引 言
在許多數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，特別是小信號工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于信號源的多樣性，常常需要采集系統(tǒng)的前向通道，具有可變的放大倍數(shù)，使之能對測量信號進行滿量程放大，保證測量精度。因此，多數(shù)采集系統(tǒng)的前向通道，需要可編程放大器的支持。
目前，采集系統(tǒng)的前向通道，一般采用外接電阻和模擬開關(guān)來實現(xiàn)可編程的增益變換，使得編程放大器的放大倍數(shù)，級差變化較大，可調(diào)整范圍較小，對外接電阻的精度要求較高，且需要較復(fù)雜的接口電路，給設(shè)計和應(yīng)用帶來了諸多不便。根據(jù)電子技術(shù)理論，利用D/A轉(zhuǎn)換器的特有工作原理，實現(xiàn)一種增益可編程的信號放大電路，是一種較好的和經(jīng)濟的方法，且具有一定的應(yīng)用和實踐意義。
原理實現(xiàn)
一種R-2R 梯型網(wǎng)絡(luò)式D/A 轉(zhuǎn)換器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。其轉(zhuǎn)換原理為電阻加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，按需求產(chǎn)生不同的加權(quán)電
壓，然后相加得到要轉(zhuǎn)換的模擬電壓。圖1中VRef為參考電源輸入端，是轉(zhuǎn)換器輸出電壓的基準(zhǔn)； Iout1和Iout2為轉(zhuǎn)換器模擬量的互補輸出端，由數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的開關(guān)控制，產(chǎn)生對應(yīng)的電流信號： Rfb為反饋電阻接入端，使得內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可與外部放大器組成閉環(huán)回路，完成電壓的疊加； K0 ～K7 為由數(shù)字量控制的模擬開關(guān)， 控制D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出。
由圖1分析知，該類型的D/A轉(zhuǎn)換器是由電阻網(wǎng)絡(luò)對基準(zhǔn)電壓VRef按2i ( i = 0， .， 7)的權(quán)值取其電壓分量，由開關(guān)控制是否將對應(yīng)的權(quán)值位接入到輸出端上，再由Iout1和Iout2互補輸出。根據(jù)電路基本原理，若將Iout1和Iout2輸入至運放，則在運放的輸出端得到如下數(shù)學(xué)表達關(guān)系式
N 為D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入值。通過上式可得到，數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路(D/A轉(zhuǎn)換器+運算放大器)的模擬量輸出Vout ，實際是對參考電壓VRef的一種分壓變換，若將VRef看成是輸入電壓信號，則給定數(shù)字量與它的字長N 位模2N 的比即可看成是放大倍數(shù)， 那么從運算放大器的Vout端，隨著給定數(shù)字量的不同，可在輸出信號Vout端，得到與VRef對應(yīng)關(guān)系的輸出信號Vout。因此可利用D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)對VRef信號端編程的增益變換。
圖1 R-2R梯型網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器的原理結(jié)構(gòu)圖
電路設(shè)計
通過上述的討論，采用D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號的傳輸是可行的。但由式( 1)可看到，若將VRef作為輸出端，在Vout輸出端，只能獲得小于等于一的增益。通過圖1可以看出，VRef、Iout1、Iout2和Rfb端是構(gòu)成R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的模擬信號端口，網(wǎng)絡(luò)的組成可由數(shù)字接口信號控制。那么對這些端點進行新的組合應(yīng)用，則可實現(xiàn)增益大于一的編程放大器。其實現(xiàn)原理圖見圖2。
