微弱信號常常伴隨大量的噪聲且驅動能力較弱,，給精確測量帶來很大難度,。基于結型場效應管的程控放大器以壓控放大電路為核心,，通過單片機C8051F020控制12位D/A輸出,，改變工作在可變電阻區(qū)的結型場效應管的柵極電壓以改變反饋電阻， 從而實現(xiàn)放大倍數(shù)精確調節(jié),，使整個系統(tǒng)操作起來更加簡單,、方便。系統(tǒng)實現(xiàn)對信號1到1000倍放大并可程控,，通過液晶顯示輸入,、輸出值和放大倍數(shù)。測試結果顯示系統(tǒng)能夠對最小1mv的輸入信號進行預定放大且具有較高的精度,；以JFET為核心的壓控電阻工作速度快,、可靠性好、控制靈敏度高,，無機械觸點使其噪聲較低,；系統(tǒng)12位A/D,、D/A均集成在單片機內部，縮減了復雜的外圍電路,，可靠性高,；系統(tǒng)還具有輸入電阻大、共模抑制比高等特點,。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),、自動增益控制、動態(tài)范圍擴展,、遠程儀表測試等微弱信號測量方面使用尤為適宜,。
對微弱信號的程控放大，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設置增益的放大器如AD8321 芯片,，但該類放大器價格較高且選擇檔位較少,。采用數(shù)字電位器或者模擬開關和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點,，但是模擬開關具有較大的噪聲且存在偏置電阻,，精度不高使用D/A 內部電阻實現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法， 利用DAC 內部精密電阻網(wǎng)絡作為運放的反饋電阻提高了放大精度,，但這種方案難以實現(xiàn)連續(xù)調節(jié),。基于結型場效應管的程控放大器采用時鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機實現(xiàn)閉環(huán)控制,， 能實時調節(jié)輸出,，實現(xiàn)對輸入信號的精確放大。通過D/A改變場效應管的柵源極之間的電壓以調節(jié)壓控電阻,，可變電阻范圍大,，噪聲低，采用較復雜的軟件系統(tǒng)彌補了線性度不高的問題,，較高的精度滿足實際應用需要,。
1 程控放大器原理
壓控放大模塊要求實現(xiàn)1~100 倍放大，然后與前置放大模塊組合實現(xiàn)100~1000 倍的信號放大,。
采用D/A 控制以場效應管為核心的可變電阻可實現(xiàn)該設計要求,。場效應管的源漏極電壓UDS 小于1V，UGS 不變時,，ID 隨UDS 的增加而增加,， 與電阻的特性一致，并且UGS 改變時ID－UDS 曲線的斜率跟著改變,。這就是說,， 場效應管可以用作一個受UGS 控制的壓控電阻。
本設計將場效應管接入運放的T 型反饋網(wǎng)絡，使運放的等效反饋電阻隨場效應管的DS 間電阻的變化而變化,，如圖1 所示,。
圖1 壓控放大電路
反饋電阻為：
為了確保場效應管DS 之間的電壓小于1V，取R1＝R2：
壓控放大電路放大倍數(shù)為：
經(jīng)過多次試驗,，選取R1＝200,，R2＝200，R3＝1,，R4＝390,。改變場效應管柵極電壓，測量輸入,、輸出，并計較得到放大倍數(shù)AV 的范圍為1 ~112 之間,， 對20Hz~20kHz 的正弦信號進行多次測量和分析,，柵級電壓與增益的具體對應關系如表1 所示。
表1 場效應管GS 電壓值與增益關系
以輸入和放大倍數(shù)為坐標反映到曲線圖上如圖2 所示,。
圖2 輸入電壓與放大倍數(shù)關系散點圖
由圖可知輸入電壓與放大倍數(shù)近似成線性關系,，經(jīng)線性擬合后得到函數(shù)關系：
