電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography,，ERT)技術(shù)是基于電學(xué)敏感原理對(duì)物場(chǎng)中的電阻率信息進(jìn)行檢測(cè)的一種過(guò)程層析成像(Process Tomography)技術(shù),。該技術(shù)具有無(wú)輻射,、可視化、非侵入等優(yōu)點(diǎn),，使得ERT技術(shù)在工業(yè)過(guò)程檢測(cè)和醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。
在基于并行數(shù)據(jù)采集的ERT系統(tǒng)中，由于各測(cè)量電極上輸出的電壓信號(hào)不同,，則各采樣通道送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓信號(hào)也各不相同,，因此不能采用固定增益的放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。同時(shí),，由于所要測(cè)量的微弱信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬,，所以要求各通道中的放大電路能根據(jù)輸入信號(hào)的大小，而做出相應(yīng)的增益調(diào)整,，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率,。文中就上面的問(wèn)題，對(duì)多通道的程控放大電路設(shè)計(jì)展開(kāi)研究,。
1 多通道程控放大電路的系統(tǒng)組成
由多通道程控放大電路組成的采樣電路的基本組成如圖1所示,。整個(gè)電路由放大模塊、增益控制模塊,、A／D轉(zhuǎn)換模塊,、微控器以及EEPR-OM模塊組成。放大電路將微弱的輸入信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的合適量程范圍內(nèi),。
程控放大的過(guò)程為：檢測(cè)測(cè)量電極上輸出的電壓信號(hào),，判斷是否滿(mǎn)足A／D轉(zhuǎn)換的輸人要求，若不滿(mǎn)足則微控器利用增益控制模塊對(duì)放大電路進(jìn)行增益控制,，使其達(dá)到要求,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在多通道程控放大電路的硬件設(shè)計(jì)中，主要是設(shè)計(jì)信號(hào)放大模塊,，增益控制模塊以及微控器模塊,。其中信號(hào)放大模塊的主要功能是放大各通道輸出的微弱信號(hào)；而增益控制模塊主要是檢測(cè)放大后的信號(hào)是否滿(mǎn)足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求,，若不滿(mǎn)足則控制信號(hào)放大模塊,，進(jìn)行程控放大；反之,，則不做任何輸出變化,，微控器模塊主要完成對(duì)增益模塊的控制。
2．1 信號(hào)放大模塊
在信號(hào)放大模塊的設(shè)計(jì)中,，所涉及的芯片包括INA128,，AD603和AD817。設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。
由于ERT系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)是mV級(jí)甚至更小,，而在多通道程控放大的電路中信號(hào)是同時(shí)采集放大的,，容易出現(xiàn)共模干擾，為保證信號(hào)的有效性,，去掉干擾,，圖中選用儀表放大器INA128以減少干擾。其中INA128具有低輸入失調(diào)電壓50μV,；低失調(diào)電壓漂移0．5μV／℃,；高輸入阻抗；低輸入偏置電流5 nA,；高共模抑制比120 dB(G=100)等優(yōu)點(diǎn),。
設(shè)計(jì)中差動(dòng)放大器部分采用集成運(yùn)算放大器AD603和運(yùn)算放大器AD817構(gòu)成兩級(jí)放大，其中AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片,，所以增益控制模塊主要是對(duì)AD603進(jìn)行程序調(diào)控,；而將AD817的電路部分連接成固定的增益放大倍數(shù)。
AD603是美國(guó)ADI公司的專(zhuān)利產(chǎn)品,，是一個(gè)低噪,、90 MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，壓擺率為275 V／μs,。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍,，增益在-11～+30 dB時(shí)的帶寬為90 MHz，增益在9～41dB時(shí)具有9MHz帶寬,，改變管腳間的連接電阻,，可使增益處在上述范圍內(nèi)。而增益的大小則由AD603的管腳1和管腳2間提供的電壓差來(lái)決定,，增益公式為
其中,，VG=VGPOS-VGNEG，且VC在-500～+500 mV間變化,。
AD817是一款低成本,、低功耗、高速運(yùn)算放大器,，采用單電源或雙電源供電,，具有50 MHz的單位增益帶寬、350μs的壓擺率以及45 ns的0．1％建立時(shí)間等特點(diǎn),。圖2中將AD817的電路連接成固定增益放大倍數(shù)的電路,，使得它與前級(jí)的AD603順連,，擴(kuò)大放大倍數(shù),。
