微弱信號常常伴隨大量的噪聲且驅動能力較弱，給精確測量帶來很大難度。基于結型場效應管的程控放大器以壓控放大電路為核心，通過單片機C8051F020控制12位D/A輸出，改變工作在可變電阻區的結型場效應管的柵極電壓以改變反饋電阻， 從而實現放大倍數精確調節，使整個系統操作起來更加簡單、方便。系統實現對信號1到1000倍放大并可程控，通過液晶顯示輸入、輸出值和放大倍數。測試結果顯示系統能夠對最小1mv的輸入信號進行預定放大且具有較高的精度；以JFET為核心的壓控電阻工作速度快、可靠性好、控制靈敏度高，無機械觸點使其噪聲較低；系統12位A/D、D/A均集成在單片機內部，縮減了復雜的外圍電路，可靠性高；系統還具有輸入電阻大、共模抑制比高等特點。因此在數據采集系統、自動增益控制、動態范圍擴展、遠程儀表測試等微弱信號測量方面使用尤為適宜。
對微弱信號的程控放大，傳統的方法是采用可軟件設置增益的放大器如AD8321 芯片，但該類放大器價格較高且選擇檔位較少。采用數字電位器或者模擬開關和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點，但是模擬開關具有較大的噪聲且存在偏置電阻，精度不高使用D/A 內部電阻實現可變電阻也是較為常用的方法， 利用DAC 內部精密電阻網絡作為運放的反饋電阻提高了放大精度，但這種方案難以實現連續調節。基于結型場效應管的程控放大器采用時鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機實現閉環控制， 能實時調節輸出，實現對輸入信號的精確放大。通過D/A改變場效應管的柵源極之間的電壓以調節壓控電阻，可變電阻范圍大，噪聲低，采用較復雜的軟件系統彌補了線性度不高的問題，較高的精度滿足實際應用需要。
1 程控放大器原理
壓控放大模塊要求實現1~100 倍放大，然后與前置放大模塊組合實現100~1000 倍的信號放大。
采用D/A 控制以場效應管為核心的可變電阻可實現該設計要求。場效應管的源漏極電壓UDS 小于1V，UGS 不變時，ID 隨UDS 的增加而增加， 與電阻的特性一致，并且UGS 改變時ID－UDS 曲線的斜率跟著改變。這就是說， 場效應管可以用作一個受UGS 控制的壓控電阻。
本設計將場效應管接入運放的T 型反饋網絡，使運放的等效反饋電阻隨場效應管的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：
為了確保場效應管DS 之間的電壓小于1V，取R1＝R2：
壓控放大電路放大倍數為：
經過多次試驗，選取R1＝200，R2＝200，R3＝1，R4＝390。改變場效應管柵極電壓，測量輸入、輸出，并計較得到放大倍數AV 的范圍為1 ~112 之間， 對20Hz~20kHz 的正弦信號進行多次測量和分析，柵級電壓與增益的具體對應關系如表1 所示。
表1 場效應管GS 電壓值與增益關系
以輸入和放大倍數為坐標反映到曲線圖上如圖2 所示。
圖2 輸入電壓與放大倍數關系散點圖
由圖可知輸入電壓與放大倍數近似成線性關系，經線性擬合后得到函數關系：
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 則可實現0．001V 步進，數字信號通過D/A 轉化為模擬信號，其輸出經反向后接到結型場效應管G 極，由于R1、R2對稱使場效應管工作在可變電阻區，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，場效應管源極和漏極的電阻變化會引起反饋電阻的變化。UDS 增益、AV 及數字量D/A 間對應關系如表2 所示。
單片機D/A 輸出電壓0～2．4V，故需外接運放將輸出反向，輸出電壓范圍為－2．4V～0V，可滿足要求。
表2 UDS增益、AV及D/A 數字量之間的對應關系
摘要：微弱信號常常伴隨大量的噪聲且驅動能力較弱，給精確測量帶來很大難度。基于結型場效應管的程控放大器以壓控放大電路為核心，通過單片機C8051F020控制12位D/A輸出，改變工作在可變電阻區的結型場效應管的柵極電壓以改變反饋電阻， 從而實現放大倍數精確調節，使整個系統操作起來更加簡單、方便。系統實現對信號1到1000倍放大并可程控，通過液晶顯示輸入、輸出值和放大倍數。測試結果顯示系統能夠對最小1mv的輸入信號進行預定放大且具有較高的精度；以JFET為核心的壓控電阻工作速度快、可靠性好、控制靈敏度高，無機械觸點使其噪聲較低；系統12位A/D、D/A均集成在單片機內部，縮減了復雜的外圍電路，可靠性高；系統還具有輸入電阻大、共模抑制比高等特點。因此在數據采集系統、自動增益控制、動態范圍擴展、遠程儀表測試等微弱信號測量方面使用尤為適宜。
