可編程程式控制放大器

A. 什麼是程式控制放大器

程式控制放大器就是通常說的程式控制增益放大器，它與普通放大器的差別在於反饋電阻網路可變且受控於控制介面的輸出信號。不同的控制信號，將產生不同的反饋系數，從而改變放大器的閉環增益。
也就是說它產生的圖像更加清晰，操作更加簡易。

B. 什麼是程式控制放大器

可編程的放大器。

增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術工具中處理信號的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現的，放大所需功耗由能源提供。對於線性放大器，輸出就是輸入信號的復現和增強。對於非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函數關系。放大器按所處理信號物理量分為機械放大器、機電放大器放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大器等，其中用得最廣泛的是電子放大器。隨著射流技術(見射流元件)的推廣，液動或氣動放大器的應用也逐漸增多。電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器、固體放大器和磁放大器，其中又以晶體管放大器應用最廣。在自動化儀表中晶體管放大器常用於信號的電壓放大和電流放大，主要形式有單端放大和推挽放大。此外，還常用於阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉換、電荷-電壓轉換(如電荷放大器)以及利用放大器實現輸出與輸入之間的一定函數關系(如運算放大器)。放器：用放或縮信號裝置；
增益：既放器定要增益於1或者於1等於1；
程式控制：使用程序控制放增益放倍數程序控制呢使用單片機通鍵盤輸入放倍數單片機輸相應數字信號通DA變換換模擬電壓信號使用電壓信號控制放器放倍數。

C. 利用FPGA 怎樣實現 可控放大器

數控放大器

一 、引言

隨著可變增益放大技術的不斷發展, 它在自動測控、智能測控、智能儀器儀表等重要領域的應用也越來越廣泛。可變增益放大器的增益改變方式主要有人工 (或機械) 和程式控制兩大類(後者一般藉助μP) ,具體方法有多種,每種方法各有其優點和局限性。從理論上講,改變集成運算放大器(運放) 的反饋電阻或輸入電阻,即可改變放大器的增益。但簡單地改變反饋電阻或輸入電阻所得到的可變增益放大器,往往並不具備理想的性能,有的根本不能正常使用。

二．方案論證與比較

方案一、利用場效應管的可變電阻區改變反饋電阻

圖2場效應管特性曲線

由圖2 場效應管特性曲線可以看出，UDS小於1V，UGS不變時，ID隨UDS的增加而增加，與電阻特性一致，並且UGS改變時ID—UDS曲線斜率跟著改變。也就是說，場效應管可以用作受UGS控制的壓控電阻。該方案是將場效應管接入運放的T型反饋網路，使運放的等效反饋電阻隨場效應管DS間電阻的變化而變化，電路如圖3所示。

圖3 利用場效應管的數控放大器

數字信號通過D/A轉換為模擬信號，輸出通過分壓接到場效應管門極（G）。場效應管的源極（S）和漏極（D）間的電阻變化引起反饋電阻變化，繼而引起放大器放大倍數的變化。

T型電阻網路的等效電阻是：

由上式看出，該方案的缺點是：當RT增加時放大倍數A會減小，而RT線性變化時，放大倍數A不是線性變化的。控制電壓線性變化時，放大倍數不是線性變化。要得到線性變化的放大倍數，需要較復雜的軟體支持。

方案二、用集成多路模擬開關改變電阻

用不同阻值的固定電阻,通過集成多路模擬開關 (如CD4051 等) ,將其分別接入運放的輸入迴路,以此來達到改變輸入電阻的目的,從而實現對信號的放大或衰減,即改變放大器的增益,其原理如圖5 所示。

圖5 用集成多路模擬開關構成的程式控制增益放大器

用集成多路模擬開關構成程式控制增益放大器,還有一種常用的方式,即用數個運放分別接成同相輸入深度負反饋放大器後串聯成多級同相放大器,再用模擬開關控制各運放單元反相輸入端外接電阻與公共地端的通、斷狀態,進而控制放大器的增益。

上述方式的主要缺點是模擬開關的導通電阻影響放大器的增益,影響信號的傳輸精度。

以CD4051 為例,測試發現,CD4051 的導通電阻RON隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化。當V DD = 5 V、V EE = 0 V 時, RON≈280Ω ,且隨V i 的變化突變;當V DD > 10 V、V EE = 0 時, RON≈100Ω ,且隨V i的變化緩變。可見,適當提高CD4051 的VDD有利於減小RON的影響,但應同時相應提高選通控制端A、B、C的輸入邏輯電平。如V DD = 12 V ( V EE = 0 V) ,可採用電源電壓上拉箝位的辦法,上拉電阻的阻值取1. 5 kΩ以上,使選通控制信號的有效高電平不低於6 V. 這樣既保證CD4051 理想導通( RON小) ,又實現了CMOS電平與TTL 電平之間的轉換(μP 一般為TTL 電平) ,也可以選用性能更優的模擬開關。也可以用微繼電器作為切換開關,再用CD4051 去控制微繼電器動作。因微繼電器的接通電阻很小(一般在mΩ 量級) ,故可從根本上克服上述缺點。還可以直接由μP 去控制微繼電器,但這樣佔用μP 口線較多,還要在μP 與微繼電器之間加驅動電路。

