ERT中多通道程控增益放大電路設(shè)計 - 全文

　　電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技術(shù)是基于電學敏感原理對物場中的電阻率信息進行檢測的一種過程層析成像(Process Tomography)技術(shù)。該技術(shù)具有無輻射、可視化、非侵入等優(yōu)點，使得ERT技術(shù)在工業(yè)過程檢測和醫(yī)學臨床監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　在基于并行數(shù)據(jù)采集的ERT系統(tǒng)中，由于各測量電極上輸出的電壓信號不同，則各采樣通道送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓信號也各不相同，因此不能采用固定增益的放大電路對信號進行放大。同時，由于所要測量的微弱信號的動態(tài)范圍較寬，所以要求各通道中的放大電路能根據(jù)輸入信號的大小，而做出相應(yīng)的增益調(diào)整，從而提高整個系統(tǒng)的分辨率。文中就上面的問題，對多通道的程控放大電路設(shè)計展開研究。

　　1 多通道程控放大電路的系統(tǒng)組成

　　由多通道程控放大電路組成的采樣電路的基本組成如圖1所示。整個電路由放大模塊、增益控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控器以及EEPR-OM模塊組成。放大電路將微弱的輸入信號放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的合適量程范圍內(nèi)。

　　程控放大的過程為：檢測測量電極上輸出的電壓信號，判斷是否滿足A/D轉(zhuǎn)換的輸人要求，若不滿足則微控器利用增益控制模塊對放大電路進行增益控制，使其達到要求。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　在多通道程控放大電路的硬件設(shè)計中，主要是設(shè)計信號放大模塊，增益控制模塊以及微控器模塊。其中信號放大模塊的主要功能是放大各通道輸出的微弱信號;而增益控制模塊主要是檢測放大后的信號是否滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，若不滿足則控制信號放大模塊，進行程控放大;反之，則不做任何輸出變化，微控器模塊主要完成對增益模塊的控制。

　　2.1 信號放大模塊

　　在信號放大模塊的設(shè)計中，所涉及的芯片包括INA128，AD603和AD817。設(shè)計原理圖如圖2所示。

　　由于ERT系統(tǒng)測量的信號是mV級甚至更小，而在多通道程控放大的電路中信號是同時采集放大的，容易出現(xiàn)共模干擾，為保證信號的有效性，去掉干擾，圖中選用儀表放大器INA128以減少干擾。其中INA128具有低輸入失調(diào)電壓50μV;低失調(diào)電壓漂移0.5μV/℃;高輸入阻抗;低輸入偏置電流5 nA;高共模抑制比120 dB(G=100)等優(yōu)點。

　　設(shè)計中差動放大器部分采用集成運算放大器AD603和運算放大器AD817構(gòu)成兩級放大，其中AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，所以增益控制模塊主要是對AD603進行程序調(diào)控;而將AD817的電路部分連接成固定的增益放大倍數(shù)。

　　AD603是美國ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90 MHz帶寬增益可調(diào)的集成運放，壓擺率為275 V/μs。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11～+30 dB時的帶寬為90 MHz，增益在9～41dB時具有9MHz帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。而增益的大小則由AD603的管腳1和管腳2間提供的電壓差來決定，增益公式為

　　其中，VG=VGPOS-VGNEG，且VC在-500～+500 mV間變化。

　　AD817是一款低成本、低功耗、高速運算放大器，采用單電源或雙電源供電，具有50 MHz的單位增益帶寬、350μs的壓擺率以及45 ns的0.1%建立時間等特點。圖2中將AD817的電路連接成固定增益放大倍數(shù)的電路，使得它與前級的AD603順連，擴大放大倍數(shù)。

　　2.2 增益控制模塊

　　增益控制模塊主要是為AD603管腳1和管腳2提供電壓，通過控制兩管腳間的壓差變化來改變增益的大小。對于ERT并行數(shù)據(jù)采集中的程控放大電路，為在一定程度上減少系統(tǒng)的復(fù)雜度，固定管腳2的電壓，通過改變管腳1的電壓值來改變壓差VC，進而改變增益G的大小。增益控制模塊的原理圖如圖3和圖4所示。

　　圖3中選擇D/A轉(zhuǎn)換器芯片AD8600輸出電壓，當輸出電壓發(fā)生變化時，多通道程控放大電路中芯片AD603管腳1上的電壓值也發(fā)生改變。其中AD8600是含有16個可獨立尋址的電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器芯片，每一個DAC都具有各自的DAC寄存器和輸入寄存器，但所有的DAC共用一個基準輸入電壓。芯片的數(shù)字接口包括一個8位并行數(shù)據(jù)輸入端、4根地址信號線以及

控制信號線等。AD8600是8位的DAC芯片，它的輸出電壓擺幅在DACGND至外部基準電壓KREF之間。

　　為使AD603管腳1和管腳2間的壓差VG在-500～+500 mV間變化，而AD8600的輸出電壓由它的電壓基準決定，固定管腳2上的電壓為0.5 V，使管腳1上的輸入電壓在0～1 V之間輸出，基準電壓芯片選擇ADI公司的ADR510。ADB510是一款低電壓、精密、分流模式的基準電壓源，溫度系數(shù)為70×10-6/℃，它具有高精度和超低噪聲性能。

　　2.3 微控器模塊

　　微控器是整個控制電路的核心，采用LPC2366芯片作為整個設(shè)計電路的控制器件，在ERT的多通道程控放大電路設(shè)計中，應(yīng)用它來控制AD8600進行電壓輸出。該芯片是基于ARM7TDMI—S處理器，可在72MHz的工作頻率下運行，其中ARM7TDMI—S是一個通用的32位微處理器，具有高性能和低功耗的特點。同時它還包含了10/100 Ethernet MAC、USB2.0全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口(SSP)、3個I2C接口、1個I2S接口、70個通用I/O管腳。

　　2.4 EEPROM模塊

　　EEPROM模塊主要保存多通道程控放大電路中所設(shè)置的增益值，通過讀取EEPROM中保存的增益值大小，從而得到程控放大電路的放大倍數(shù)，也可減少增益的設(shè)置時間。選用ST公司M24128BW芯片，它支持I2c總線模式，標準模式頻率為100 kHz，快速模式下頻率為400 kHz，可達1 000 000寫周期。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　多通道程控放大程序主要是在系統(tǒng)開機和接收到相應(yīng)命令后，進行增益自動設(shè)置。通過控制AD8600芯片的輸出電壓，從而改變AD603管腳1和管腳2間的壓差VG達到調(diào)整增益的效果。每次設(shè)置的電壓值保存在EEPROM芯片中，通過讀取設(shè)置電壓值可知信號處理模塊的確切增益，也可減少增益設(shè)置的時間。程序設(shè)計流程如圖5所示。

　　4 實驗結(jié)果

　　為驗證ERT中多通道程控放大電路的設(shè)計方案，在Muhisim中對這部分電路進行了仿真，如圖6和圖7所示。其中深黑色線代表輸入的電壓信號大小，而淺黑色線代表輸出的電壓信號大小。由圖可以看出，輸出信號與輸入信號是反向的，那是因為芯片AD817所組成的電路是反向的10倍固定增益放大。圖6中AD603管腳1與管腳2間的壓差為500 mV，由增益公式G=40 VG+30，G在+10～+50 dB范圍內(nèi)，可知通道程控放大電路總的放大倍數(shù)約為3 000倍，可以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的輸入要求。