對微弱信號的程控放大，傳統的方法是采用可軟件設置增益的放大器如AD8321 芯片，但該類放大器價格較高且選擇檔位較少。采用數字電位器或者模擬開關和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點，但是模擬開關具有較大的噪聲且存在偏置電阻，精度不高使用D/A 內部電阻實現可變電阻也是較為常用的方法， 利用DAC 內部精密電阻網絡作為運放的反饋電阻提高了放大精度，但這種方案難以實現連續調節。基于結型場效應管的程控放大器采用時鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機實現閉環控制， 能實時調節輸出，實現對輸入信號的精確放大。通過D/A改變場效應管的柵源極之間的電壓以調節壓控電阻，可變電阻范圍大，噪聲低，采用較復雜的軟件系統彌補了線性度不高的問題，較高的精度滿足實際應用需要。
1 程控放大器原理
壓控放大模塊要求實現1~100 倍放大，然后與前置放大模塊組合實現100~1000 倍的信號放大。
采用D/A 控制以場效應管為核心的可變電阻可實現該設計要求。場效應管的源漏極電壓UDS 小于1V，UGS 不變時，ID 隨UDS 的增加而增加， 與電阻的特性一致，并且UGS 改變時ID－UDS 曲線的斜率跟著改變。這就是說， 場效應管可以用作一個受UGS 控制的壓控電阻。
本設計將場效應管接入運放的T 型反饋網絡，使運放的等效反饋電阻隨場效應管的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：
為了確保場效應管DS 之間的電壓小于1V，取R1＝R2：
壓控放大電路放大倍數為：
經過多次試驗，選取R1＝200，R2＝200，R3＝1，R4＝390。改變場效應管柵極電壓，測量輸入、輸出，并計較得到放大倍數AV 的范圍為1 ~112 之間， 對20Hz~20kHz 的正弦信號進行多次測量和分析，柵級電壓與增益的具體對應關系如表1 所示。
表1 場效應管GS 電壓值與增益關系
以輸入和放大倍數為坐標反映到曲線圖上如圖2 所示。
圖2 輸入電壓與放大倍數關系散點圖
由圖可知輸入電壓與放大倍數近似成線性關系，經線性擬合后得到函數關系：
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 則可實現0．001V 步進，數字信號通過D/A 轉化為模擬信號，其輸出經反向后接到結型場效應管G 極，由于R1、R2對稱使場效應管工作在可變電阻區，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，場效應管源極和漏極的電阻變化會引起反饋電阻的變化。UDS 增益、AV 及數字量D/A 間對應關系如表2 所示。
單片機D/A 輸出電壓0～2．4V，故需外接運放將輸出反向，輸出電壓范圍為－2．4V～0V，可滿足要求。
表2 UDS增益、AV及D/A 數字量之間的對應關系
2 電路設計
2．1 總體方案的設計及組成
系統主要由單片機控制模塊、前置放大電路模塊、D/A 轉換模塊、壓控放大模塊、有效值轉換、A/D采樣模塊和顯示電路等組成。
2．2 總體結構
控制器選用C8051F020 單片機， 內部集成12位A/D、D/A 和鎖相環，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* 能夠放大最小信號為25μV。有效值轉換選用精度高的AD637，AD637 能夠采集0V～2V 之間的信號，系統方框圖如圖3 所示。
圖3 系統框圖
2．3 模塊方案論證
2．3．1 前置放大模塊
前置放大部分對輸入信號進行10 倍放大，當輸入信號十分微弱時，通常會淹沒在噪聲中，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， 能有效抑制信號源與傳輸網絡阻抗不對稱引入的誤差，單位增益帶寬25MHz，適用于寬頻帶測量系統，共摸抑制比高達130dB，等效輸入噪聲小于4nV/Hz， 輸入失調電壓溫度漂移只有0．25μV/℃，能有效抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系統的精度； 具有較高的增益及較寬的增益調節范圍，可適用信號源電平較寬的范圍。
