電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技術(shù)是基于電學(xué)敏感原理對物場中的電阻率信息進(jìn)行檢測的一種過程層析成像(Process Tomography)技術(shù)。該技術(shù)具有無輻射、可視化、非侵入等優(yōu)點，使得ERT技術(shù)在工業(yè)過程檢測和醫(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，由于各測量電極上輸出的電壓信號不同，則各采樣通道送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓信號也各不相同，因此不能采用固定增益的放大電路對信號進(jìn)行放大。同時，由于所要測量的微弱信號的動態(tài)范圍較寬，所以要求各通道中的放大電路能根據(jù)輸入信號的大小，而做出相應(yīng)的增益調(diào)整，從而提高整個系統(tǒng)的分辨率。文中就上面的問題，對多通道的程控放大電路設(shè)計展開研究。

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)。

    程控放大的過程為：檢測測量電極上輸出的電壓信號，判斷是否滿足A／D轉(zhuǎn)換的輸人要求，若不滿足則微控器利用增益控制模塊對放大電路進(jìn)行增益控制，使其達(dá)到要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    在多通道程控放大電路的硬件設(shè)計中，主要是設(shè)計信號放大模塊，增益控制模塊以及微控器模塊。其中信號放大模塊的主要功能是放大各通道輸出的微弱信號；而增益控制模塊主要是檢測放大后的信號是否滿足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，若不滿足則控制信號放大模塊，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增益模塊的控制。
2．1 信號放大模塊
    在信號放大模塊的設(shè)計中，所涉及的芯片包括INA128，AD603和AD817。設(shè)計原理圖如圖2所示。

    由于ERT系統(tǒng)測量的信號是mV級甚至更小，而在多通道程控放大的電路中信號是同時采集放大的，容易出現(xiàn)共模干擾，為保證信號的有效性，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。
    設(shè)計中差動放大器部分采用集成運算放大器AD603和運算放大器AD817構(gòu)成兩級放大，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ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90 MHz帶寬增益可調(diào)的集成運放，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時的帶寬為90 MHz，增益在9～41dB時具有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％建立時間等特點。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，通過控制兩管腳間的壓差變化來改變增益的大小。對于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，通過改變管腳1的電壓值來改變壓差VC，進(jìn)而改變增益G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，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個可獨立尋址的電壓輸出型D／A轉(zhuǎn)換器芯片，每一個DAC都具有各自的DAC寄存器和輸入寄存器，但所有的DAC共用一個基準(zhǔn)輸入電壓。芯片的數(shù)字接口包括一個8位并行數(shù)據(jù)輸入端、4根地址信號線以及控制信號線等。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
    微控器是整個控制電路的核心，采用LPC2366芯片作為整個設(shè)計電路的控制器件，在ERT的多通道程控放大電路設(shè)計中，應(yīng)用它來控制AD8600進(jìn)行電壓輸出。該芯片是基于ARM7TDMI—S處理器，可在72MHz的工作頻率下運行，其中ARM7TDMI—S是一個通用的32位微處理器，具有高性能和低功耗的特點。同時它還包含了10／100 Ethernet MAC、USB2．0全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口(SSP)、3個I2C接口、1個I2S接口、70個通用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)置時間。選用ST公司M24128BW芯片，它支持I2c總線模式，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寫周期。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    多通道程控放大程序主要是在系統(tǒng)開機(jī)和接收到相應(yīng)命令后，進(jìn)行增益自動設(shè)置。通過控制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，通過讀取設(shè)置電壓值可知信號處理模塊的確切增益，也可減少增益設(shè)置的時間。程序設(shè)計流程如圖5所示。

4 實驗結(jié)果
    為驗證ERT中多通道程控放大電路的設(shè)計方案，在Muhisim中對這部分電路進(jìn)行了仿真，如圖6和圖7所示。其中深黑色線代表輸入的電壓信號大小，而淺黑色線代表輸出的電壓信號大小。由圖可以看出，輸出信號與輸入信號是反向的，那是因為芯片AD817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
    采用多通道程控放大電路設(shè)計方案，可以解決當(dāng)通道數(shù)多、信號變化范圍大時使用固定增益放大電路的缺點，同時利用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。