基于I2C總線的新型可編程增益放大電路的設(shè)計(jì)

    在各類遙感遙測系統(tǒng)中，模擬信號的動態(tài)范圍通常都很大，一般在幾mV至幾十V范圍內(nèi)(動態(tài)范圍可達(dá)80_90db)，有的甚至是幾pV_幾百V(動態(tài)范圍可達(dá)160db以上)。而且信號的干擾源多，有時甚至掩蓋掉有用信號，很難辨識是有用信號還是干擾信號。此外，不同的材料、形狀、尺寸，不同的類型，不同的測量速度，得到的信號頻譜不同，受干擾信號的特點(diǎn)也不同。對這樣的信號進(jìn)行采集處理，為保證精度，檢測系統(tǒng)首先需要對大動態(tài)模擬信號的動態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，即對mV甚至pV級的信號進(jìn)行放大，對幾十V甚至幾百V的信號進(jìn)行衰減，將信號的變化幅度調(diào)整到A/電路所需要的范圍。針對這一問題，本文提出了一種基于I2C總線的新型可編程增益放大器的設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)輸入的模擬信號大小，自動選擇量程進(jìn)行放大/衰減。

可編程增益放大器的硬件電路

　　遙感遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分通常包括一個可編程增益放大器，來確保不

　　同幅度的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為滿分辨率的信號。大的信號需要少量甚至無需放大，小的信號則需要高放大倍數(shù)來減少轉(zhuǎn)換器噪音的影響。對于動態(tài)范圍很大的模擬輸入信號，就需要根據(jù)信號的大小提供相應(yīng)的放大倍數(shù)，本文提出的可編程增益放大電路就是通過單片機(jī)改變輸出數(shù)字量來控制放大電路的增益，從而達(dá)到控制輸出信號幅度的目的。
其原理框圖如圖1所示。

圖1 可編程增益放大器硬件原理圖

　　按照功能，硬件可分為五個部分：（1）增益可變放大器；（2）微控制器；（3）數(shù)字電位器；（4）多路開關(guān)選擇。

電路特點(diǎn)及功能

　　該電路以單片機(jī)89C2051為核心組成微處理系統(tǒng)，用軟件實(shí)現(xiàn)放大器增益的智能控制。該電路先對輸入信號的大小進(jìn)行判斷，以一定算法得到相應(yīng)放大倍數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為增益碼再通過I2C總線傳遞給數(shù)字電位器，選擇相應(yīng)的反饋電阻輸出，從而改變放大器的放大倍數(shù)。

微控制器及A/D轉(zhuǎn)換電路

　　在模擬輸入信號進(jìn)入微控制器前，首先要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，本文微控制器部分選用單片機(jī)AT89C2051，充分利用AT89C2051在對單輸入信號的A/D轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)勢。該芯片利用P1.0、P1.1兩個I/O口，再配以簡單的外圍電路，通過軟件編程即可實(shí)現(xiàn)單輸入的A/D轉(zhuǎn)換，不需要專門的外部A/D芯片，該方法降低了開發(fā)成本、減少了電路體積和器件。

數(shù)字電位器

　　AT89C2051對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的放大倍數(shù)，轉(zhuǎn)化為增益碼輸出到數(shù)字電位器，由增益碼控制數(shù)字電位器的阻值輸出，從而改變增益可變放大器的放大倍數(shù)。

　　本文數(shù)字電位器采用Xicor公司的X9241芯片，該芯片是把四個非易失性數(shù)控電位器集成在一個單片的CMOS微電路。單個數(shù)控電位器包含63個電阻單元，可實(shí)現(xiàn)64級增益控制，四個電位器串聯(lián)則可以提供256級的增益控制。若256級增益設(shè)置仍然不能滿足大動態(tài)范圍信號的要求，那么可以采用多片X9241串聯(lián)的方法解決。

　　在每個電阻單元之間和二個端點(diǎn)都有可以被滑動單元訪問的抽頭點(diǎn)，滑動單元在陣列中的位置由用戶通過I2C串行總線傳遞增益碼來控制，X9241自帶I2C二線接口，接法簡單，使用方便，可靈活控制滑臂位置，改變阻值大小。

