采用D/A转换器实现可编程放大器的设计

摘　要：依据电子技术理论，采用模/数相结合的设计方法，设计讨论了一种增益可调的编程放大器的实现方法，并对其进行了理论分析，给出了实际应用电路。

关键词：D/A转换器； 运算放大器； 可编程放大器

引 言

在许多数据采集现场，特别是小信号工业现场的数据采集系统，由于信号源的多样性，常常需要采集系统的前向通道，具有可变的放大倍数，使之能对测量信号进行满量程放大，保证测量精度。因此，多数采集系统的前向通道，需要可编程放大器的支持。

目前，采集系统的前向通道，一般采用外接电阻和模拟开关来实现可编程的增益变换，使得编程放大器的放大倍数，级差变化较大，可调整范围较小，对外接电阻的精度要求较高，且需要较复杂的接口电路，给设计和应用带来了诸多不便。根据电子技术理论，利用D/A转换器的特有工作原理，实现一种增益可编程的信号放大电路，是一种较好的和经济的方法，且具有一定的应用和实践意义。

原理实现

一种R-2R 梯型网络式D/A 转换器的原理结构图如图l所示。其转换原理为电阻加权网络，按需求产生不同的加权电压，然后相加得到要转换的模拟电压。图1中VRef为参考电源输入端，是转换器输出电压的基准； I_out1和I_out2为转换器模拟量的互补输出端，由数据控制相应的开关控制，产生对应的电流信号： R_fb为反馈电阻接入端，使得内部网络可与外部放大器组成闭环回路，完成电压的叠加； K0 ～K7 为由数字量控制的模拟开关， 控制D/A转换的数据输入，实现D/A转换器的模拟量输出。

由图1分析知，该类型的D/A转换器是由电阻网络对基准电压V_Ref按2ⁱ ( i = 0， .， 7)的权值取其电压分量，由开关控制是否将对应的权值位接入到输出端上，再由I_out1和I_out2互补输出。根据电路基本原理，若将I_out1和I_out2输入至运放，则在运放的输出端得到如下数学表达关系式


N 为D/A转换器的数字量输入值。通过上式可得到，数/模转换电路(D/A转换器+运算放大器)的模拟量输出V_out ，实际是对参考电压V_Ref的一种分压变换，若将V_Ref看成是输入电压信号，则给定数字量与它的字长N 位模2N 的比即可看成是放大倍数， 那么从运算放大器的V_out端，随着给定数字量的不同，可在输出信号V_out端，得到与V_Ref对应关系的输出信号V_out。因此可利用D/A转换器，实现对V_Ref信号端编程的增益变换。

图1　R-2R梯型网络式D/A转换器的原理结构图

电路设计

通过上述的讨论，采用D/A转换器实现信号的传输是可行的。但由式( 1)可看到，若将V_Ref作为输出端，在V_out输出端，只能获得小于等于一的增益。通过图1可以看出，V_Ref、I_out1、I_out2和R_fb端是构成R-2R梯形电阻网络的模拟信号端口，网络的组成可由数字接口信号控制。那么对这些端点进行新的组合应用，则可实现增益大于一的编程放大器。其实现原理图见图2。

在图2中，改变原理图1中信号的接入点，将Rfb端作为放大电路的信号输入端V_in ，将I_out1端接运算放大器的信号输入负端，同时将V_Ref端接运放的输出，使通过D/A转换器的内部电阻R网络，构成了基本放大电路的反馈电阻网络。这样由D/A转换器的R-2R网络，和运算放大器共同组成了可编程的放大电路。根据运算放大器V + =V - 的虚短原理有

图2　编程放大器电原理图

若改变R_in、R_f 的任何一个的阻值，均可改变放大器的放大倍数。故而在该电路中，可由D/A转换器的数字量输入改变反馈电阻网络的投、切，实现R_f 的变化，从而实现放大器增益的可编程。由原理图2可推得


N 为数字量给定，它的范围是从0 ～255 (对应DAC0832)的数值，当给定为满刻度时(255) ^₁₀，可获得近似为1的最小增益；当给定数字为"0"时，则电路中出现放大器反馈电阻开路，运放处于开环状态，因此理论上，该电路可实现从1～∞的可编程增益。

为了不出现开环增益的情况，在电路中，在运放的输出与输入端，并入一兆欧级(电路中为15 MΩ)的电阻，防止出现开路状态，造成对电路的影响。DAC0832是一片带双缓冲输入的8位D/A转换器，它具有灵活的数字接口，数字信道具有双缓冲功能，且可单独控制；数字接口逻辑支持5 V供电系统，可方便地与微机对接；模拟信道允许正、负15 V的动态摆幅，是一种非常通用D/A转换器。设计中将其设计为单缓冲模式，WR1，作为编程信号统一控制，该端可作为与微机的接口控制信号应用。当且仅当，该信号为低电平时，才可能将由数据线来的数字，写入D/A转换器，否则，D/A转换器处于保持状态，既保持放大器的放大倍数不变。其信号传输时序如图3。

图3　编程信号时序图