【摘　要】　概述了程控增益放大器的基本原理，總結(jié)了當(dāng)前程控增益放大器電路的實(shí)現(xiàn)方法及其特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞：程控增益放大器，數(shù)字電位器，D／A轉(zhuǎn)換

1　引　言
　　在自動測控系統(tǒng)和智能儀器中，如果測控信號的范圍比較寬，為了保證必要的測量精度，常會采用改變量程的辦法。改變量程時，測量放大器的增益也應(yīng)相應(yīng)地加以改變；另外，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對于輸入的模擬信號一般都需要加前置放大器，以使放大器輸出的模擬電壓適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓范圍，但被測信號變化的幅度在不同的場合表現(xiàn)不同動態(tài)范圍，信號電平可以從微伏級到伏級，模數(shù)轉(zhuǎn)換器不可能在各種情況下都與之相匹配，如果采用單一的增益放大，往往使A／D轉(zhuǎn)換器的精度不能最大限度地利用，或致使被測信號削頂飽和，造成很大的測量誤差，甚至使A／D轉(zhuǎn)換器損壞。
　　使用程控增益放大器就能很好地解決這些問題，實(shí)現(xiàn)量程的自動切換，或?qū)崿F(xiàn)全量程的均一化，從而提高A／D轉(zhuǎn)換的有效精度。因此，程控增益放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動測控系統(tǒng)和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應(yīng)用。
2　基本原理
　　程控增益放大器（Programmable GainAmplifier，PGA）的基本形式是由運(yùn)算放大器和模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，其基本原理如圖1所示。模擬開關(guān)則由數(shù)字編碼控制。數(shù)字編碼可用數(shù)字硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可用計算機(jī)硬件根據(jù)需要來控制。
　　由圖1可知放大器增益G：

??? 電路通過數(shù)字編碼控制模擬開關(guān)切換不同的增益電阻，從而實(shí)現(xiàn)放大器增益的軟件控制。
3　程控增益放大器的實(shí)現(xiàn)
　　根據(jù)程控增益放大器的基本原理，它有多種實(shí)現(xiàn)方法。
　 （1）最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是基于上述基本原理實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器。該電路由運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)、數(shù)據(jù)鎖存器和一個電阻網(wǎng)絡(luò)組成。其特點(diǎn)是可通過選用精密測量電阻和高性能模擬開關(guān)組成精密程控增益放大器，但缺點(diǎn)是漂移較大，輸入阻抗不高，電路線路比較復(fù)雜。
　　圖2是由數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、4SPST模擬開關(guān)MAX313、運(yùn)放0P07和一個電阻網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)用精密程控增益放大器電路，通過選擇電阻網(wǎng)絡(luò)電阻RF1～RF4和電阻RI的阻值，經(jīng)模擬開關(guān)4個通道的切換與組合，可得到15個不同的放大／衰減增益。 　

?? （2）利用D／A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)程控增益放大器D／A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一組模擬開關(guān)的電阻網(wǎng)絡(luò)，用它代替運(yùn)放反饋部件，與儀表放大器一起可組成程控增益放大／衰減器，再配合軟件判斷功能就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動切換量程，其原理圖如圖3所示。圖3所示是用兩片D／A轉(zhuǎn)換器和一片運(yùn)放組成的程控增益放大／衰減器。
　　把程控增益放大／衰減器的輸入輸出信號分別作為兩片D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓信號，設(shè)兩片D／A為8位DAC，其數(shù)字量輸入分別為D1和D2，則根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可知有：

??? 通過對D1和D2的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)放大增益的程序控制。根據(jù)上述原理構(gòu)成的程控增益放大／衰減器電路，不僅能實(shí)現(xiàn)程控增益量程的多變，而且具有寬的通頻帶，只是其性價比偏高。
?? （3）選用集成程控運(yùn)算放大器
　　隨著半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，目前許多半導(dǎo)體器件廠家將模擬電路與數(shù)字電路集成在一起，已推出了單片集成數(shù)字程控的增益放大器，例如BURR－BROWN公司的PGAXXX系列產(chǎn)品PGA101、PGA203、PGA206等等，它們具有低漂移、低非線性、高共模抑制比和寬的通頻帶等優(yōu)點(diǎn)，使用簡單方便，但其增益量程有限，只能實(shí)現(xiàn)特定的幾種增益切換。
?? （4）采用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)程控增益放大器
　　數(shù)字電位器（RDAC）是一種具有數(shù)字接口的有源器件，可以很方便地與微控器接口來精確調(diào)整其阻值。它具有耐沖擊、抗振動、噪音小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是它可以代替電路中的機(jī)械電位器，容易實(shí)現(xiàn)控制自動化和操作上的智能化，在自動測控系統(tǒng)和智能儀器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如應(yīng)用較為典型的美國Xicor公司推出的X系列固體非易失性數(shù)字電位器產(chǎn)品E2POT。本文以X9C104為具體實(shí)例，介紹它的功能及在程控增益放大器中的應(yīng)用。X9C104的功能方框圖如圖4所示。它是一個含有99個電阻單元的電阻陣列，每個電阻單元之間和兩個端點(diǎn)都有可以被滑動端訪問的抽頭，滑動單元的位置由／CS、U／D和／INC三個輸入端控制，滑動端的位置可以被儲存在非易失性存儲器中，使用方便簡單。在微處理器控制系統(tǒng)中，利用它與運(yùn)放很容易構(gòu)成程控增益放大器。其特點(diǎn)是它不僅能實(shí)現(xiàn)量程多級變化，實(shí)現(xiàn)高的增益分辨率，而且線路非常簡單。但由于數(shù)字電位器受制造工藝等因素的制約，其通頻帶受限，利用它實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器高頻頻響特性不理想。下面介紹一種采用此方法在DSP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的程控增益放大／衰減器。

　　在電路設(shè)計中，將兩片數(shù)字電位器X9C104配合使用與精密運(yùn)放OP37構(gòu)成一程控增益放大／衰減器，電路原理圖如圖5所示。數(shù)字電位器的片選信　

號／CS由譯碼電路確定，U／D和／INC兩個控制信號利用DSP的IO0、IO1口輸出，因DSP的IO0、IO1口具有鎖存功能，容易用軟件編程方法輸出滿足數(shù)字電位器X9C104要求的時序信號，DSP與數(shù)字電位器之間不需要再設(shè)計等待狀態(tài)發(fā)生器，使控制電路大大簡化。設(shè)分別為數(shù)字電位器X9C104（1）與
　　X9C104（2）的阻值，由圖5知其放大增益G為：
??
通過DSP設(shè)置N1、N2的值從而實(shí)現(xiàn)增益G。若取R1＝20．2kΩ，R2＝1．01kΩ，則通過N1、N2的組合可
使增益｜G｜在1／120～5的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個可程控的增益變化。
4　結(jié)束語
　　上述幾種實(shí)現(xiàn)方法各有其不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，在實(shí)際應(yīng)用電路中，程控增益放大器的實(shí)現(xiàn)要根據(jù)不同的要求，選擇相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式。為了提高程控增益放大倍數(shù)的精度，電路要選用精密電阻網(wǎng)絡(luò)并要精密匹配，同時要減小電路中控制開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響，并要根據(jù)精度的不同要求選用不同級別的模擬開關(guān)。隨著程控增益放大器電路的精度越來越高，應(yīng)用越來越簡單方便，它在自動測控系統(tǒng)和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應(yīng)用，并大大加速了測控系統(tǒng)和儀器儀表的自動化、智能化和集成化的發(fā)展。
1　趙茂泰．智能儀器原理及應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，1999
2　楊欣榮，凌玉華等．現(xiàn)代測控技術(shù)與智能儀器．長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995