采用DA转换器实现可编程放大器的设计

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1、采用D/A转换器实现可编程放大器的设计作者：程晓玲，雷淑英    时间：2006-10-01    来源:        摘　要：依据电子技术理论，采用模/数相结合的设计方法，设计讨论了一种增益可调的编程放大器的实现方法，并对其进行了理论分析，给出了实际应用电路。关键词：D/A转换器；运算放大器；可编程放大器引言　　在许多数据采集现场，特别是小信号工业现场的数据采集系统，由于信号源的多样性，常常需要采集系统的前向通道，具有可变的放大倍数，使之能对测量信号进行满量程放大，保证测量精度。因此，多数采集系统的前向通道，需要可编程放大器的支持。　　目前，采集系统的前向通道，一般采用

2、外接电阻和模拟开关来实现可编程的增益变换，使得编程放大器的放大倍数，级差变化较大，可调整范围较小，对外接电阻的精度要求较高，且需要较复杂的接口电路，给设计和应用带来了诸多不便。根据电子技术理论，利用D/A转换器的特有工作原理，实现一种增益可编程的信号放大电路，是一种较好的和经济的方法，且具有一定的应用和实践意义。原理实现　　一种R-2R梯型网络式D/A转换器的原理结构图如图l所示。其转换原理为电阻加权网络，按需求产生不同的加权电压，然后相加得到要转换的模拟电压。图1中VRef为参考电源输入端，是转换器输出电压的基准；Iout1和Iout2为转换器模拟量的互补输出端，由数据控

3、制相应的开关控制，产生对应的电流信号：Rfb为反馈电阻接入端，使得内部网络可与外部放大器组成闭环回路，完成电压的叠加；K0～K7为由数字量控制的模拟开关，控制D/A转换的数据输入，实现D/A转换器的模拟量输出。　　由图1分析知，该类型的D/A转换器是由电阻网络对基准电压VRef按2i(i=0，.，7)的权值取其电压分量，由开关控制是否将对应的权值位接入到输出端上，再由Iout1和Iout2互补输出。根据电路基本原理，若将Iout1和Iout2输入至运放，则在运放的输出端得到如下数学表达关系式　　　N为D/A转换器的数字量输入值。通过上式可得到，数/模转换电路(D/A转换器+

4、运算放大器)的模拟量输出Vout，实际是对参考电压VRef的一种分压变换，若将VRef看成是输入电压信号，则给定数字量与它的字长N位模2N的比即可看成是放大倍数，那么从运算放大器的Vout端，随着给定数字量的不同，可在输出信号Vout端，得到与VRef对应关系的输出信号Vout。因此可利用D/A转换器，实现对VRef信号端编程的增益变换。图1　R-2R梯型网络式D/A转换器的原理结构图电路设计　　通过上述的讨论，采用D/A转换器实现信号的传输是可行的。但由式(1)可看到，若将VRef作为输出端，在Vout输出端，只能获得小于等于一的增益。通过图1可以看出，VRef、Iout

5、1、Iout2和Rfb端是构成R-2R梯形电阻网络的模拟信号端口，网络的组成可由数字接口信号控制。那么对这些端点进行新的组合应用，则可实现增益大于一的编程放大器。其实现原理图见图2。　　在图2中，改变原理图1中信号的接入点，将Rfb端作为放大电路的信号输入端Vin，将Iout1端接运算放大器的信号输入负端，同时将VRef端接运放的输出，使通过D/A转换器的内部电阻R网络，构成了基本放大电路的反馈电阻网络。这样由D/A转换器的R-2R网络，和运算放大器共同组成了可编程的放大电路。根据运算放大器V+=V-的虚短原理有　　　　　　　图2　编程放大器电原理图　　若改变Rin、Rf的

6、任何一个的阻值，均可改变放大器的放大倍数。故而在该电路中，可由D/A转换器的数字量输入改变反馈电阻网络的投、切，实现Rf的变化，从而实现放大器增益的可编程。由原理图2可推得　　　　　N为数字量给定，它的范围是从0～255(对应DAC0832)的数值，当给定为满刻度时(255)10，可获得近似为1的最小增益；当给定数字为“0”时，则电路中出现放大器反馈电阻开路，运放处于开环状态，因此理论上，该电路可实现从1～∞的可编程增益。为了不出现开环增益的情况，在电路中，在运放的输出与输入端，并入一兆欧级(电路中为15MΩ)的电阻，防止出现开路状态，造成对电路的影响。DAC0832是一片

7、带双缓冲输入的8位D/A转换器，它具有灵活的数字接口，数字信道具有双缓冲功能，且可单独控制；数字接口逻辑支持5V供电系统，可方便地与微机对接；模拟信道允许正、负15V的动态摆幅，是一种非常通用D/A转换器。设计中将其设计为单缓冲模式，WR1，作为编程信号统一控制，该端可作为与微机的接口控制信号应用。当且仅当，该信号为低电平时，才可能将由数据线来的数字，写入D/A转换器，否则，D/A转换器处于保持状态，既保持放大器的放大倍数不变。其信号传输时序如图3。图3　编程信号时序图　　为了实现良好的放大器性能，采用具有FET高