引 言
在許多數據采集現場，特別是小信號工業現場的數據采集系統，由于信號源的多樣性，常常需要采集系統的前向通道，具有可變的放大倍數，使之能對測量信號進行滿量程放大，保證測量精度。因此，多數采集系統的前向通道，需要可編程放大器的支持。
目前，采集系統的前向通道，一般采用外接電阻和模擬開關來實現可編程的增益變換，使得編程放大器的放大倍數，級差變化較大，可調整范圍較小，對外接電阻的精度要求較高，且需要較復雜的接口電路，給設計和應用帶來了諸多不便。根據電子技術理論，利用D/A轉換器的特有工作原理，實現一種增益可編程的信號放大電路，是一種較好的和經濟的方法，且具有一定的應用和實踐意義。
原理實現
一種R-2R 梯型網絡式D/A 轉換器的原理結構圖如圖l所示。其轉換原理為電阻加權網絡，按需求產生不同的加權電
壓，然后相加得到要轉換的模擬電壓。圖1中VRef為參考電源輸入端，是轉換器輸出電壓的基準； Iout1和Iout2為轉換器模擬量的互補輸出端，由數據控制相應的開關控制，產生對應的電流信號： Rfb為反饋電阻接入端，使得內部網絡可與外部放大器組成閉環回路，完成電壓的疊加； K0 ～K7 為由數字量控制的模擬開關， 控制D/A轉換的數據輸入，實現D/A轉換器的模擬量輸出。
由圖1分析知，該類型的D/A轉換器是由電阻網絡對基準電壓VRef按2i ( i = 0， .， 7)的權值取其電壓分量，由開關控制是否將對應的權值位接入到輸出端上，再由Iout1和Iout2互補輸出。根據電路基本原理，若將Iout1和Iout2輸入至運放，則在運放的輸出端得到如下數學表達關系式
N 為D/A轉換器的數字量輸入值。通過上式可得到，數/模轉換電路(D/A轉換器+運算放大器)的模擬量輸出Vout ，實際是對參考電壓VRef的一種分壓變換，若將VRef看成是輸入電壓信號，則給定數字量與它的字長N 位模2N 的比即可看成是放大倍數， 那么從運算放大器的Vout端，隨著給定數字量的不同，可在輸出信號Vout端，得到與VRef對應關系的輸出信號Vout。因此可利用D/A轉換器，實現對VRef信號端編程的增益變換。
圖1 R-2R梯型網絡式D/A轉換器的原理結構圖
電路設計
通過上述的討論，采用D/A轉換器實現信號的傳輸是可行的。但由式( 1)可看到，若將VRef作為輸出端，在Vout輸出端，只能獲得小于等于一的增益。通過圖1可以看出，VRef、Iout1、Iout2和Rfb端是構成R-2R梯形電阻網絡的模擬信號端口，網絡的組成可由數字接口信號控制。那么對這些端點進行新的組合應用，則可實現增益大于一的編程放大器。其實現原理圖見圖2。
在圖2中，改變原理圖1中信號的接入點，將Rfb端作為放大電路的信號輸入端Vin ，將Iout1端接運算放大器的信號輸入負端，同時將VRef端接運放的輸出，使通過D/A轉換器的內部電阻R網絡，構成了基本放大電路的反饋電阻網絡。這樣由D/A轉換器的R-2R網絡，和運算放大器共同組成了可編程的放大電路。根據運算放大器V + =V - 的虛短原理有
圖2 編程放大器電原理圖
若改變Rin、Rf 的任何一個的阻值，均可改變放大器的放大倍數。故而在該電路中，可由D/A轉換器的數字量輸入改變反饋電阻網絡的投、切，實現Rf 的變化，從而實現放大器增益的可編程。由原理圖2可推得
N 為數字量給定，它的范圍是從0 ～255 (對應DAC0832)的數值，當給定為滿刻度時(255) 10，可獲得近似為1的最小增益；當給定數字為“0”時，則電路中出現放大器反饋電阻開路，運放處于開環狀態，因此理論上，該電路可實現從1～∞的可編程增益。
為了不出現開環增益的情況，在電路中，在運放的輸出與輸入端，并入一兆歐級(電路中為15 MΩ)的電阻，防止出現開路狀態，造成對電路的影響。DAC0832是一片帶雙緩沖輸入的8位D/A轉換器，它具有靈活的數字接口，數字信道具有雙緩沖功能，且可單獨控制；數字接口邏輯支持5 V供電系統，可方便地與微機對接；模擬信道允許正、負15 V的動態擺幅，是一種非常通用D/A轉換器。設計中將其設計為單緩沖模式，WR1，作為編程信號統一控制，該端可作為與微機的接口控制信號應用。當且僅當，該信號為低電平時，才可能將由數據線來的數字，寫入D/A轉換器，否則，D/A轉換器處于保持狀態，既保持放大器的放大倍數不變。其信號傳輸時序如圖3。
圖3 編程信號時序圖
為了實現良好的放大器性能，采用具有FET高阻輸入特性的CA3140運放作為核心放大器，同時采用外部調零電路，對其進行物理調零。以保證放大器的精度。
實驗分析
DAC0832內部電阻網絡是由若干15kΩ 的電阻組成的R-2R網絡，同時，在Iout1和Rfb端內部集成了15kΩ的電阻，為此，我們直接將Rfb作為放大器的信號輸入端。并且由于電阻的集成制造，保證了其參數的一致性，放大器的穩定性能取決于外接運算放大器的性能，電路中采用CA3140可獲得非常穩定的增益。
實驗首先將信號輸入Rfb端接零電平，然后在1、128、256三點不同增益下，分別進行物理調零。采用fluke F45數字萬用表作為測量工具，使得三點的零電位誤差在0. 1%之內，然后將信號輸入端分別接10 mV直流信號和50 Hz、10 mV的正弦信號，并改變其編程放大參數，測量其對應的結果，可得表1的測試參數。
表1 V in = 10 mV直流信號，和V in = 10 mV 50 Hz的正弦信號測試參數
上述的實驗結果表明了該可編程放大器具有非常穩定的倒數增益特性，且控制方式簡單。
結 論
由DAC0832數/模轉換器組成的可編程放大器，由于它所具有的微機接口功能，使得其實現電路簡單可靠，增益調整
簡單，應用靈活方便，擴充了數模轉換器的應用范圍，其缺點是增益倒數數值關系，使得增益與編程數字間不能保持線性變換。本設計的研究，探討了一種數字技術應用于模擬技術的方法，應用數/模轉換器的特性，可方便的實現，如數字給定式信號發生器、電位鑒別器等應用。是一種非常有意義的實驗設計和應用探討。