【摘　要】　概述了程控增益放大器的基本原理，總結了當前程控增益放大器電路的實現方法及其特點。
??? 關鍵詞：程控增益放大器，數字電位器，D／A轉換

1　引　言
　　在自動測控系統和智能儀器中，如果測控信號的范圍比較寬，為了保證必要的測量精度，常會采用改變量程的辦法。改變量程時，測量放大器的增益也應相應地加以改變；另外，在數據采集系統中，對于輸入的模擬信號一般都需要加前置放大器，以使放大器輸出的模擬電壓適合于模數轉換器的電壓范圍，但被測信號變化的幅度在不同的場合表現不同動態范圍，信號電平可以從微伏級到伏級，模數轉換器不可能在各種情況下都與之相匹配，如果采用單一的增益放大，往往使A／D轉換器的精度不能最大限度地利用，或致使被測信號削頂飽和，造成很大的測量誤差，甚至使A／D轉換器損壞。
　　使用程控增益放大器就能很好地解決這些問題，實現量程的自動切換，或實現全量程的均一化，從而提高A／D轉換的有效精度。因此，程控增益放大器在數據采集系統、自動測控系統和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應用。
2　基本原理
　　程控增益放大器（Programmable GainAmplifier，PGA）的基本形式是由運算放大器和模擬開關控制的電阻網絡組成，其基本原理如圖1所示。模擬開關則由數字編碼控制。數字編碼可用數字硬件電路實現，也可用計算機硬件根據需要來控制。
　　由圖1可知放大器增益G：

??? 電路通過數字編碼控制模擬開關切換不同的增益電阻，從而實現放大器增益的軟件控制。
3　程控增益放大器的實現
　　根據程控增益放大器的基本原理，它有多種實現方法。
　 （1）最簡單的實現方法是基于上述基本原理實現的程控增益放大器。該電路由運算放大器、模擬開關、數據鎖存器和一個電阻網絡組成。其特點是可通過選用精密測量電阻和高性能模擬開關組成精密程控增益放大器，但缺點是漂移較大，輸入阻抗不高，電路線路比較復雜。
　　圖2是由數據鎖存器74LS373、4SPST模擬開關MAX313、運放0P07和一個電阻網絡組成的實用精密程控增益放大器電路，通過選擇電阻網絡電阻RF1～RF4和電阻RI的阻值，經模擬開關4個通道的切換與組合，可得到15個不同的放大／衰減增益。 　

?? （2）利用D／A轉換器實現程控增益放大器D／A轉換器內部有一組模擬開關的電阻網絡，用它代替運放反饋部件，與儀表放大器一起可組成程控增益放大／衰減器，再配合軟件判斷功能就可實現數據采集系統的自動切換量程，其原理圖如圖3所示。圖3所示是用兩片D／A轉換器和一片運放組成的程控增益放大／衰減器。
　　把程控增益放大／衰減器的輸入輸出信號分別作為兩片D／A轉換器的參考電壓信號，設兩片D／A為8位DAC，其數字量輸入分別為D1和D2，則根據數模轉換器內部結構分析可知有：

??? 通過對D1和D2的設置，可以實現放大增益的程序控制。根據上述原理構成的程控增益放大／衰減器電路，不僅能實現程控增益量程的多變，而且具有寬的通頻帶，只是其性價比偏高。
?? （3）選用集成程控運算放大器
　　隨著半導體集成電路的發展，目前許多半導體器件廠家將模擬電路與數字電路集成在一起，已推出了單片集成數字程控的增益放大器，例如BURR－BROWN公司的PGAXXX系列產品PGA101、PGA203、PGA206等等，它們具有低漂移、低非線性、高共模抑制比和寬的通頻帶等優點，使用簡單方便，但其增益量程有限，只能實現特定的幾種增益切換。
?? （4）采用數字電位器實現程控增益放大器
　　數字電位器（RDAC）是一種具有數字接口的有源器件，可以很方便地與微控器接口來精確調整其阻值。它具有耐沖擊、抗振動、噪音小、使用壽命長等優點，更重要的是它可以代替電路中的機械電位器，容易實現控制自動化和操作上的智能化，在自動測控系統和智能儀器中得到越來越廣泛的應用。例如應用較為典型的美國Xicor公司推出的X系列固體非易失性數字電位器產品E2POT。本文以X9C104為具體實例，介紹它的功能及在程控增益放大器中的應用。X9C104的功能方框圖如圖4所示。它是一個含有99個電阻單元的電阻陣列，每個電阻單元之間和兩個端點都有可以被滑動端訪問的抽頭，滑動單元的位置由／CS、U／D和／INC三個輸入端控制，滑動端的位置可以被儲存在非易失性存儲器中，使用方便簡單。在微處理器控制系統中，利用它與運放很容易構成程控增益放大器。其特點是它不僅能實現量程多級變化，實現高的增益分辨率，而且線路非常簡單。但由于數字電位器受制造工藝等因素的制約，其通頻帶受限，利用它實現的程控增益放大器高頻頻響特性不理想。下面介紹一種采用此方法在DSP系統中實現的程控增益放大／衰減器。

　　在電路設計中，將兩片數字電位器X9C104配合使用與精密運放OP37構成一程控增益放大／衰減器，電路原理圖如圖5所示。數字電位器的片選信　

號／CS由譯碼電路確定，U／D和／INC兩個控制信號利用DSP的IO0、IO1口輸出，因DSP的IO0、IO1口具有鎖存功能，容易用軟件編程方法輸出滿足數字電位器X9C104要求的時序信號，DSP與數字電位器之間不需要再設計等待狀態發生器，使控制電路大大簡化。設分別為數字電位器X9C104（1）與
　　X9C104（2）的阻值，由圖5知其放大增益G為：
??
通過DSP設置N1、N2的值從而實現增益G。若取R1＝20．2kΩ，R2＝1．01kΩ，則通過N1、N2的組合可
使增益｜G｜在1／120～5的范圍內實現多個可程控的增益變化。
4　結束語
　　上述幾種實現方法各有其不同的特點和應用場合，在實際應用電路中，程控增益放大器的實現要根據不同的要求，選擇相應的實現方式。為了提高程控增益放大倍數的精度，電路要選用精密電阻網絡并要精密匹配，同時要減小電路中控制開關導通電阻的影響，并要根據精度的不同要求選用不同級別的模擬開關。隨著程控增益放大器電路的精度越來越高，應用越來越簡單方便，它在自動測控系統和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應用，并大大加速了測控系統和儀器儀表的自動化、智能化和集成化的發展。
1　趙茂泰．智能儀器原理及應用．北京：電子工業出版社，1999
2　楊欣榮，凌玉華等．現代測控技術與智能儀器．長沙：湖南科學技術出版社，1995