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可数控调节增益的测量放大器 作者：牛秀范 叶明朗 李晶 摘要 本设计由三个模块电路构成，前级为信号变换电路，高共模抑制比仪表放大 器，单片机控制数控电位器 X9C103 构成的可变增益放大模块，以及单片机键盘 显示处理模块。信号变换电路将单路信号转变为极性相反幅值相同的差模信号， 而仪表放大器组成的次级电路经过优化，实现了很高的共模抑制比。我们利用可 控电位器 x9c103 实现了较小步长的数控增益调节。单片机键盘显示模块负责与 用户的界面接口。 一 方案设计与论证 根据题目要求，我们分以下两部分进行方案设计与论证。 1. 测量放大器电路。 分为两部分考虑： （1） 低噪声前置放大器 方案一： 利用场效应管构成差动放大电路，再通过次级运放放大构成场效应 管输入型测量放大器。其电路图如图 1-1 所示。该电路的特点是输入共 模抑制比 CMRR 较高。 此电路可以提高输入阻抗和降低噪声，但场效 应管的参数匹配值影响抗噪声性能的高低，失调电压和失调电流等参数 受到放大器本身性能限制不易进一步提高。引入该分立元件将导致调试 复杂化，可靠性将下降。 图 1-1 方案二： 如图 1-2，此方案是利用较成熟的三运放仪表放大器结构，该电路结构 简单，只要 OP 放大器的性能对称，其漂移将大为减少，即使在电压增 益很大时，共模抑制比也相当高，完全可以满足题目要求。此电路的优 点在于输入电压接在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大， 可满足要求。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号 放大了 10 倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在输入端引起的漂移 施共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。在实际操作中可以 考虑使用双运放，以实现最大限度的结构对称。OP07 运放的 SR 经过计 算满足题目通频带的要求。而且该电路调试也比较方便。综合考虑我们 选择了该方案。 图 1-2 （2 ） 数控增益放大器 方案一： 采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，由单片机控 制继电器或模拟开关的通断，从而改变电压增益。此方案的优点在于继 电器的导通电阻小，断开电阻大，损耗较小，而且有很好的隔离作用。 但缺点是电阻网络匹配难以实现，且占用体积大速度较慢。因此，给调 试工作带来很大困难。 方案二： 利用 D/A 转换芯片内部结构是 R-2R 可编程电阻网络的特性，只要 其位数达到 10 位，如 AD7520 完全可以实现步长为一的精确调节。而 且其控制也比较简单，利用单片机可以编程可以实现对 AD7520 的精确 控制。相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精度高，体 积小，控制方便，外围布线简化等特点。 但经过我们调查，AD7520 不仅价格非常高，而且在本地很难买到。 方案三： 如图 1-3 利用数控电位器同样可编程的特性也可以实现增益的较精 确的调节。最初我们为了想实现步长为一的调节，就需要 1024 抽头的 电位器，如美信公司的MAX5481-5484 。但遇到了与方案二同样的问题， 本地很难买到。如果对步长要求不太高的话，在可以购到的器件中只能 选择 X9C103 ，它是 200 抽头的，根据计算采用该器件只能实现步长为 10 的增益变化。而且对电阻匹配的要求也比较高。对此，我们决定采用 双可变电阻方案。 输入与反馈电阻均采用 X9C103 ，经过优化算法，可以实现较精确的增 益调节。 综合以上考虑，我们选择了方案三。 2 ．控制电路及用户接口电路 方案一：