方案三、程式控制衰減

運放的輸入或輸出信號幅度的電路如圖6 所示,由電阻R1～ R9 和模擬開關CD4051 組成無源衰減網路,在網路之前或之後接上固定增益的放大器,利用μP 程式控制衰減放大器的輸入或輸出信號幅度,同樣實現了程式控制放大的目的。圖中使用了由通用運放LM747構成的兩個電壓跟隨器,以隔離網路對前、後級的影響。若輸入信號弱,應先放大後衰減;反之,應先衰減後放大。

圖6 程式控制無源衰減網路

該電路的優點是無論CD4051 的選通控制端如何設置,放大器都不會處於開環狀態,缺點仍是CD4051的導通電阻影響放大器的增益。

方案四、 利用DAC內部電阻網路作為運放的反饋電阻

為了易於實現最大60dB增益的調節，可以採用D/A晶元AD7523的電阻權網路改變反饋電壓進而控制電路增益。又考慮到AD7523是一種廉價型的8位D／A轉換晶元，其輸出Vout=Dn×Vref/28，其中Dn為8位數字量輸入的二進制值，可滿足28=256 擋增益調節，滿足題目步進0. 25db的精度要求。它由CMOS電流開關和梯形電阻網路構成，具有結構簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點，故可以採用AD7523 來實現信號的程式控制衰減。但由於AD7523對輸入參考電壓Vref有一定幅度要求，為使輸入信號在mV～V每一數量級都有較精確的增益，最好使信號在到達 AD7523前經過一個適應性的幅度放大調整，再通過AD7523衰減後進行相應的後級放大，並使前後級增益積為60dB，與AD7523的衰減分母抵消，即可實現程式控制放大。

三、系統設計

1、 系統設計與總體流程如圖1：

八位按鍵

D/A轉換

放

大

器

部

分

圖1 系統方框圖

2．根據題目的要求，經過仔細分析，充分考慮各種因素，制了整體的設計方案： DA轉化，控制放大器的增益，

電流輸出型DAC 內含R - 2 R 電阻網路,可以作為運放的反饋電阻或輸入電阻,在DAC 輸入數據的控制下,實現放大器增益的程式控制改變。

用單片集成單DAC ,如AD7523等,作為運放的可變反饋電阻。具體電路如圖4 所示,圖中的運放為通用運放LM324 , A1 起緩沖作用。該放大器的增益

A v = A v =V o/V i= -1/N (3)

式中N 為DAC 的數字輸入量。

AD7523 ( 8 位) 的A v 的范圍為256/ 255 ～ 256 。因AD7523的基準輸入端(15 腳) 和反饋端(16腳) 可輸入正、負兩種極性的電壓, 故可用交流信號輸入作為交流放大器,此時宜選用頻帶較寬的運放,如LM733 、μA771 、AD507 、OPA606 等,但必須注意失調調零,避免在大增益時出現直流飽和。

圖4 用單DAC 構成的程式控制增益放大器

AD7523構成的可編程增益放大電路

可編程增益放大電路可對模擬信號進行放大、轉換、濾波，並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。如圖所示是採用A／D 轉換器AD7523構成的可編程增益放大器。電路由8位數據來控制增益，使增益在1～256范圍內變化， AD7523片內有模擬開關和R-2R梯形網路，額定阻值為5～20kΩ，中心值為10kΩ。若從RFB端直接輸入信號，側輸入電阻很低，所以在前面接入緩沖放大器Al，起到倒相的作用。若從Al的同相端輸入，則可得到同相信號。對於可變增益放大器，若增益高，則失調電壓大，因此需要對運放進行准確調零，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由於負反饋可變，設定增益越大，閉環頻率響應越壞。需要選用增益可變范圍窄或開環頻率特性好的運放。對於小功率或精密運放，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。

D. 可編程增益放大器的可編程增益放大器的設計及工作

以基於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功能的寬頻放大器。放大器輸入端採用同相放大電路進行阻抗匹配，使輸入電阻達到MΩ數量級。該系統設計分為寬頻放大、峰值采樣、人機交互等3個模塊。
寬頻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。控制電壓的輸出是由單片機運算並控制D/A轉換器而輸出的，因而能夠實現較精確的數控。另外，放大器後級接入兩檔信號處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過一個控制埠，實現信號在這兩檔位之間選擇。這種方法的優點在於條理清晰，控制方便，易於單片機處理。
針對峰值采樣，採用數字檢波，即通過高速A/D轉換器對輸出的正弦信號進行采樣，判斷一定時間內採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。採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，單片機對寬頻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定在4．8 V左右 。
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E. 什麼是可編程增益放大電路，請舉例說明

通過數字邏輯電路由確定的程序來控制放大電路增益的電路稱為可編程增益放大電路，亦稱程式控制增益放大電路，簡稱pga

F. 可編程增益放大器的可編程增益放大器的電路分析

可編程增益放大電路可對模擬信號進行放大、轉換、濾波，並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。對於可變增益放大器，若增益高，則失調電壓大，因此需要對運放進行准確調零，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由於負反饋可變，設定增益越大，閉環頻率響應越壞。需要選用增益可變范圍窄或開環頻率特性好的運放。對於小功率或精密運放，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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