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一種基于I2C總線的新型可編程增益放大電路的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2013-05-18 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  在各類(lèi)遙感遙測(cè)系統(tǒng)中,模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍通常都很大,一般在幾mV至幾十V范圍內(nèi)(動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80_90db),有的甚至是幾pV_幾百V(動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)160db以上)。而且信號(hào)的干擾源多,有時(shí)甚至掩蓋掉有用信號(hào),很難辨識(shí)是有用信號(hào)還是干擾信號(hào)。此外,不同的材料、形狀、尺寸,不同的類(lèi)型,不同的測(cè)量速度,得到的信號(hào)頻譜不同,受干擾信號(hào)的特點(diǎn)也不同。對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行采集處理,為保證精度,檢測(cè)系統(tǒng)首先需要對(duì)大動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮,即對(duì)mV甚至pV級(jí)的信號(hào)進(jìn)行放大,對(duì)幾十V甚至幾百V的信號(hào)進(jìn)行衰減,將信號(hào)的變化幅度調(diào)整到A/電路所需要的范圍。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了一種基于線的新型可編程器的設(shè)計(jì)方法,可根據(jù)輸入的模擬信號(hào)大小,自動(dòng)選擇量程進(jìn)行放大/衰減。

可編程器的硬件電路

  遙感遙測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分通常包括一個(gè)可編程器,來(lái)確保不

  同幅度的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為滿分辨率的信號(hào)。大的信號(hào)需要少量甚至無(wú)需放大,小的信號(hào)則需要高放大倍數(shù)來(lái)減少轉(zhuǎn)換器噪音的影響。對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍很大的模擬輸入信號(hào),就需要根據(jù)信號(hào)的大小提供相應(yīng)的放大倍數(shù),本文提出的可編程增益放大電路就是通過(guò)單片機(jī)改變輸出數(shù)字量來(lái)控制放大電路的增益,從而達(dá)到控制輸出信號(hào)幅度的目的。
其原理框圖如圖1所示。

一種基于I2C總線的新型可編程增益放大電路的設(shè)計(jì)

圖1 可編程增益放大器硬件原理圖

  按照功能,硬件可分為五個(gè)部分:(1)增益可變放大器;(2)微控制器;(3)數(shù)字電位器;(4)多路開(kāi)關(guān)選擇。

電路特點(diǎn)及功能

  該電路以單片機(jī)89C2051為核心組成微處理系統(tǒng),用軟件實(shí)現(xiàn)放大器增益的智能控制。該電路先對(duì)輸入信號(hào)的大小進(jìn)行判斷,以一定算法得到相應(yīng)放大倍數(shù),然后轉(zhuǎn)化為增益碼再通過(guò)線傳遞給數(shù)字電位器,選擇相應(yīng)的反饋電阻輸出,從而改變放大器的放大倍數(shù)。

微控制器及A/D轉(zhuǎn)換電路

  在模擬輸入信號(hào)進(jìn)入微控制器前,首先要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),本文微控制器部分選用單片機(jī)AT89C2051,充分利用AT89C2051在對(duì)單輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)勢(shì)。該芯片利用P1.0、P1.1兩個(gè)I/O口,再配以簡(jiǎn)單的外圍電路,通過(guò)軟件編程即可實(shí)現(xiàn)單輸入的A/D轉(zhuǎn)換,不需要專(zhuān)門(mén)的外部A/D芯片,該方法降低了開(kāi)發(fā)成本、減少了電路體積和器件。

數(shù)字電位器

  AT89C2051對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,得到相應(yīng)的放大倍數(shù),轉(zhuǎn)化為增益碼輸出到數(shù)字電位器,由增益碼控制數(shù)字電位器的阻值輸出,從而改變?cè)鲆婵勺兎糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)。

  本文數(shù)字電位器采用Xicor公司的X9241芯片,該芯片是把四個(gè)非易失性數(shù)控電位器集成在一個(gè)單片的CMOS微電路。單個(gè)數(shù)控電位器包含63個(gè)電阻單元,可實(shí)現(xiàn)64級(jí)增益控制,四個(gè)電位器串聯(lián)則可以提供256級(jí)的增益控制。若256級(jí)增益設(shè)置仍然不能滿足大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的要求,那么可以采用多片X9241串聯(lián)的方法解決。

  在每個(gè)電阻單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有可以被滑動(dòng)單元訪問(wèn)的抽頭點(diǎn),滑動(dòng)單元在陣列中的位置由用戶通過(guò)I2C串行總線傳遞增益碼來(lái)控制,X9241自帶I2C二線接口,接法簡(jiǎn)單,使用方便,可靈活控制滑臂位置,改變阻值大小。

