4.3.4 可变增益放大器与压频转换器

特殊运算放大器（五） 包括可变增益放大器和电压频率转换器两节 可变增益放大器 4.3.4节 在模数转换应用中 如果信号的动态范围很宽 也就是幅值忽大忽小 那么 ADC 的采样精度将无法适应 这时候呢就必须对信号进行可变增益放大以后 再进行 ADC 采样 可变增益大小必须是可知的 这样才能够在 ADC 采样之后呢 乘上相应的增益值得到实际信号值 可变增益控制有别于增益值未知的自动增益控制 也就是 AGC 增益控制的目标和手段 当信号微弱时 大增益放大以达到满量程使用 ADC 位数的目的 当信号高幅值的时候采用小增益 以防止超出 ADC 的基准范围 那么增益由电压控制的叫做压控增益放大器 增益由单片机进行数字化控制这种呢 叫做程控增益放大器，也叫 PGA 先来讲压控增益放大器 我们看一下压控增益放大器 VCA610 的电路 VCA610 的增益范围是 -40dB~40dB 那么我们翻译成通常的倍数呢就是 它可以缩小或者放大100倍 控制电压 VM2 它对应的控制电压范围是 0~-2V 0V 对应的增益是 -40dB，-2伏对应的是 40dB 按照 dB/V 的线性控制 我们进一步呢可以推出几个电压对应的放大倍数 那么 -1V 对应的 0dB 也就是1倍放大 -0.5V 对应的是 -20dB 也就是0.1倍放大 -1.5V 对应的是 20dB，10倍放大 我们对着仿真图来看 输入信号的幅值呢是 10mV 10mV 我们在 250μs至 500μs 的时间段 对应的增益为缩小 本来就很小所以根本看不清了 在 500mV 至 750mV 呢为放大区域 信号逐渐放大 我们看到是按照 dB 的关系放大的 那么在 750mV 位置呢 -2V 控制电压对应放大100倍 那么 10mV 的信号放大到了 1V 这地方是 1V 那么使用压控增益放大器的时候呢 要特别注意压控端信号的稳定可靠性 必要的时候加上低通环节 因为压控增益放大器呢 它是随着你控制电压变化而幅值发生变化 如果你的控制电压都不稳定 那么数字信号肯定是不稳定的 此外呢 所有的压控增益放大器基本上都是负压控制型 如果我们需要用单片机加 DAC 的方法来实现程控的话 产生负压信号是一个比较麻烦的事 如果 DAC 的种类本身就是可以输出负压的，比如 R-2R 型 它正常输出负压就可以了 如果呢是电阻串型的 那么我们后面呢就需要接上运放构成反向器 或者是负压平移来构成一个负压来进行控制 程控增益放大器 程控增益放大器呢 PGA 使用非常简单 一般几个程控引脚接上高低电平就可以控制增益 它的内部呢实际上就是多组可调控的 可数控切换的电阻阵列 改变电阻值就改变增益 那么对于 VCA 来说 相比于 VCA ，PGA 的带宽是一般不够宽的 而且比较贵 我们如图所示的普通运算放大器呢 构成一个程控电路来帮助理解 PGA 的原理 它在一定程度上也可以代替 PGA 来使用 我们看我们主要调节反馈电阻 改变反馈电阻的大小可以调节增益 那么通过机械电位器，光耦继电器或者模拟开关 我来切换 RF 那么 RF 开关不闭合的时候 RF 是 10k，闭合以后两个电阻并联就变成 5k 所以呢开关闭不闭合 这个放大器它的放大倍数是5倍、10倍之间切换 使用继电器的好处呢是不会插入额外的电阻 RF 阻值非常精确而且带宽可以做到很宽 我们来看 开关闭合的时候5倍放大 开关断开的时候呢10倍放大 实现程控增益 采用普通运放加开关的方式获得程控增益有优点有缺点 优点就是精度高 而且呢可以使用高速运放获得高带宽 我们之前说了 真正的程控增益放大器的带宽都不高 那么它有缺点，缺点就是它的程控档位不够多 我们刚刚用一个继电器也就实现了两档切换 这个档位你要根据这个多少来设置 而且呢如果使用继电器作为开关 增益切换的速度比较慢 继电器我们知道大概也就每秒最多切换一次 VCA 和 PGA 的选型我们主要考量呢 它的增益是否满足要求 还有它的速度也就带宽怎么样 电压频率转换器 4.3.5节 如图所示 555定时器呢可以构成压控振荡器 也就是说随着电压的变化 输出信号的方波频率会发生变化 一般的压控振荡器呢它的电压频率线性度不好 所以呢它只能作锁相环或者锁频环来用 对于精密的压频转换器比如 LM331 它可以做到0.1%的线性度 那么这一类 VFC 是可以作为 ADC 用途的 那我们看选型 有这五种精密压频转换器 频率越高它越贵，线性度越好的越贵 我们为什么要将电压转换成频率呢 我们考虑一下当传感器距离处理器距离非常远 而途中呢又电磁干扰环境又比较恶劣的时候 我们肯定直接传模拟信号传这么长距离是不合算的 那么如果在传感器那一端呢 就把模拟信号转变成频率再进行测量 那么传输的就是数字信号 并且比起我们这种总线通信方式的数字信号 VFC 的数字信号传输的是频率 它的抗干扰能力更强 我们想象一下它受干扰 多一个脉冲少一个脉冲 频率的改变是非常小的 但是数字总线通信方式呢 你多一个脉冲少一个脉冲 就产生了误码率，还有数据校验 本课小结 可控增益的目的和手段 信号微弱时增大增益以达到满量程使用 ADC 的目的 信号高幅值的时候呢 我又降低增益防止超出溢出 这是我的可控增益的目的 那么手段呢 通过电压控制的叫压控增益放大器 VCA 通过数字化程控的呢就叫程控增益放大器 PGA 那么对于压控增益放大器来说 它往往是 不是线性变化的，控制的是 dB 控制电压呢 而且往往是负的 所以呢我们往往还需要加一个 如果你希望用 MCU+DAC 来控制 压控振荡器变成程控增益放大器的话 得考虑一个负压电路 程控增益放大器原理 我们用一个最简单的 反馈电阻的阻值 由继电器来控制改变 这就构成一个程控增益放大器 好，这个放大器呢实际上也是 虽然是作为原理说明 但我们实际中也是有用途的 电压频率转换器 将模拟信号转变成数字信号 数字频率信号进行传输 它特别适用于远距离传输 只要速率你不要求数率高，速率够慢 那么它的抗干能力是最强的 好，这节课就到这里