《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于JFET 的高精度可程控放大電路設(shè)計
摘要: 本文基于結(jié)型場效應(yīng)管的程控放大器以壓控放大電路為核心,通過單片機(jī)C8051F020控制12位D/A輸出,改變工作在可變電阻區(qū)的結(jié)型場效應(yīng)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(diào)節(jié),使整個系統(tǒng)操作起來更加簡單、方便。
Abstract:
Key words :

  微弱信號常常伴隨大量的噪聲且驅(qū)動能力較弱,給精確測量帶來很大難度。基于結(jié)型場效應(yīng)管的程控放大器以壓控放大電路為核心,通過單片機(jī)C8051F020控制12位D/A輸出,改變工作在可變電阻區(qū)的結(jié)型場效應(yīng)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(diào)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(jié)果顯示系統(tǒng)能夠?qū)ψ钚?mv的輸入信號進(jìn)行預(yù)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(jī)械觸點(diǎn)使其噪聲較低;系統(tǒng)12位A/D、D/A均集成在單片機(jī)內(nèi)部,縮減了復(fù)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(diǎn)。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動增益控制、動態(tài)范圍擴(kuò)展、遠(yuǎn)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(shè)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(guān)和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點(diǎn),但是模擬開關(guān)具有較大的噪聲且存在偏置電阻,精度不高使用D/A 內(nèi)部電阻實現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法, 利用DAC 內(nèi)部精密電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)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(diào)節(jié)?;诮Y(jié)型場效應(yīng)管的程控放大器采用時鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機(jī)實現(xiàn)閉環(huán)控制, 能實時調(diào)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(yīng)管的柵源極之間的電壓以調(diào)節(jié)壓控電阻,可變電阻范圍大,噪聲低,采用較復(fù)雜的軟件系統(tǒng)彌補(bǔ)了線性度不高的問題,較高的精度滿足實際應(yīng)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(yīng)管為核心的可變電阻可實現(xiàn)該設(shè)計要求。場效應(yīng)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(yīng)管可以用作一個受UGS 控制的壓控電阻。

  本設(shè)計將場效應(yīng)管接入運(yùn)放的T 型反饋網(wǎng)絡(luò),使運(yùn)放的等效反饋電阻隨場效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行多次測量和分析,柵級電壓與增益的具體對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

  表1 場效應(yīng)管GS 電壓值與增益關(guān)系

  

  以輸入和放大倍數(shù)為坐標(biāo)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(guān)系散點(diǎn)圖

  由圖可知輸入電壓與放大倍數(shù)近似成線性關(guān)系,經(jīng)線性擬合后得到函數(shù)關(guān)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(jìn),數(shù)字信號通過D/A 轉(zhuǎn)化為模擬信號,其輸出經(jīng)反向后接到結(jié)型場效應(yīng)管G 極,由于R1、R2對稱使場效應(yīng)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(yīng)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(yīng)關(guān)系如表2 所示。

  單片機(jī)D/A 輸出電壓0~2.4V,故需外接運(yùn)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(yīng)關(guān)系

  

  摘要:微弱信號常常伴隨大量的噪聲且驅(qū)動能力較弱,給精確測量帶來很大難度?;诮Y(jié)型場效應(yīng)管的程控放大器以壓控放大電路為核心,通過單片機(jī)C8051F020控制12位D/A輸出,改變工作在可變電阻區(qū)的結(jié)型場效應(yīng)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(diào)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(jié)果顯示系統(tǒng)能夠?qū)ψ钚?mv的輸入信號進(jìn)行預(yù)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(jī)械觸點(diǎn)使其噪聲較低;系統(tǒng)12位A/D、D/A均集成在單片機(jī)內(nèi)部,縮減了復(fù)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(diǎn)。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動增益控制、動態(tài)范圍擴(kuò)展、遠(yuǎn)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(shè)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(guān)和AD* 組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點(diǎn),但是模擬開關(guān)具有較大的噪聲且存在偏置電阻,精度不高使用D/A 內(nèi)部電阻實現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法, 利用DAC 內(nèi)部精密電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)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(diào)節(jié)。基于結(jié)型場效應(yīng)管的程控放大器采用時鐘頻率為100MHz 的C8051F020 單片機(jī)實現(xiàn)閉環(huán)控制, 能實時調(diào)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(yīng)管的柵源極之間的電壓以調(diào)節(jié)壓控電阻,可變電阻范圍大,噪聲低,采用較復(fù)雜的軟件系統(tǒng)彌補(bǔ)了線性度不高的問題,較高的精度滿足實際應(yīng)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(yīng)管為核心的可變電阻可實現(xiàn)該設(shè)計要求。場效應(yīng)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(yīng)管可以用作一個受UGS 控制的壓控電阻。