增益可變放大器及多路選擇開(kāi)關(guān)

  X9241芯片的四數(shù)控電位器集成特性提供了足夠大的阻值范圍,可滿足大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)放大的增益要求。

  因此根據(jù)模擬輸入信號(hào)的大小,通過(guò)單片機(jī)獲得相應(yīng)的增益控制碼,同時(shí)控制多路選擇開(kāi)關(guān),選擇X9241相應(yīng)的檔位輸出,即可獲得不同的阻值大小,控制增益可變放大器的放大倍數(shù)。
  本文選用的增益可變放大器為ADI公司的AD623,具有低噪聲、高共模抑制比和低漂移等優(yōu)點(diǎn)。AD623可產(chǎn)生的增益范圍,性能極限主要決定于外部電阻。其中由X9241提供,具體設(shè)計(jì)時(shí)采用X9241W芯片,其內(nèi)部四個(gè)數(shù)控電位器的阻值均為,因此其增益范圍為,增益誤差小于0.05%,且呈現(xiàn)極好的交流特性,具有25MHz的增益帶寬積、的轉(zhuǎn)換速率和的響應(yīng)時(shí)間。

可編程增益放大器的軟件設(shè)計(jì)

  設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中,數(shù)字電位器滑臂位置的控制起著非常重要的作用,對(duì)它的控制是通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)的??偩€是目前常用的一種雙向串行總線,其二線制的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,可靠性和抗干擾性較好,同時(shí)具有接法簡(jiǎn)單、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

  單片機(jī)AT89C2051沒(méi)有專(zhuān)用的總線接口,要用普通I/O口來(lái)模擬實(shí)現(xiàn),所以對(duì)該可編程增益放大器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),其軟件模擬總線的實(shí)現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)中就顯得相當(dāng)重要。
  在單片機(jī)中使用I/O口模擬總線時(shí),只需將單片機(jī)的兩個(gè)I/O口,在軟件中分別定義成SCL(串行時(shí)鐘信號(hào))與SDA(串行數(shù)據(jù)信號(hào)),與X9241的兩個(gè)接口連接,再加上上拉電阻即可。其連接圖為:

一種基于I2C總線的新型可編程增益放大電路的設(shè)計(jì)

圖2 單片機(jī)與X9241之間的I2C連接

  普通口模擬線的硬件連接非常簡(jiǎn)單,主要是軟件模擬I2C總線的數(shù)據(jù)傳送。一次完整的數(shù)據(jù)傳送包括開(kāi)始、數(shù)據(jù)發(fā)送、應(yīng)答以及停止等典型信號(hào)。此外,在軟件模擬過(guò)程中,還需注意的一點(diǎn),即對(duì)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送,規(guī)定了嚴(yán)格的時(shí)序要求,以保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性。I2C總線上時(shí)鐘信號(hào)的最小低電平周期為,最小高電平周期為,總線時(shí)鐘頻率為,根據(jù)這些要求,具體實(shí)現(xiàn)時(shí),我們采用時(shí)鐘信號(hào)的最小、最高周期均定為。

  圖3為軟件模擬I2C總線控制數(shù)字電位器的流程圖。對(duì)X9241的控制主要由三個(gè)字節(jié)實(shí)現(xiàn),第一字節(jié)為器件地址,即X9241的地址;第二字節(jié)為命令內(nèi)容和電位器的選擇,即選擇讀/寫(xiě)四個(gè)電位器中的哪一個(gè);第三字節(jié)為滑臂位置控制,即選擇具體的阻值大小。

一種基于I2C總線的新型可編程增益放大電路的設(shè)計(jì)

圖3 軟件模擬I2C總線控制數(shù)字電位器的流程圖


結(jié)語(yǔ)

  按照上述方法設(shè)計(jì)的可編程增益放大電路,克服了傳統(tǒng)可編程放大器增益范圍小的缺點(diǎn),X9241四數(shù)字電位器的串聯(lián)使用,擴(kuò)大了增益范圍、提高了增益精度。此外,便于與單片機(jī)接口,可以在線修改,調(diào)整設(shè)計(jì)。I2C總線的運(yùn)用降低了噪聲干擾,在干擾環(huán)境下也能夠高精度放大信號(hào),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

  上述設(shè)計(jì)經(jīng)系統(tǒng)整體調(diào)試,放大器的非線性誤差,增益為100和500時(shí)的輸出噪聲分別為20mV和50mV,共模抑制比,基本滿足預(yù)定的性能要求。該電路已在一些微弱激光檢測(cè)系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。


關(guān)鍵詞: I2C總 增益放大

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