一種單片機控制放大倍數可調的前置放大器的設計

摘 要：利用單片機可編程數字電位器，結合放大器放大倍數的計算公式，設計了一種放大倍數可由單片機控制改變的放大電路。

關鍵詞：放大器； 數字電位器； 可編程

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2011）9-180-001

在利用傳感器對信號進行采集的過程中，一般需要對被測量的多個測量點間的電位差進行多種組合測量，由于被測信號大多屬于微弱信號，因此需要對這樣的電位差進行放大，因此，前置放大器采用差動電路形式[1]。同時，為了提高放大器對不同幅度信號的適應能力，既輸出信號電壓不能超出放大電路的最大輸出電壓，又能使不同幅度的信號獲得最佳的放大倍數，可以采用可編程數字電位器代替放大電路中的有效電阻，同時結合單片機的控制來實現放大倍數可調的放大器的設計。

一、前置放大器的設計

為了實現放大器的高性能指標，必須要求前置放大器具有低噪聲和高共模抑制比的特點。為了使放大電路具有高輸入阻抗和高共模抑制比，在前置放大器中采用同相并聯差動放大電路形式（圖1）[2]。

二、單片機可編程數字電位器的控制

從式（4）可以看出，放大電路的放大倍數計算非常簡單，通過改變其中一個或幾個電阻的阻值就可以改變放大倍數的大小。為了使放大電路的硬件設計完成之后，使放大倍數仍然具有可調的功能，我們可以用可編程數字電位器來代替電路中的某個電阻，這樣就可以通過單片機控制可編程數字電位器電阻值的變化，進而調節電路的放大倍數，因此，放大倍數可調的前置放大器的核心是可編程數字電位器。

本系統中使用的可編程數字電位器為CAT5112，CAT5112是一個簡單的可編程數字電位器（DPPTM）（圖2），在電子線路中，它可以完全取代機械電位器和微調電阻[3]。

CAT5112 包含一個連接到RH和RL兩端的32抽頭串聯電阻陣列。由三個輸入控制管腳CS、D/U、和INC來控制滑片點。INC輸入用來使滑片朝著由D/U輸入的邏輯狀態決定的方向來移動，CS輸入用來選擇器件和在掉電前保存滑片點的位置。

CAT5112的操作類似于一個數字控制的電位器，它的RH和RL端等效于高端和低端，RWB等效于機械電位器的滑動片。包括電阻端點RH和RL在內，電位器含有32個可用的抽頭。在RH和RL端之間串聯了31個電阻單元。滑動片端RWB和32個抽頭中的一個相連，由三個輸入端INC，U/D和CS來控制。這些輸入端控制著一個5位的遞增/遞減計數器，它的輸出被譯碼后用來選擇RWB的位置。通過INC和CS輸入端可將選擇的滑動片位置存放到非易失性NVRAM中。對CAT5112的操作方法見表1。

CAT5112的CS、U/D、和INC分別和單片機的P2.0、P2.1和P2.2相連，使滑動片向RH端移動一個增量的程序為：

SET1：SETB P2.0

SETB P2.2

SETB P2.1

CLRP2.2

CAT5112具有10k?贅、50k?贅和100k?贅三種規格，若選用100k?贅規格，則可調電阻量程范圍為3k?贅～100k?贅，如果用CAT5112代替放大器中電阻R3和R4，根據式（），則可得放大器放大倍數可調節范圍為4～100倍。

三、總結

利用可編程數字電位器來代替放大電路中有效電阻的方法，雖然結構較復雜，除了需要利用單片機檢測信號幅度的大小以便選擇放大倍數之外，同時還需要利用單片機對可編程數字電位器的阻值進行控制，但在某些被測量信號幅度波動較大的場合，通過控制放大電路放大倍數，可以使不論是大信號還是小信號都可以得到最佳的放大倍數，使放大電路的性能得到充分的利用。

基金項目：河北省教育廳自然科學研究指導計劃項目“大學物理數字化實驗室開發平臺”（Z2010103）。

參考文獻：

[1]蔡建新，張唯真.生物醫學電子學. 北京：北京大學出版社，1997

[2]偉利國.基于腦電事件相關電位的心理測試研究. 北京理工大學碩士論文，2003

[3]CAT5112使用手冊