采用D/A转换器实现可编程放大器的设计

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； I_out1和I_out2为转换器模拟量的互补输出端，由数据控制相应的开关控制，产生对应的电流信号： R_fb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V_Ref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I_out1和I_out2互补输出。根据电路基本原理，若将I_out1和I_out2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+运算放大器)的模拟量输出V_out ，实际是对参考电压V_Ref的一种分压变换，若将V_Ref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V_out端，随着给定数字量的不同，可在输出信号V_out端，得到与V_Ref对应关系的输出信号V_out。因此可利用D/A转换器，实现对V_Ref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V_Ref作为输出端，在V_out输出端，只能获得小于等于一的增益。通过图1可以看出，V_Ref、I_out1、I_out2和R_fb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V_in ，将I_out1端接运算放大器的信号输入负端，同时将V_Ref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R_in、R_f 的任何一个的阻值，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R_f 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15 MΩ)的电阻，防止出现开路状态，造成对电路的影响。DAC0832是一片带双缓冲输入的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5 V供电系统，可方便地与微机对接；模拟信道允许正、负15 V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高阻输入特性的CA3140运放作为核心放大器，同时采用外部调零电路，对其进行物理调零。以保证放大器的精度。

实验分析

　　DAC0832内部电阻网络是由若干15kΩ 的电阻组成的R-2R网络，同时，在Iout1和Rfb端内部集成了15kΩ的电阻，为此，我们直接将R_fb作为放大器的信号输入端。并且由于电阻的集成制造，保证了其参数的一致性，放大器的稳定性能取决于外接运算放大器的性能，电路中采用CA3140可获得非常稳定的增益。

　　实验首先将信号输入Rfb端接零电平，然后在1、128、256三点不同增益下，分别进行物理调零。采用fluke F45数字万用表作为测量工具，使得三点的零电位误差在0. 1%之内，然后将信号输入端分别接10 mV直流信号和50 Hz、10 mV的正弦信号，并改变其编程放大参数，测量其对应的结果，可得表1的测试参数。

表1　V _in = 10 mV直流信号，和V _in = 10 mV　50 Hz的正弦信号测试参数

　　上述的实验结果表明了该可编程放大器具有非常稳定的倒数增益特性，且控制方式简单。

结　论

　　由DAC0832数/模转换器组成的可编程放大器，由于它所具有的微机接口功能，使得其实现电路简单可靠，增益调整简单，应用灵活方便，扩充了数模转换器的应用范围，其缺点是增益倒数数值关系，使得增益与编程数字间不能保持线性变换。本设计的研究，探讨了一种数字技术应用于模拟技术的方法，应用数/模转换器的特性，可方便的实现，如数字给定式信号发生器、电位鉴别器等应用。是一种非常有意义的实验设计和应用探讨。