一种单片机控制放大倍数可调的前置放大器的设计

摘 要：利用单片机可编程数字电位器，结合放大器放大倍数的计算公式，设计了一种放大倍数可由单片机控制改变的放大电路。

关键词：放大器； 数字电位器； 可编程

中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2011）9-180-001

在利用传感器对信号进行采集的过程中，一般需要对被测量的多个测量点间的电位差进行多种组合测量，由于被测信号大多属于微弱信号，因此需要对这样的电位差进行放大，因此，前置放大器采用差动电路形式[1]。同时，为了提高放大器对不同幅度信号的适应能力，既输出信号电压不能超出放大电路的最大输出电压，又能使不同幅度的信号获得最佳的放大倍数，可以采用可编程数字电位器代替放大电路中的有效电阻，同时结合单片机的控制来实现放大倍数可调的放大器的设计。

一、前置放大器的设计

为了实现放大器的高性能指标，必须要求前置放大器具有低噪声和高共模抑制比的特点。为了使放大电路具有高输入阻抗和高共模抑制比，在前置放大器中采用同相并联差动放大电路形式（图1）[2]。

二、单片机可编程数字电位器的控制

从式（4）可以看出，放大电路的放大倍数计算非常简单，通过改变其中一个或几个电阻的阻值就可以改变放大倍数的大小。为了使放大电路的硬件设计完成之后，使放大倍数仍然具有可调的功能，我们可以用可编程数字电位器来代替电路中的某个电阻，这样就可以通过单片机控制可编程数字电位器电阻值的变化，进而调节电路的放大倍数，因此，放大倍数可调的前置放大器的核心是可编程数字电位器。

本系统中使用的可编程数字电位器为CAT5112，CAT5112是一个简单的可编程数字电位器（DPPTM）（图2），在电子线路中，它可以完全取代机械电位器和微调电阻[3]。

CAT5112 包含一个连接到RH和RL两端的32抽头串联电阻阵列。由三个输入控制管脚CS、D/U、和INC来控制滑片点。INC输入用来使滑片朝着由D/U输入的逻辑状态决定的方向来移动，CS输入用来选择器件和在掉电前保存滑片点的位置。

CAT5112的操作类似于一个数字控制的电位器，它的RH和RL端等效于高端和低端，RWB等效于机械电位器的滑动片。包括电阻端点RH和RL在内，电位器含有32个可用的抽头。在RH和RL端之间串联了31个电阻单元。滑动片端RWB和32个抽头中的一个相连，由三个输入端INC，U/D和CS来控制。这些输入端控制着一个5位的递增/递减计数器，它的输出被译码后用来选择RWB的位置。通过INC和CS输入端可将选择的滑动片位置存放到非易失性NVRAM中。对CAT5112的操作方法见表1。

CAT5112的CS、U/D、和INC分别和单片机的P2.0、P2.1和P2.2相连，使滑动片向RH端移动一个增量的程序为：

SET1：SETB P2.0

SETB P2.2

SETB P2.1

CLRP2.2

CAT5112具有10k?赘、50k?赘和100k?赘三种规格，若选用100k?赘规格，则可调电阻量程范围为3k?赘～100k?赘，如果用CAT5112代替放大器中电阻R3和R4，根据式（），则可得放大器放大倍数可调节范围为4～100倍。

三、总结

利用可编程数字电位器来代替放大电路中有效电阻的方法，虽然结构较复杂，除了需要利用单片机检测信号幅度的大小以便选择放大倍数之外，同时还需要利用单片机对可编程数字电位器的阻值进行控制，但在某些被测量信号幅度波动较大的场合，通过控制放大电路放大倍数，可以使不论是大信号还是小信号都可以得到最佳的放大倍数，使放大电路的性能得到充分的利用。

基金项目：河北省教育厅自然科学研究指导计划项目“大学物理数字化实验室开发平台”（Z2010103）。

参考文献：

[1]蔡建新，张唯真.生物医学电子学. 北京：北京大学出版社，1997

[2]伟利国.基于脑电事件相关电位的心理测试研究. 北京理工大学硕士论文，2003

[3]CAT5112使用手册