可編程增益放大器

專門設計的可編程增益放大器電路即集成PGA。集成PGA電路的種類很多，如美國微芯Microchip公司生產的MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28系列，美國模擬儀器公司Analog Devices生產的AD8321等，都屬于可編程增益放大器。下面是以MCP6S系列PGA為例說明這種電路的原理及應用，其他于此類似。

MCP6S系列是一種單端、可級聯、增益可編程放大器，MCP6S21、MCP6S22、MCP6S26、MCP6S28分別是1路、2路、6路、8路可編程增益放大器，其主要特點如下:

·8種可編程增益選擇:+1、+2、+4、+5、+8、+10、+16或+32;

·SPI串行編程接口;

·級聯輸入和輸出;

·低增益誤差，最大正負百分之一;

·低漂移，最大正負275uv;

·低電源電流，典型值為1mA;

·單電源供電，2.5V~5.5V。

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可編程增益放大電路可對模擬信號進行放大、轉換、濾波，并能把器件中的多個功能模塊互聯，對電路進行重構，還可調整電路的增益、帶寬和閾值。對于可變增益放大器，若增益高，則失調電壓大，因此需要對運放進行準確調零，尤其要注意Al的輸出。在RFB端串聯電位器RP2進行增益的校準。運放A2由于負反饋可變，設定增益越大，閉環(huán)頻率響應越壞。需要選用增益可變范圍窄或開環(huán)頻率特性好的運放。對于小功率或精密運放，因為犧牲了交流特性，所以當輸入幾千赫茲以上的信號時應予以注意。

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隨著計算機的應用，為了減少硬件設備，可以使用可編程增益放大器(PGA:Programmable Gain Amplifier)。它是一種通用性很強的放大器，其放大倍數可以根據需要用程序進行控制。采用這種放大器，可通過程序調節(jié)放大倍數，使A/D轉換器滿量程信號達到均一化，因而大大提高測量精度。所謂量程自動轉換就是根據需要對所處理的信號利用可編程增益放大器進行倍數的自動調節(jié)，以滿足后續(xù)電路和系統的要求。 可編程增益放大器有兩種--組合PGA和集成PGA。

可編程增益放大器含全平衡差動放大器模塊、譯碼器模塊和電阻開關陣列模塊，全平衡差動放大器模塊中的負反饋電阻分壓器的電阻比確定該放大器的最大增益，通過譯碼器模塊的譯碼結果控制電阻開關陣列模塊衰減輸入信號的衰減量，最終實現該放大器的增益的可編程。

電阻開關陣列模塊是兩個對稱的含模擬開關的電阻衰減網絡，它們的輸入電阻恒定，確保對前級形成恒定的負載效應。

可編程增益放大器具有以下優(yōu)點:結構簡單;帶寬穩(wěn)定;和輸入電阻恒定，對前級形成恒定的負載效應，在該放大器與前級之間不需增加緩沖電路來隔離。

組合PGA一般由運算放大器、儀器放大器或隔離型放電器再加上一些其他附加電路組成。其工作原理是通過程序調整多路轉換開關接通的反饋電阻的數值，從而調整放大器的放大倍數。

常用的儀用測量放大器采用兩級放大電路，第一級采用同向并聯差動放大器，第二級加了一級基本差動放大器，從而構成儀用放大器。該電路的最大優(yōu)點是輸入阻抗高，共模抑制能力強，增益調節(jié)方便，并由于結構對稱，矢調電壓及溫度漂移小，故在傳感器微弱信號放大系統中得到廣泛應用。

以基于VCA822的可編程增益放大器為例，其設計及工作原理如下:

設計一個通過鍵盤設置增益，且具有AGC功能的寬帶放大器。放大器輸入端采用同相放大電路進行阻抗匹配，使輸入電阻達到MΩ數量級。該系統設計分為寬帶放大、峰值采樣、人機交互等3個模塊。

