可编程微电流放大电路的设计

可编程微电流放大电路的设计 曾志海1　陈欣卓1　胡瑞华2 1(上海大学机自学院　上海　200072)　2(上海电动工具研究所　上海　200031) 摘要　介绍了一种动态变化范围较大的可编程微电流放大电路,通过 AT 89C51 单片机控制可编程放大器,输出符合 A/ D 转 换器输入范围的电压, 同时介绍了微电流放大电路的设计要点和可编程增益放大器 LH0086的工作原理 关键词　I-V 转换　微电流放大　可编程增益放大器 Design of Programmable Weak-current Amplif ier Zeng Zhihai 1　Chen Xinzhuo1　Hu Ruihua2 1 ( School of Mechatr onics and Automation, S hanghai Univ er sity , Shanghai 200072, China) 2( Res earch Institute of Electr ic T ools of Shanghai, Shanghai 200031, China) Abstract　It int roduces a circuit of programmable weak current amplif ier, this circuit can output volt ag e accord- ing w ith input range of ADC by using programmable amplif ier controlled by AT89C51, key principles of weak current amplifier and operat ion theory of programmable amplif ier LH0086 are given t oo. Key words　I-V convers ion　Weak-current amplif ing　Programmable gain amplifier 1　引　　言 在设计钳型电流传感器时, 感应得到的微弱电流 信号从 5×10- 9～5×10- 6A, 最小值和最大值之间相 差 1000倍,其动态范围较大,如果用一固定增益对电 流信号进行放大,显然不能满足 A/ D转换器的输入要 求:当设定增益太大时, 大信号有可能会超出 A/ D 转 换的量程,非线性误差增大;当设定增益太小时, 小信 号有可能无法检测到,且 A/ D转换后将丢失较多的有 效数据位,量化误差较大,即使采用高位 A/D 转换器 也很难满足测量精度要求。因此采用用两级放大的方 法: 第 1 级进行 I-V 转换, 使用精密运算放大器 MAX406将微电流转换为一个适当的小电压, 第 2 级 使用 AT 89C51 单片机控制的可编程电压放大器件 LH0086,根据第 1 级输出的电压信号自动调整其增 益,从而将不同幅度的微弱电流信号放大到某个特定 范围, 输出符合 A/ D转换器输入范围要求的电压,从 而提高了其转换精度,便于后续的信号处理。 2　微电流的放大 由于电流不能被直接测量, 所以先要将电流转换 为电压,一般是要用一个精密电阻接在被测电路中,再 用电压放大器对电阻上的电压进行放大, 具体电路如 图 1 所示理想状态下,放大器输入阻抗为无穷大,输入 偏置电流为 0,此时可以认为: uo= - i×Rf 但实际上,运放的输入阻抗并不是无穷大,偏置电流 IB 有分流作用,由于被测对象是微弱电流信号,放大容易 引起电压和电流的失调,以及零点漂移、自激干扰,上 述因素对微电流的测试精度都会产生影响,所以此时 普通的运算放大器已无法满足精度要求, 因为它们的 输入失调电压一般在数百微伏以上,失调电流也较大, 要实现微电流的放大,运放的选择是关键,一般根据以 下几点来选择: ( 1)运放的输入阻抗要大; ( 2)运放的偏置电流要小; ( 3)低失调电压,低失调 漂移; ( 4)增益与共模抑制比要高; 第 25 卷第 4 期增刊 仪　器　仪　 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 　学　报 2004 年 8 月 ( 5)噪声小 图 1　 根据上述要求, 选择 MAX406 为第 1 级运放,将 微电流转换为电压。MAX406 具有优异的直流特性, 失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变 化等对运算放大器的影响被降低到了最小,非常适合 用于微电流信号的放大。其引脚排列如图 2所示,各引 脚功能说明如下: NULL—失调电压调整;　　IN- —反相输入; IN+ ——同相输入; V- —负电源; V+ —正电源; BW—带宽选择。 MAX406的主要特性参数如下: VOS 输入失调电压　0. 25mV ; IB 输入偏置电流 0. 1pA; CMRR 共模抑制比 80dB。 图 2　　　　　　　　　　　图 3 MAX406输入失调电压的典型值为 0. 25mV, 如果要 对输入电压进行调零, 可以在 1, 5, 7 之间接一个 100k8 的电位器进行调整,如图 3 所示。此外对外围电 阻的要求较高,建议使用高精度、低温漂的线绕电阻。 3　增益自动可调电路 实现增益自动调整的基本原理是通过选择不同的 电阻通道以改变运算放大器的增益,将不同幅度的模 拟输入信号放大到某个特定范围,便于 A/ D 转换器进 行采样,或者将给定信号放大一个由软件设定的增益 后输出。通常有三种实现 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 : ( 1)运放+ 多路模拟开关+ 电阻网络; ( 2)运放+ 数字电位器; ( 3)使用单片集成可编程放大器。 其中,第 1 种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 用模拟开关切换电阻反馈网络, 从而改变放大电路的闭环增益, 此种方法所需元器件 较多,电路庞大,而且精度受到限制。第 2种方案采用 固态数字电位器来控制放大电路的增益, 线路较为简 单,但现有的数字电位器分辨率有限,因而构成的放大 器精度有限,无法满足 10位甚至 12 位数据采集系统 的要求。第 3种方案接法最简单,而且转换的精度也是 最高的,考虑到便携式仪表的体积和精度要求,故采用 单片集成可编程放大器的方法。