UGS取值范圍－2．38V～0V， 如果采用12 位D/A控制UGS,， 參考電壓取2．4V 則可實現(xiàn)0．001V 步進,，數(shù)字信號通過D/A 轉化為模擬信號，其輸出經(jīng)反向后接到結型場效應管G 極,，由于R1,、R2對稱使場效應管工作在可變電阻區(qū)，源極和漏極間的等效電阻由G 極的電壓即D/A 輸出電壓控制,，場效應管源極和漏極的電阻變化會引起反饋電阻的變化,。UDS 增益、AV 及數(shù)字量D/A 間對應關系如表2 所示,。
單片機D/A 輸出電壓0～2．4V,，故需外接運放將輸出反向，輸出電壓范圍為－2．4V～0V,，可滿足要求,。
表2 UDS增益、AV及D/A 數(shù)字量之間的對應關系
摘要：微弱信號常常伴隨大量的噪聲且驅動能力較弱,，給精確測量帶來很大難度,。基于結型場效應管的程控放大器以壓控放大電路為核心,，通過單片機C8051F020控制12位D/A輸出,，改變工作在可變電阻區(qū)的結型場效應管的柵極電壓以改變反饋電阻， 從而實現(xiàn)放大倍數(shù)精確調節(jié),，使整個系統(tǒng)操作起來更加簡單,、方便,。系統(tǒng)實現(xiàn)對信號1到1000倍放大并可程控，通過液晶顯示輸入,、輸出值和放大倍數(shù),。測試結果顯示系統(tǒng)能夠對最小1mv的輸入信號進行預定放大且具有較高的精度；以JFET為核心的壓控電阻工作速度快,、可靠性好,、控制靈敏度高，無機械觸點使其噪聲較低,；系統(tǒng)12位A/D,、D/A均集成在單片機內部，縮減了復雜的外圍電路,，可靠性高,；系統(tǒng)還具有輸入電阻大、共模抑制比高等特點,。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),、自動增益控制、動態(tài)范圍擴展,、遠程儀表測試等微弱信號測量方面使用尤為適宜,。
對微弱信號的程控放大，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設置增益的放大器如AD8321 芯片,，但該類放大器價格較高且選擇檔位較少,。采用數(shù)字電位器或者模擬開關和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點,，但是模擬開關具有較大的噪聲且存在偏置電阻,，精度不高使用D/A 內部電阻實現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法， 利用DAC 內部精密電阻網(wǎng)絡作為運放的反饋電阻提高了放大精度,，但這種方案難以實現(xiàn)連續(xù)調節(jié),。基于結型場效應管的程控放大器采用時鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機實現(xiàn)閉環(huán)控制,， 能實時調節(jié)輸出,，實現(xiàn)對輸入信號的精確放大。通過D/A改變場效應管的柵源極之間的電壓以調節(jié)壓控電阻,，可變電阻范圍大,，噪聲低，采用較復雜的軟件系統(tǒng)彌補了線性度不高的問題,，較高的精度滿足實際應用需要,。
1 程控放大器原理
壓控放大模塊要求實現(xiàn)1~100 倍放大，然后與前置放大模塊組合實現(xiàn)100~1000 倍的信號放大。
采用D/A 控制以場效應管為核心的可變電阻可實現(xiàn)該設計要求,。場效應管的源漏極電壓UDS 小于1V,，UGS 不變時，ID 隨UDS 的增加而增加,， 與電阻的特性一致,，并且UGS 改變時ID－UDS 曲線的斜率跟著改變。這就是說,， 場效應管可以用作一個受UGS 控制的壓控電阻,。
本設計將場效應管接入運放的T 型反饋網(wǎng)絡，使運放的等效反饋電阻隨場效應管的DS 間電阻的變化而變化,，如圖1 所示,。
圖1 壓控放大電路
反饋電阻為：
為了確保場效應管DS 之間的電壓小于1V，取R1＝R2：
壓控放大電路放大倍數(shù)為：