2．2 增益控制模塊
增益控制模塊主要是為AD603管腳1和管腳2提供電壓，通過(guò)控制兩管腳間的壓差變化來(lái)改變?cè)鲆娴拇笮 ?duì)于ERT并行數(shù)據(jù)采集中的程控放大電路,，為在一定程度上減少系統(tǒng)的復(fù)雜度,，固定管腳2的電壓，通過(guò)改變管腳1的電壓值來(lái)改變壓差VC,，進(jìn)而改變?cè)鲆鍳的大小,。增益控制模塊的原理圖如圖3和圖4所示。
圖3中選擇D／A轉(zhuǎn)換器芯片AD8600輸出電壓,，當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí),，多通道程控放大電路中芯片AD603管腳1上的電壓值也發(fā)生改變。其中AD8600是含有16個(gè)可獨(dú)立尋址的電壓輸出型D／A轉(zhuǎn)換器芯片,，每一個(gè)DAC都具有各自的DAC寄存器和輸入寄存器,，但所有的DAC共用一個(gè)基準(zhǔn)輸入電壓。芯片的數(shù)字接口包括一個(gè)8位并行數(shù)據(jù)輸入端,、4根地址信號(hào)線(xiàn)以及
控制信號(hào)線(xiàn)等,。AD8600是8位的DAC芯片，它的輸出電壓擺幅在DACGND至外部基準(zhǔn)電壓KREF之間,。
為使AD603管腳1和管腳2間的壓差VG在-500～+500 mV間變化,，而AD8600的輸出電壓由它的電壓基準(zhǔn)決定，固定管腳2上的電壓為0．5 V,，使管腳1上的輸入電壓在0～1 V之間輸出,，基準(zhǔn)電壓芯片選擇ADI公司的ADR510。ADB510是一款低電壓,、精密,、分流模式的基準(zhǔn)電壓源，溫度系數(shù)為70×10-6／℃,，它具有高精度和超低噪聲性能,。
2．3 微控器模塊
微控器是整個(gè)控制電路的核心，采用LPC2366芯片作為整個(gè)設(shè)計(jì)電路的控制器件,，在ERT的多通道程控放大電路設(shè)計(jì)中,，應(yīng)用它來(lái)控制AD8600進(jìn)行電壓輸出。該芯片是基于ARM7TDMI—S處理器,，可在72MHz的工作頻率下運(yùn)行,，其中ARM7TDMI—S是一個(gè)通用的32位微處理器，具有高性能和低功耗的特點(diǎn),。同時(shí)它還包含了10／100 Ethernet MAC,、USB2．0全速接口、4個(gè)UART,、2路CAN通道,、1個(gè)SPI接口,、2個(gè)同步串行端口(SSP)、3個(gè)I2C接口,、1個(gè)I2S接口,、70個(gè)通用I／O管腳。
2．4 EEPROM模塊
EEPROM模塊主要保存多通道程控放大電路中所設(shè)置的增益值,，通過(guò)讀取EEPROM中保存的增益值大小,，從而得到程控放大電路的放大倍數(shù)，也可減少增益的設(shè)置時(shí)間,。選用ST公司M24128BW芯片,，它支持I2c總線(xiàn)模式，標(biāo)準(zhǔn)模式頻率為100 kHz,，快速模式下頻率為400 kHz,，可達(dá)1 000 000寫(xiě)周期。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
多通道程控放大程序主要是在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)和接收到相應(yīng)命令后,，進(jìn)行增益自動(dòng)設(shè)置,。通過(guò)控制AD8600芯片的輸出電壓，從而改變AD603管腳1和管腳2間的壓差VG達(dá)到調(diào)整增益的效果,。每次設(shè)置的電壓值保存在EEPROM芯片中,，通過(guò)讀取設(shè)置電壓值可知信號(hào)處理模塊的確切增益，也可減少增益設(shè)置的時(shí)間,。程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證ERT中多通道程控放大電路的設(shè)計(jì)方案，在Muhisim中對(duì)這部分電路進(jìn)行了仿真,，如圖6和圖7所示,。其中深黑色線(xiàn)代表輸入的電壓信號(hào)大小，而淺黑色線(xiàn)代表輸出的電壓信號(hào)大小,。由圖可以看出,，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)是反向的，那是因?yàn)樾酒珹D817所組成的電路是反向的10倍固定增益放大,。圖6中AD603管腳1與管腳2間的壓差為500 mV,，由增益公式G=40 VG+30，G在+10～+50 dB范圍內(nèi),，可知通道程控放大電路總的放大倍數(shù)約為3 000倍,，可以滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器A／D的輸入要求。
圖7中,，AD603管腳1與管腳2間的壓差為-400 mV,，根據(jù)增益公式，可知多通道程控放大電路總的放大倍數(shù)約為50倍,。
5 結(jié)束語(yǔ)
采用多通道程控放大電路設(shè)計(jì)方案,，可以解決當(dāng)通道數(shù)多,、信號(hào)變化范圍大時(shí)使用固定增益放大電路的缺點(diǎn)，同時(shí)利用D／A轉(zhuǎn)換器芯片AD8600,，根據(jù)輸出電壓的步進(jìn)值大小精確地知道放大倍數(shù)變化的大小,。