可供选择的单片可编 程放大器的种类较多, 现将常用的几种及其参数列表 如表 1 所示 单片可编程放大器 LH0086可由单片机控制选择 8个增益( 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200) , 其输入失调电 压典型值为 0. 3V , 输入阻抗约为 10108 , 增益精度 0. 01% ,增益的非线性度为 0. 005% ,内部电阻梯形反 馈网络经激光精确修正,精度高,性能稳定。内部包括 场效应晶体管输入运算放大器, 精密电阻梯形反馈网 络和一个用于选通的 3/ 8 译码器,其引脚图及内部电 路原理图如图 4,图 5所示: 表 1 LH0086 PGA102AG AD625 PGA202/ 203AG 增益精度 0. 01% 0. 025% 0. 02% 0. 1% 增益非线性度 0. 005% 0. 003% 0. 001% 0. 012% 可选增益 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 1, 10, 100 1—1000 PGA202: 1, 10, 100, 1000 PGA203: 1, 2, 4, 8 输入阻抗( 8 ) 1010 7×108 109 1010 稳定时间( Ls ) 2 2. 8 15 2 需外接电阻 不要 不要 要 不要 11　第 4 期增刊　　　　　　　　　　　　　　　　可编程微电流放大电路的设计 图 4 图 5 　　通过单片机的 P1 口控制 LH008 的数字通道 D2 　D1　D0 来选通相应的电阻,例如当 D2　D1　D0= 0 　1　1时,第 5个开关闭合,放大器的放大倍数: AV = ( R1+ R2+ R3+ R 4+ R5+ R6+ R7+ R8) / ( R1+ R2 + R3+ R4+ R5) = 10 ( R2= R1, R3= 2R1, R4= 6R1, R5= 20R1, R6= 20R1, R7= 60R1, R8= 90R1) D2　D1　D0 取不同的值时, 不同的电阻 通道导通,得到不同的增益,具体的增益控制表如表 2所示 表 2　增益控制码 增益 D2 D 1 D 0 1 0 0 0 2 0 0 1 5 0 1 0 10 0 1 1 20 1 0 0 50 1 0 1 100 1 1 0 200 1 1 1 4　单片机控制 由单片机 AT 89C51 和可编程放大器 LH0086 构 成的数据采集电路如图 6所示, AT89C51 的 P1口控 制 LH0086 的 D2 D1 D0 ,从而得到不同的增益,单片机 程序流程如图 7 图 6　 图 7　 　　单片机 AT 89C51 上电后通过 P1 口将可编 程放大器 LH0086的增益设置成最小值 1( D2　D1　D0 = 0　0　0) ,然后启动第一次 A/ D 转换试采样,调用 数据比较程序对 ADC 采集到的信号进行比较 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 选择一合适的增益值反馈到 LH0086 进行电压放大, 接着进行第二次 A/D 转换采集数据, 一般经过两次 A/D 转换之后,可以得到一个符合系统输入范围及精 度要求的电压信号。 5　结束语 通过使用微弱电流放大加单片机控制的可编程 (下转第 22页) 12 仪　器　仪　表　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　第 2 5 卷　 机制,在高通信量的情况下,低优先级的信息传输不可 能是确定的和有界的。 3. 2　帧时间 取决于数据的大小、附加位、填充位的多少, 以及 一位的时间 T bit。设 Ndata为数据的大小(多少个字节) , Novhd为用作附加位的字节数, Npad为用作填充帧的剩余 部分以满足帧最小尺寸要求的填充字节数, Nstef f为用 作缓冲机制(在一些协议中)的字节数。帧时间 T f rame可 表示为: T f rame= [ N da ta+ Novhd+ Npad+ N ste ff ]×8×T bit。 对于 Ethernet、ControlNet 和 DeviceNet , N data、 Novhd、Npad和 Nstef f可以清楚地描述出来, DeviceNet 的位 填充机制是:若在一行中连续 5 位为 1,就加一个 0。 Ethernet 和Cont rolNet 使用Manchest er 双相编码,所 以不要求位填充。 3. 3　传播延时 取决于信号传输速度以及源节点与目的节点之间 的距离。对于最差的情况,从网络的一端到另一端, 3 种控制网络的 T prop各自为: 2500m 长的 Ethernet , T prop = 25. 6Ls ; 1000m 长的 Cont rolNet , T prop= 10Ls; 1000m 长的 DeviceNet , T prop= 1Ls。各自的长度表示使用时的 最大长度。由于在不同的传输中,源节点与目的节点之 间的距离不是一个常数,传播延时的特征不便描述。为 了比较, 我们假设这 3 种网络类型的传播延时是一样 的, T prop= 1Ls( 100m)。注意,对于 DeviceNet , T prop通常 小于一位的时间,因为 DeviceNet 是一个位同步网络。 因此,最大电缆长度用于保证节点中的位同步。 4　结束语 这里主要从控制系统的要求角度,对 3 种网络的 性能进行了对比。控制系统的要求包括有界的延时和 可保证的传输,网络协议是否能在控制网络中使用很 大程度上取决于这两个方面。尽管 Ethernet 已广泛应 用于数据传输应用, 可以高达 1Gb/ s 的数据传输率, 当与确定性网络相比, 它不太适合作为一些控制系统 的通信媒介。但由于 Ethernet 的高数据传输率,可以 用作不定期/非紧急和短帧信息的传输,如工作站或机 器单元之间信息的传输。对于连接有控制器、传感器和 执行器的机器级的通信,确定性网络通常更适合于满 足控制系统的要求。对于具有短的或/和带优先级的信 息的控制系统, DeviceNet 表现出更好的性能。Con- trolNet 能预定和非预定消息,使之适合于紧急消息和 非紧急消息,也适合于大数据消息的传输。 　　参考文献 1　郑文波.控制网络技术. 北京:清华大学出版社, 2001. 2　G. 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