摘 要：详细地介绍了一种由电压比较器、数模转换器、MCS51单片机组成的可以实现自动增益控制的放大器电路。给出了详细的电路图和实现自动增益控制的原理。
关键词：自动增益控制；电压比较器；数模转换器；单片机
1引言
在数据采集系统中，由传感器输出的电量一般都比较微弱，必须经过放大器放大以后才可以输入A/D转换器进行转换。由于在很多数据采集系统中，信号变化的幅度比较大，如果采用单一的放大增益那么放大后的信号幅度有可能超出A/D转换器的量程。因此在数据采集系统中有必要根据信号的变化相应地调整放大器的增益。如果采用手工切换电阻来实现放大器增益的改变，需要多次切换才能确定合适的放大倍数，并且切换速度也无法满足系统的要求，因此这种方法往往是不可取的。这里我们利用2片电压比较器、1片数模转换器及简单的软件编程实现放大器的自动增益控制，放大器可以根据所要采集信号的大小来自动确定适当的放大倍数。
2硬件结构
自动增益控制原理：
（1）利用数模转换器实现增益控制原理
为了改变放大器的增益，一般有2条途径：改变反相端的输入电阻阻值和改变负反馈电阻阻值。通过设计一个电阻网络和开关可以实现这种功能。D/A转换器能把数字量转换成模拟量，他的内部结构一般是电阻R-2R梯形网络，并集成有多路模拟开关。因此采取与常规D/A变换不同的用法，巧妙地利用D/A转换器的内部电阻网络可以实现改变放大器增益的功能。硬件原理如图1所示。
这里采用AD7520芯片，AD7520是一种廉价的10位D/A转换芯片，由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活，其内部电阻网络由薄膜电阻构成，激光修正，相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精度高、体积小、控制方便、外围布线简单等特点。其等效电路图如图2所示。
从参考电压VR流经梯形网络至OUT1的电流
和没有分流电阻R0时的电流I相比，其关系为：
因此，只要改变数字量D的值就可以改变增益A。
（2）自动增益控制原理
经过放大器放大后输出的信号在送入AD转换器的同时，也输入到2个电压比较器（这2个电压比较器的参考电压分别为AD转换器允许输入的最大值和最小值），其中一个输到正相端，一个输到反相端。根据电压比较器输出的结果是0还是1来修改DAC的数字量输入，可以达到改变放大器增益的效果。如图1所示，2个电压比较器输出有3种可能：
(1) P12=1,P13=0, 即放大器输出的电压值高于电压比较器的参考电压，此时放大倍数偏大，应通过程序修改DAC的输入（即修改P0口和P10，P11的值）减小放大倍数；
(2) P12=0,P13=0,即放大器输出的电压值介于2个电压比较器的输入参考电压之间，此时放大倍数合适，可以进行A/D转换；
(3) P12=0,P13=1,此时放大器输出电压小于电压比较器参考电压，放大倍数偏小，应该增大放大倍数。这样就完成了自动增益控制的过程。
3软件设计
在初始化程序中，需要预置DAC转换器的输入，即为P0口和P10，P11赋值以确定放大器的原始放大倍数，以后再在此基础上对放大倍数进行调整。其软件流程如图3所示。
4结语
本文中选用的数模转换器是10位的，在实际应用中可以根据不同的需要选择不同位数的数模转换器。图1中，电压比较器1的参考电压Vref为A/D转换器可以转换的最高电压，适当选择R1，R2的阻值可使电压比较器2的参考电压为A/D转换器可以转换的最低电压值。由于受速度限制，本电路不适用于高速数据采集系统。
参考文献
［1］胡兰芳程控增益放大其及其与微机的接口技术［J］.西南民族学院学报(自然科学版)，2001，27（4）：457459
［2］全国大学生电子设计竞赛组委会第四届全国大学生电子设计获奖作品选［M］.北京：北京理工大学出版社，2001
本文关键字：数据采集 电工入门，电工技术 - 电工入门
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