熱穩(wěn)定性差等因素造成了系統(tǒng)的非線性誤差，如表3 所示，系統(tǒng)的最大非線性誤差為0．2％，精度較高。

表3 改變輸入信號(hào)峰峰值測(cè)試結(jié)果

設(shè)置放大倍數(shù)為50， 調(diào)節(jié)輸入的峰峰值為20mV，改變輸入頻率，測(cè)量輸出信號(hào)，如表4 所示。

表4 改變輸入信號(hào)頻率測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)在頻帶0～20kHz 內(nèi)的增益誤差小于3％，共模抑制比超過(guò)2×106。

4．2 誤差分析

測(cè)量時(shí)， 選用高精度示波器所測(cè)的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)。誤差產(chǎn)生的原因除了溫度影響外主要有輸入信號(hào)比較小，本身就含有一定的干擾信號(hào)，這是誤差產(chǎn)生的一個(gè)原因，其次因?yàn)榻Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管受溫度影響會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，示波器測(cè)量時(shí)測(cè)量值會(huì)跳動(dòng)，給讀取測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。

為減小溫度影響帶來(lái)的誤差， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件補(bǔ)償， 在1～100 之間取點(diǎn)， 相鄰兩點(diǎn)之間認(rèn)為D/A 輸出與運(yùn)放的放大倍數(shù)滿足線性關(guān)系， 實(shí)驗(yàn)中取了24 個(gè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較近，在整個(gè)范圍內(nèi)極大地減小了誤差，而且取點(diǎn)越多誤差就越小。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)應(yīng)用C8051F020 單片機(jī)，采用基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管壓控放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的放大和采集，有效抑制噪聲，采用場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)的可變電阻變化范圍大，克服了數(shù)字電位器、模擬開關(guān)等有觸點(diǎn)放大電路的噪聲問(wèn)題，配合復(fù)雜軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大倍數(shù)的精確控制，是一款低噪聲高精度的小信號(hào)可程控放大器，可適應(yīng)頻率在一定范圍變化的模擬信號(hào)，因此能夠在自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能儀器儀表中得到應(yīng)用。