寬帶放大模塊中電壓增益可預置的功能是由VCA822實現。VCA822一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可達150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定?？刂齐妷旱妮敵鍪怯蓡纹瑱C運算并控制D/A轉換器而輸出的，因而能夠實現較精確的數控。另外，放大器后級接入兩檔信號處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過一個控制端口，實現信號在這兩檔位之間選擇。這種方法的優(yōu)點在于條理清晰，控制方便，易于單片機處理。

針對峰值采樣，采用數字檢波，即通過高速A/D轉換器對輸出的正弦信號進行采樣，判斷一定時間內采集到的數字信號的最大值，該最大值即為該信號的峰值。而這種通用數字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對系統設計要求中的高頻信號，以及某些特定頻率信號，將產生一定誤差。采用雙頻數字峰檢對信號進行采樣，這種方案可有效避免產生誤差。

在上述兩模塊的基礎上實現AGC的功能。峰值檢波測得的電壓值反饋回單片機，單片機對寬帶放大電路實現放大精確控制。通過這種方式可將輸出信號的峰值穩(wěn)定在4.8 V左右。

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可編程增益放大器的性能參數可以根據D/A轉換器的相應參數換算得到，根據MAX502的性能指標其性能參數如下:

輸入失調電壓:<±1mV (未調整)

輸入失調溫漂:±5μV/℃

增益誤差:<0.07%(未調整)

增益溫度系數:<±1ppm/℃

單位增益帶寬:3MHz

壓擺率:5V/μs

輸出擺幅:±10V(2kΩ負載)

輸出電阻:0.2Ω

輸出噪聲電壓:25nV/ Hz

總諧波失真(THD):-90dB

前級儀表放大器的輸出經緩沖進入次級放大器，該級為可編程增益放大器PGA，放大后的信號經濾波處理具有最平坦的頻響特性，濾波器為8階低通濾波器，其可程控設置截止頻率從10Hz到100KHz，次級濾波為二階有源低通濾波，用于消除數字干擾，低通濾波的次級可選加帶通濾波器，其下限截止頻率采用拔動開關設定，低通和帶通濾波器可通過程控接入或跳過。

零電平自校準

自校準解決方案實現模擬通道的零電平較準，消除不

同增益和濾波狀態(tài)下的零點誤差，這種校準由硬件自動完成，有關校準參數已在出廠前標定，并存入模塊上的EEPROM中，用戶在正常使用時不需專門操作該功能，如需要修改EEPROM中存放的校準參數，則需運行隨產品提供的校準軟件，完成校準參數的重設。

數字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機或邏輯電路進行編程。它適合構成各種可編程模擬器件，如可編程增益放大器、可編程濾波器、可編程線性穩(wěn)壓電源及音調/音量控制電路，真正實現了"把模擬器件放到總線上"(即單片機通過總線控制系統的模擬功能塊)這一全新設計理念。

由于數字電位器可代替機械式電位器，所以二者在原理上有相似之處。數字電位器屬于集成化的三端可變電阻器件其等效電路。當數字電位器用作分壓器時，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示;而用作可調電阻器時，分別用RH、RL和RW表示。

數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存與恢復控制電路和不揮發(fā)存儲器等4個數字電路模塊。利用串入、并出的加/減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現加/減計數，計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開關陣列，同時也將數據傳送給內部存儲器保存。當外部計數脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個有效，于是只選擇一個MOS管導通。

數字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發(fā)存儲器，當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數字電位器與機械式電位器的使用效果基本相同。但是由于開關的工作采用"先連接后斷開"的方式，所以在輸入計數有效期間，數字電位器的電阻值與期望值可能會有一定的差別，只有在調整結束后才能達到期望值。

◆采用傳感器原理生產，具有良好的線性、精度和溫度穩(wěn)定性。

◆采用軟件實現功能，可以根據使用要求變化進行定制。

◆工作方式為非接觸，避免傳統電位器的磨損，壽命長，可靠性高。

◆由于取消了傳統電位器中的電刷基片，有效行程達到360°，實現無盲區(qū)測量。

◆輸出信號類型多(0-5V/0-10V/4-20mA/串行數字信號輸出)，方便信號采集處理。

◆可以通過軟件實現有效行程和輸出信號的變化，滿足各種特殊要求。

◆應用范圍廣，使用靈活。