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的放大系統中。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。該集成放大器通過內部高精度電阻器設置了1，100，200，500，1000 等管腳增益，并可通過連接適當的增益得到多種組合增益值。
還可通過外部電阻器任意設定增益值，如圖4 所示。
圖4 增益值的設定
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。為達到最好效果，RG應選用低溫度系數的精密電阻器。
取RG＝4．44k，即可得到10 倍的前置放大。
2．3．2 壓控放大模塊
單片機內部12 位D/A 輸出0～2．4V 直流信號，而結型場效應管需要－2．4～0V 信號， 因此需要對D/A 輸出信號取反。T 型反饋網絡的電阻分別取R1＝200，R2＝200，R3＝1，具體實現電路如圖5 所示。
圖5 壓控放大電路設計
2．3．3 有效值轉換
有效值轉換電路采用AD637 專用芯片計算電流和電壓的有效值，能簡化軟件設計，而且轉換精度達到0．1％。
一個交變信號的有效值定義為：
其中：VRMS為信號的有效值；T 為測量時間；V（t）是信號的波形，V（t）是一個時間的函數，但不一定是周期性的。
對等式的兩邊進行平方得：
右邊的積分項可以用一個平均來近似：
式（8）可以簡化為：
等式兩邊除以VRMS得：
系統采用AD637 有效值檢測器將輸入的交流電壓信號轉換為直流電壓，然后通過A/D 轉換器送給單片機處理。AD637 有效值轉換如圖6 所示。
圖6 有效值轉換電路
3 系統軟件設計
軟件部分完成各個部分的控制和協調。本系統軟件由主程序和子程序組成， 主要完成系統初始化、液晶顯示初始化、繼電器控制、數模轉換、數據采集和數據處理。主要由主程序和顯示子程序等組成。如圖7 所示。
系統軟件設計中，采用模塊設計法，功能模塊各自獨立，使得程序結構清晰。首先對系統各模塊初始化，12 位A/D、D/A 均采用C8051F020 內部參考電壓2．4V，繼電器切換到輸入端測量經AD* 放大后的輸入信號，若測量值大于200mV，說明輸入信號超過20mV，設置1 倍前置放大，然后根據輸入信號的大小判斷量程，調節D/A 輸出控制JFET，繼電器切換到輸出端采集輸出信號，根據輸入輸出進行系統自調節。考慮到溫度對結型場效應管影響，為了不增加復雜硬件電路，對系統采用軟件補償。
圖7 程控放大器主程序流程圖。
4 系統測試
4．1 系統測試及結果分析
放大倍數測試，是通過示波器把輸入信號的峰峰值和輸出信號的峰峰值測出來，然后相比較：
其中：AV為放大倍數；VO為輸出信號峰峰值；Vi為輸入信號峰峰值。
電路本身的非線性、結型場效應管受溫度影響、電阻的熱穩定性差等因素造成了系統的非線性誤差，如表3 所示，系統的最大非線性誤差為0．2％，精度較高。
表3 改變輸入信號峰峰值測試結果
設置放大倍數為50， 調節輸入的峰峰值為20mV，改變輸入頻率，測量輸出信號，如表4 所示。
表4 改變輸入信號頻率測試結果
測試結果顯示，系統在頻帶0～20kHz 內的增益誤差小于3％，共模抑制比超過2×106。
4．2 誤差分析
測量時， 選用高精度示波器所測的數值為標準。誤差產生的原因除了溫度影響外主要有輸入信號比較小，本身就含有一定的干擾信號，這是誤差產生的一個原因，其次因為結型場效應管受溫度影響會產生一定的誤差，示波器測量時測量值會跳動，給讀取測量結果帶來一定的誤差。
為減小溫度影響帶來的誤差， 對整個系統進行軟件補償， 在1～100 之間取點， 相鄰兩點之間認為D/A 輸出與運放的放大倍數滿足線性關系， 實驗中取了24 個點，實驗結果與實測結果較近，在整個范圍內極大地減小了誤差，而且取點越多誤差就越小。
5 結語
系統應用C8051F020 單片機，采用基于結型場效應管壓控放大電路實現對小信號的放大和采集，有效抑制噪聲，采用場效應管實現的可變電阻變化范圍大，克服了數字電位器、模擬開關等有觸點放大電路的噪聲問題，配合復雜軟件，實現了對放大倍數的精確控制，是一款低噪聲高精度的小信號可程控放大器，可適應頻率在一定范圍變化的模擬信號，因此能夠在自動控制系統、智能儀器儀表中得到應用。