采用D/A转换器实现可编程放大器的设计 电子技术, 数据采集, 转换器, 工作原理, 放大器

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　　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； Iout1和Iout2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： 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+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、Iout1、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。