增益可變放大器及多路選擇開關(guān)

　　X9241芯片的四數(shù)控電位器集成特性提供了足夠大的阻值范圍，可滿足大動態(tài)范圍信號放大的增益要求。

　　因此根據(jù)模擬輸入信號的大小，通過單片機(jī)獲得相應(yīng)的增益控制碼，同時控制多路選擇開關(guān)，選擇X9241相應(yīng)的檔位輸出，即可獲得不同的阻值大小，控制增益可變放大器的放大倍數(shù)。

　　本文選用的增益可變放大器為ADI公司的AD623，具有低噪聲、高共模抑制比和低漂移等優(yōu)點(diǎn)。AD623可產(chǎn)生的增益范圍，性能極限主要決定于外部電阻。其中由X9241提供，具體設(shè)計(jì)時采用X9241W芯片，其內(nèi)部四個數(shù)控電位器的阻值均為，因此其增益范圍為，增益誤差小于0.05%，且呈現(xiàn)極好的交流特性，具有25MHz的增益帶寬積、的轉(zhuǎn)換速率和的響應(yīng)時間。

可編程增益放大器的軟件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，數(shù)字電位器滑臂位置的控制起著非常重要的作用，對它的控制是通過總線實(shí)現(xiàn)的?？偩€是目前常用的一種雙向串行總線，其二線制的結(jié)構(gòu)非常簡單，可靠性和抗干擾性較好，同時具有接法簡單、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

　　單片機(jī)AT89C2051沒有專用的總線接口，要用普通I/O口來模擬實(shí)現(xiàn)，所以對該可編程增益放大器的設(shè)計(jì)來說，其軟件模擬總線的實(shí)現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)中就顯得相當(dāng)重要。
　　在單片機(jī)中使用I/O口模擬總線時，只需將單片機(jī)的兩個I/O口，在軟件中分別定義成SCL（串行時鐘信號）與SDA（串行數(shù)據(jù)信號），與X9241的兩個接口連接，再加上上拉電阻即可。其連接圖為：

圖2 單片機(jī)與X9241之間的I2C連接

　　普通口模擬I2C總線的硬件連接非常簡單，主要是軟件模擬I2C總線的數(shù)據(jù)傳送。一次完整的數(shù)據(jù)傳送包括開始、數(shù)據(jù)發(fā)送、應(yīng)答以及停止等典型信號。此外，在軟件模擬過程中，還需注意的一點(diǎn)，即對標(biāo)準(zhǔn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，規(guī)定了嚴(yán)格的時序要求，以保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性。I2C總線上時鐘信號的最小低電平周期為，最小高電平周期為，總線時鐘頻率為，根據(jù)這些要求，具體實(shí)現(xiàn)時，我們采用時鐘信號的最小、最高周期均定為。

　　圖3為軟件模擬I2C總線控制數(shù)字電位器的流程圖。對X9241的控制主要由三個字節(jié)實(shí)現(xiàn)，第一字節(jié)為器件地址，即X9241的地址；第二字節(jié)為命令內(nèi)容和電位器的選擇，即選擇讀/寫四個電位器中的哪一個；第三字節(jié)為滑臂位置控制，即選擇具體的阻值大小。

圖3 軟件模擬I2C總線控制數(shù)字電位器的流程圖

結(jié)語

　　按照上述方法設(shè)計(jì)的可編程增益放大電路，克服了傳統(tǒng)可編程放大器增益范圍小的缺點(diǎn)，X9241四數(shù)字電位器的串聯(lián)使用，擴(kuò)大了增益范圍、提高了增益精度。此外，便于與單片機(jī)接口，可以在線修改，調(diào)整設(shè)計(jì)。I2C總線的運(yùn)用降低了噪聲干擾，在干擾環(huán)境下也能夠高精度放大信號，簡化了設(shè)計(jì)。

　　上述設(shè)計(jì)經(jīng)系統(tǒng)整體調(diào)試，放大器的非線性誤差，增益為100和500時的輸出噪聲分別為20mV和50mV，共模抑制比，基本滿足預(yù)定的性能要求。該電路已在一些微弱激光檢測系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。