經(jīng)過多次試驗,，選取R1＝200,，R2＝200，R3＝1,，R4＝390。改變場效應管柵極電壓,，測量輸入,、輸出，并計較得到放大倍數(shù)AV 的范圍為1 ~112 之間,， 對20Hz~20kHz 的正弦信號進行多次測量和分析,，柵級電壓與增益的具體對應關系如表1 所示。
表1 場效應管GS 電壓值與增益關系
以輸入和放大倍數(shù)為坐標反映到曲線圖上如圖2 所示,。
圖2 輸入電壓與放大倍數(shù)關系散點圖
由圖可知輸入電壓與放大倍數(shù)近似成線性關系,，經(jīng)線性擬合后得到函數(shù)關系：
UGS取值范圍－2．38V～0V， 如果采用12 位D/A控制UGS,， 參考電壓取2．4V 則可實現(xiàn)0．001V 步進,，數(shù)字信號通過D/A 轉化為模擬信號，其輸出經(jīng)反向后接到結型場效應管G 極,，由于R1,、R2對稱使場效應管工作在可變電阻區(qū)，源極和漏極間的等效電阻由G 極的電壓即D/A 輸出電壓控制,，場效應管源極和漏極的電阻變化會引起反饋電阻的變化,。UDS 增益、AV 及數(shù)字量D/A 間對應關系如表2 所示,。
單片機D/A 輸出電壓0～2．4V,，故需外接運放將輸出反向，輸出電壓范圍為－2．4V～0V，可滿足要求,。
表2 UDS增益,、AV及D/A 數(shù)字量之間的對應關系
2 電路設計
2．1 總體方案的設計及組成
系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、前置放大電路模塊,、D/A 轉換模塊,、壓控放大模塊、有效值轉換,、A/D采樣模塊和顯示電路等組成,。
2．2 總體結構
控制器選用C8051F020 單片機， 內部集成12位A/D,、D/A 和鎖相環(huán),，最高工作頻率100MHz，選用低噪聲,、頻帶寬和放大能力好的放大器AD* 做為前置放大器,，AD* 能夠放大最小信號為25μV。有效值轉換選用精度高的AD637,，AD637 能夠采集0V～2V 之間的信號,，系統(tǒng)方框圖如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)框圖
2．3 模塊方案論證
2．3．1 前置放大模塊
前置放大部分對輸入信號進行10 倍放大,，當輸入信號十分微弱時,，通常會淹沒在噪聲中，這就要求前置放大電路具有高共模抑制比,、高輸入阻抗,、低噪聲等特性。系統(tǒng)采用精密儀表放大器AD*,，它具有很高輸入阻抗,， 能有效抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡阻抗不對稱引入的誤差，單位增益帶寬25MHz,，適用于寬頻帶測量系統(tǒng),，共摸抑制比高達130dB，等效輸入噪聲小于4nV/Hz,， 輸入失調電壓溫度漂移只有0．25μV/℃,，能有效抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系統(tǒng)的精度,； 具有較高的增益及較寬的增益調節(jié)范圍,，可適用信號源電平較寬的范圍。
AD* 是高精度低噪聲儀用放大電路,，它可用在不同傳感器輸出信號的放大系統(tǒng)中,。AD* 除給定100,、200、500 的固定增益外,，還可將3 腳與其它相連得到不同固定增益,。該集成放大器通過內部高精度電阻器設置了1，100,，200,，500，1000 等管腳增益,，并可通過連接適當?shù)脑鲆娴玫蕉喾N組合增益值,。
還可通過外部電阻器任意設定增益值，如圖4 所示,。
圖4 增益值的設定
圖中,，在腳3 與16 之間連接電阻RG，其阻值為：
其中：AV為放大器增益,。為達到最好效果,，RG應選用低溫度系數(shù)的精密電阻器。
取RG＝4．44k,，即可得到10 倍的前置放大,。
2．3．2 壓控放大模塊
單片機內部12 位D/A 輸出0～2．4V 直流信號，而結型場效應管需要－2．4～0V 信號,， 因此需要對D/A 輸出信號取反,。T 型反饋網(wǎng)絡的電阻分別取R1＝200，R2＝200,，R3＝1,，具體實現(xiàn)電路如圖5 所示,。