  本設(shè)計將場效應(yīng)管接入運(yùn)放的T 型反饋網(wǎng)絡(luò),使運(yùn)放的等效反饋電阻隨場效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行多次測量和分析,柵級電壓與增益的具體對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

  表1 場效應(yīng)管GS 電壓值與增益關(guān)系

  

  以輸入和放大倍數(shù)為坐標(biāo)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(guān)系散點(diǎn)圖

  由圖可知輸入電壓與放大倍數(shù)近似成線性關(guān)系,經(jīng)線性擬合后得到函數(shù)關(guān)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(jìn),數(shù)字信號通過D/A 轉(zhuǎn)化為模擬信號,其輸出經(jīng)反向后接到結(jié)型場效應(yīng)管G 極,由于R1、R2對稱使場效應(yīng)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(yīng)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(yīng)關(guān)系如表2 所示。

  單片機(jī)D/A 輸出電壓0~2.4V,故需外接運(yùn)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(yīng)關(guān)系

  

  2 電路設(shè)計

  2.1 總體方案的設(shè)計及組成

  系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、前置放大電路模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、壓控放大模塊、有效值轉(zhuǎn)換、A/D采樣模塊和顯示電路等組成。

  2.2 總體結(jié)構(gòu)

  控制器選用C8051F020 單片機(jī), 內(nèi)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(zhuǎn)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(jìn)行10 倍放大,當(dāng)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(luò)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(dá)130dB,等效輸入噪聲小于4nV/Hz, 輸入失調(diào)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(diào)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(nèi)部高精度電阻器設(shè)置了1,100,200,500,1000 等管腳增益,并可通過連接適當(dāng)?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(shè)定增益值,如圖4 所示。

  

  圖4 增益值的設(shè)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(dá)到最好效果,RG應(yīng)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(jī)內(nèi)部12 位D/A 輸出0~2.4V 直流信號,而結(jié)型場效應(yīng)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(luò)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(shè)計

  2.3.3 有效值轉(zhuǎn)換

  有效值轉(zhuǎn)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(shè)計,而且轉(zhuǎn)換精度達(dá)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(jìn)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(zhuǎn)換為直流電壓,然后通過A/D 轉(zhuǎn)換器送給單片機(jī)處理。AD637 有效值轉(zhuǎn)換如圖6 所示。

  

  圖6 有效值轉(zhuǎn)換電路

  3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

  軟件部分完成各個部分的控制和協(xié)調(diào)。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(zhuǎn)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(shè)計中,采用模塊設(shè)計法,功能模塊各自獨(dú)立,使得程序結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)置1 倍前置放大,然后根據(jù)輸入信號的大小判斷量程,調(diào)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(jìn)行系統(tǒng)自調(diào)節(jié)??紤]到溫度對結(jié)型場效應(yīng)管影響,為了不增加復(fù)雜硬件電路,對系統(tǒng)采用軟件補(bǔ)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(jié)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(jié)型場效應(yīng)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(jié)果

  

  設(shè)置放大倍數(shù)為50, 調(diào)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(jié)果

  

  測試結(jié)果顯示,系統(tǒng)在頻帶0~20kHz 內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。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(jié)型場效應(yīng)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(jié)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(jìn)行軟件補(bǔ)償, 在1~100 之間取點(diǎn), 相鄰兩點(diǎn)之間認(rèn)為D/A 輸出與運(yùn)放的放大倍數(shù)滿足線性關(guān)系, 實驗中取了24 個點(diǎn),實驗結(jié)果與實測結(jié)果較近,在整個范圍內(nèi)極大地減小了誤差,而且取點(diǎn)越多誤差就越小。

  5 結(jié)語

  系統(tǒng)應(yīng)用C8051F020 單片機(jī),采用基于結(jié)型場效應(yīng)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(yīng)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(guān)等有觸點(diǎn)放大電路的噪聲問題,配合復(fù)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(yīng)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(yīng)用。

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