程控技术在仪表中的应用

　　一、引　　言

　　在仪器仪表中所要测量的数据其动态范围往往很宽,这种情况下即使采用高位A/D转换器也难以满足测量精度要求。为此必须引入量程转换电路加以解决,为使用方便,在智能仪表中应自动实现量程切换。在有些仪表的数据采集系统中可能有多个传感器,对不同物理量进行测量。由于各传感器输出信号的电平彼此差别较大,因而在每个传感器之后都加一个增益不同的放大器,把各自的转换信号放大到一个合适的电平上,再进行处理。这种结构使用多个放大器,造成线路复杂。在仪器仪表的数据处理系统中经常使用各种类型有源滤波器,根据某种功能要求,希望能自动调节滤波器的截止频率。为解决上述这些问题比较好的方法就是采用程控技术。对这方面进行较全面系统介绍的文章尚少见,本文想就此方面做点工作,但由于篇幅所限,也只能粗略加以介绍,且重点放在前两个问题上。

　　二、实现程控的几种方法

　　采用程控技术解决量程自动转换或多数据采集系统中共用放大器问题的基本思路是通过可编程增益放大器(PGA)即数控放大器来实现。有3种基本方案:其一是由集成运放与多路开关组成;其二是由集成运放与D/

　　A转换器组成;其三是采用单片集成PGA。前两种方案价格较便宜,但精度偏低。第三种方案实现较简单,精度高,但价格偏高,需几百元至上千元以上。由此可知,在那些要求不太高的场合采用前两种方案较合适,需要高精度就得采用单片集成PGA。下面对上述方案较详细加以介绍。

　　由模拟开关和集成运放组成的PGA,也有几种连接方法,图1所示的是一种较好的连接方式。CD4066是CMOS模拟开关,OP077为集成运放,D、C、B、A是4位数字控制信号。当CDBA=0001时开关S1闭全,其它断开,放大器电压增益为:

　　当DCBA=0010时仅S₂闭合,A_u2=1+根据Au值选取不同阻值。为保证增益精度,应选取较高精度运放和较精密电阻等。特别要注意模拟开关的接法。因普通模拟开关的导通电阻Ron约为50~200Ω,对增益精度有影响。为减少这种影响,其一应选择Ron小的模拟开关,如Maxim公司新产品MAX351系列的Ron<35Ω;其二是要选择开关在电路中的正确接法,若把开关与放大器反相输入端外接电阻相串联,Ron对精度影响都较大,降低了增益精度。而采用图1接法,由于运放的rid为MΩ级以上,Ron影响几乎不起作用,能取得高精度。

　　由D/A转换器和集成运放组成的PGA如图2所示。DAC0832是8位D/A。运放使用LM741。

　　在DAC内部脚11与8之间连接的是R~2R倒T型电阻译码网络的等效电阻Req,该电阻从图2上看出恰好连接在运放的输出端(脚6)与反相输入端(脚2)之间,成为它的负反馈电阻Rf。在DAC内部脚9与脚11之间跨接的电阻Rfb恰好成为运放反相输入端与输入信号源之间外接电阻R1,从而使运放组成一个典型的反相比例运算放大器,其电压增益为: