利用FPGA 怎样实现可控放大器

求高手指点一下

2025-02-28 07:43:42

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回答1：

数控放大器

一、引言

随着可变增益放大技术的不断发展, 它在自动测控、智能测控、智能仪器仪表等重要领域的应用也越来越广泛。可变增益放大器的增益改变方式主要有人工 (或机械) 和程控两大类(后者一般借助μP) ,具体方法有多种,每种方法各有其优点和局限性。从理论上讲,改变集成运算放大器(运放) 的反馈电阻或输入电阻,即可改变放大器的增益。但简单地改变反馈电阻或输入电阻所得到的可变增益放大器,往往并不具备理想的性能,有的根本不能正常使用。

二．方案论证与比较

方案一、利用场效应管的可变电阻区改变反馈电阻

图2场效应管特性曲线

由图2 场效应管特性曲线可以看出，UDS小于1V，UGS不变时，ID随UDS的增加而增加，与电阻特性一致，并且UGS改变时ID—UDS曲线斜率跟着改变。也就是说，场效应管可以用作受UGS控制的压控电阻。该方案是将场效应管接入运放的T型反馈网络，使运放的等效反馈电阻随场效应管DS间电阻的变化而变化，电路如图3所示。

图3 利用场效应管的数控放大器

数字信号通过D/A转换为模拟信号，输出通过分压接到场效应管门极（G）。场效应管的源极（S）和漏极（D）间的电阻变化引起反馈电阻变化，继而引起放大器放大倍数的变化。

T型电阻网络的等效电阻是：

由上式看出，该方案的缺点是：当RT增加时放大倍数A会减小，而RT线性变化时，放大倍数A不是线性变化的。控制电压线性变化时，放大倍数不是线性变化。要得到线性变化的放大倍数，需要较复杂的软件支持。

方案二、用集成多路模拟开关改变电阻

用不同阻值的固定电阻,通过集成多路模拟开关 (如CD4051 等) ,将其分别接入运放的输入回路,以此来达到改变输入电阻的目的,从而实现对信号的放大或衰减,即改变放大器的增益,其原理如图5 所示。

图5 用集成多路模拟开关构成的程控增益放大器

用集成多路模拟开关构成程控增益放大器,还有一种常用的方式,即用数个运放分别接成同相输入深度负反馈放大器后串联成多级同相放大器,再用模拟开关控制各运放单元反相输入端外接电阻与公共地端的通、断状态,进而控制放大器的增益。

上述方式的主要缺点是模拟开关的导通电阻影响放大器的增益,影响信号的传输精度。

以CD4051 为例,测试发现,CD4051 的导通电阻RON随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。当V DD = 5 V、V EE = 0 V 时, RON≈280Ω ,且随V i 的变化突变;当V DD > 10 V、V EE = 0 时, RON≈100Ω ,且随V i的变化缓变。可见,适当提高CD4051 的VDD有利于减小RON的影响,但应同时相应提高选通控制端A、B、C的输入逻辑电平。如V DD = 12 V ( V EE = 0 V) ,可采用电源电压上拉箝位的办法,上拉电阻的阻值取1. 5 kΩ以上,使选通控制信号的有效高电平不低于6 V. 这样既保证CD4051 理想导通( RON小) ,又实现了CMOS电平与TTL 电平之间的转换(μP 一般为TTL 电平) ,也可以选用性能更优的模拟开关。也可以用微继电器作为切换开关,再用CD4051 去控制微继电器动作。因微继电器的接通电阻很小(一般在mΩ 量级) ,故可从根本上克服上述缺点。还可以直接由μP 去控制微继电器,但这样占用μP 口线较多,还要在μP 与微继电器之间加驱动电路。

方案三、程控衰减

运放的输入或输出信号幅度的电路如图6 所示,由电阻R1～ R9 和模拟开关CD4051 组成无源衰减网络,在网络之前或之后接上固定增益的放大器,利用μP 程控衰减放大器的输入或输出信号幅度,同样实现了程控放大的目的。图中使用了由通用运放LM747构成的两个电压跟随器,以隔离网络对前、后级的影响。若输入信号弱,应先放大后衰减;反之,应先衰减后放大。

图6 程控无源衰减网络

该电路的优点是无论CD4051 的选通控制端如何设置,放大器都不会处于开环状态,缺点仍是CD4051的导通电阻影响放大器的增益。

方案四、利用DAC内部电阻网络作为运放的反馈电阻

为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7523的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7523是一种廉价型的8位D／A转换芯片，其输出Vout=Dn×Vref/28，其中Dn为8位数字量输入的二进制值，可满足28=256 挡增益调节，满足题目步进0. 25db的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7523 来实现信号的程控衰减。但由于AD7523对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV～V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达 AD7523前经过一个适应性的幅度放大调整，再通过AD7523衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为60dB，与AD7523的衰减分母抵消，即可实现程控放大。

三、系统设计

1、系统设计与总体流程如图1：

八位按键

D/A转换

放

大

器

部

分

图1 系统方框图

2．根据题目的要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制了整体的设计方案： DA转化，控制放大器的增益，

电流输出型DAC 内含R - 2 R 电阻网络,可以作为运放的反馈电阻或输入电阻,在DAC 输入数据的控制下,实现放大器增益的程控改变。

用单片集成单DAC ,如AD7523等,作为运放的可变反馈电阻。具体电路如图4 所示,图中的运放为通用运放LM324 , A1 起缓冲作用。该放大器的增益

A v = A v =V o/V i= -1/N (3)

式中N 为DAC 的数字输入量。

AD7523 ( 8 位) 的A v 的范围为256/ 255 ～ 256 。因AD7523的基准输入端(15 脚) 和反馈端(16脚) 可输入正、负两种极性的电压, 故可用交流信号输入作为交流放大器,此时宜选用频带较宽的运放,如LM733 、μA771 、AD507 、OPA606 等,但必须注意失调调零,避免在大增益时出现直流饱和。

图4 用单DAC 构成的程控增益放大器

AD7523构成的可编程增益放大电路

可编程增益放大电路可对模拟信号进行放大、转换、滤波，并能把器件中的多个功能模块互联，对电路进行重构，还可调整电路的增益、带宽和阈值。如图所示是采用A／D 转换器AD7523构成的可编程增益放大器。电路由8位数据来控制增益，使增益在1～256范围内变化， AD7523片内有模拟开关和R-2R梯形网络，额定阻值为5～20kΩ，中心值为10kΩ。若从RFB端直接输入信号，侧输入电阻很低，所以在前面接入缓冲放大器Al，起到倒相的作用。若从Al的同相端输入，则可得到同相信号。对于可变增益放大器，若增益高，则失调电压大，因此需要对运放进行准确调零，尤其要注意Al的输出。在RFB端串联电位器RP2进行增益的校准。运放A2由于负反馈可变，设定增益越大，闭环频率响应越坏。需要选用增益可变范围窄或开环频率特性好的运放。对于小功率或精密运放，因为牺牲了交流特性，所以当输入几千赫兹以上的信号时应予以注意。

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