圖5 壓控放大電路設計
2．3．3 有效值轉換
有效值轉換電路采用AD637 專用芯片計算電流和電壓的有效值,，能簡化軟件設計，而且轉換精度達到0．1％,。
一個交變信號的有效值定義為：
其中：VRMS為信號的有效值,；T 為測量時間；V（t）是信號的波形,，V（t）是一個時間的函數(shù),，但不一定是周期性的。
對等式的兩邊進行平方得：
右邊的積分項可以用一個平均來近似：
式（8）可以簡化為：
等式兩邊除以VRMS得：
系統(tǒng)采用AD637 有效值檢測器將輸入的交流電壓信號轉換為直流電壓,，然后通過A/D 轉換器送給單片機處理,。AD637 有效值轉換如圖6 所示。
圖6 有效值轉換電路
3 系統(tǒng)軟件設計
軟件部分完成各個部分的控制和協(xié)調,。本系統(tǒng)軟件由主程序和子程序組成,， 主要完成系統(tǒng)初始化,、液晶顯示初始化、繼電器控制,、數(shù)模轉換,、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。主要由主程序和顯示子程序等組成,。如圖7 所示,。
系統(tǒng)軟件設計中，采用模塊設計法,，功能模塊各自獨立,，使得程序結構清晰。首先對系統(tǒng)各模塊初始化,，12 位A/D,、D/A 均采用C8051F020 內部參考電壓2．4V，繼電器切換到輸入端測量經(jīng)AD* 放大后的輸入信號,，若測量值大于200mV,，說明輸入信號超過20mV，設置1 倍前置放大,，然后根據(jù)輸入信號的大小判斷量程,，調節(jié)D/A 輸出控制JFET，繼電器切換到輸出端采集輸出信號,，根據(jù)輸入輸出進行系統(tǒng)自調節(jié),。考慮到溫度對結型場效應管影響,，為了不增加復雜硬件電路,，對系統(tǒng)采用軟件補償。
圖7 程控放大器主程序流程圖,。
4 系統(tǒng)測試
4．1 系統(tǒng)測試及結果分析
放大倍數(shù)測試,，是通過示波器把輸入信號的峰峰值和輸出信號的峰峰值測出來，然后相比較：
其中：AV為放大倍數(shù),；VO為輸出信號峰峰值,；Vi為輸入信號峰峰值。
電路本身的非線性,、結型場效應管受溫度影響,、電阻的熱穩(wěn)定性差等因素造成了系統(tǒng)的非線性誤差，如表3 所示,，系統(tǒng)的最大非線性誤差為0．2％,，精度較高。
表3 改變輸入信號峰峰值測試結果
設置放大倍數(shù)為50,， 調節(jié)輸入的峰峰值為20mV,，改變輸入頻率,，測量輸出信號，如表4 所示,。
表4 改變輸入信號頻率測試結果
測試結果顯示,，系統(tǒng)在頻帶0～20kHz 內的增益誤差小于3％，共模抑制比超過2×106,。
4．2 誤差分析
測量時,， 選用高精度示波器所測的數(shù)值為標準。誤差產(chǎn)生的原因除了溫度影響外主要有輸入信號比較小,，本身就含有一定的干擾信號,，這是誤差產(chǎn)生的一個原因，其次因為結型場效應管受溫度影響會產(chǎn)生一定的誤差,，示波器測量時測量值會跳動,，給讀取測量結果帶來一定的誤差。
為減小溫度影響帶來的誤差,， 對整個系統(tǒng)進行軟件補償,， 在1～100 之間取點， 相鄰兩點之間認為D/A 輸出與運放的放大倍數(shù)滿足線性關系,， 實驗中取了24 個點,，實驗結果與實測結果較近，在整個范圍內極大地減小了誤差,，而且取點越多誤差就越小,。
5 結語
系統(tǒng)應用C8051F020 單片機，采用基于結型場效應管壓控放大電路實現(xiàn)對小信號的放大和采集,，有效抑制噪聲,，采用場效應管實現(xiàn)的可變電阻變化范圍大，克服了數(shù)字電位器,、模擬開關等有觸點放大電路的噪聲問題,，配合復雜軟件，實現(xiàn)了對放大倍數(shù)的精確控制,，是一款低噪聲高精度的小信號可程控放大器,，可適應頻率在一定范圍變化的模擬信號,，因此能夠在自動控制系統(tǒng),、智能儀器儀表中得到應用。