在圖2中，改變原理圖1中信號的接入點，將Rfb端作為放大電路的信號輸入端Vin ，將Iout1端接運算放大器的信號輸入負端，同時將VRef端接運放的輸出，使通過D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電阻R網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了基本放大電路的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。這樣由D/A轉(zhuǎn)換器的R-2R網(wǎng)絡(luò)，和運算放大器共同組成了可編程的放大電路。根據(jù)運算放大器V + =V - 的虛短原理有
圖2 編程放大器電原理圖
若改變Rin、Rf 的任何一個的阻值，均可改變放大器的放大倍數(shù)。故而在該電路中，可由D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入改變反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的投、切，實現(xiàn)Rf 的變化，從而實現(xiàn)放大器增益的可編程。由原理圖2可推得
N 為數(shù)字量給定，它的范圍是從0 ～255 (對應(yīng)DAC0832)的數(shù)值，當(dāng)給定為滿刻度時(255) 10，可獲得近似為1的最小增益；當(dāng)給定數(shù)字為“0”時，則電路中出現(xiàn)放大器反饋電阻開路，運放處于開環(huán)狀態(tài)，因此理論上，該電路可實現(xiàn)從1～∞的可編程增益。
為了不出現(xiàn)開環(huán)增益的情況，在電路中，在運放的輸出與輸入端，并入一兆歐級(電路中為15 MΩ)的電阻，防止出現(xiàn)開路狀態(tài)，造成對電路的影響。DAC0832是一片帶雙緩沖輸入的8位D/A轉(zhuǎn)換器，它具有靈活的數(shù)字接口，數(shù)字信道具有雙緩沖功能，且可單獨控制；數(shù)字接口邏輯支持5 V供電系統(tǒng)，可方便地與微機對接；模擬信道允許正、負15 V的動態(tài)擺幅，是一種非常通用D/A轉(zhuǎn)換器。設(shè)計中將其設(shè)計為單緩沖模式，WR1，作為編程信號統(tǒng)一控制，該端可作為與微機的接口控制信號應(yīng)用。當(dāng)且僅當(dāng)，該信號為低電平時，才可能將由數(shù)據(jù)線來的數(shù)字，寫入D/A轉(zhuǎn)換器，否則，D/A轉(zhuǎn)換器處于保持狀態(tài)，既保持放大器的放大倍數(shù)不變。其信號傳輸時序如圖3。
圖3 編程信號時序圖
為了實現(xiàn)良好的放大器性能，采用具有FET高阻輸入特性的CA3140運放作為核心放大器，同時采用外部調(diào)零電路，對其進行物理調(diào)零。以保證放大器的精度。
實驗分析
DAC0832內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)是由若干15kΩ 的電阻組成的R-2R網(wǎng)絡(luò)，同時，在Iout1和Rfb端內(nèi)部集成了15kΩ的電阻，為此，我們直接將Rfb作為放大器的信號輸入端。并且由于電阻的集成制造，保證了其參數(shù)的一致性，放大器的穩(wěn)定性能取決于外接運算放大器的性能，電路中采用CA3140可獲得非常穩(wěn)定的增益。
實驗首先將信號輸入Rfb端接零電平，然后在1、128、256三點不同增益下，分別進行物理調(diào)零。采用fluke F45數(shù)字萬用表作為測量工具，使得三點的零電位誤差在0. 1%之內(nèi)，然后將信號輸入端分別接10 mV直流信號和50 Hz、10 mV的正弦信號，并改變其編程放大參數(shù)，測量其對應(yīng)的結(jié)果，可得表1的測試參數(shù)。
表1 V in = 10 mV直流信號，和V in = 10 mV 50 Hz的正弦信號測試參數(shù)
上述的實驗結(jié)果表明了該可編程放大器具有非常穩(wěn)定的倒數(shù)增益特性，且控制方式簡單。
結(jié) 論
由DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器組成的可編程放大器，由于它所具有的微機接口功能，使得其實現(xiàn)電路簡單可靠，增益調(diào)整
簡單，應(yīng)用靈活方便，擴充了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍，其缺點是增益倒數(shù)數(shù)值關(guān)系，使得增益與編程數(shù)字間不能保持線性變換。本設(shè)計的研究，探討了一種數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于模擬技術(shù)的方法，應(yīng)用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的特性，可方便的實現(xiàn)，如數(shù)字給定式信號發(fā)生器、電位鑒別器等應(yīng)用。是一種非常有意義的實驗設(shè)計和應(yīng)用探討。