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

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