一种自动增益放大电路的制作方法

1.本实用新型涉及仪器仪表及硬件电路技术领域，具体为一种自动增益放大电路。


背景技术：

2.目前国际形势严峻、由于相关芯片的技术和供货限制，使得相关芯片价格大涨，供货周期远远大于产品供货周期，对企业和市场造成了很大的冲击，pga芯片就是其中一类。
3.pga芯片作为仪器仪表类硬件电路中不可或缺的一类芯片，需求量大、其重要性不言而喻。因此亟需解决企业所面临的芯片短缺的问题，辅助企业降低芯片采购成本，辅助企业实现增产增效。此外，传统pga芯片可调增益倍数有限，且为固定倍数，对于有更大的可调增益范围、更多或特殊的增益放大倍数需求的场合，传统pga芯片就有较大局限性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种自动增益放大电路，其为一种用于代替pga芯片的可编程自动增益放大电路，具体涉及一种以模拟电路为基础、使用基础阻容元件、运放和模拟开关等简单芯片构成的自动增益放大电路，解决企业所面临的芯片短缺的问题。
5.本实用新型提供了一种自动增益放大电路，包括：
6.仪表放大电路，其包括运算放大器u1、运算放大器u3、模拟开关u2，并且运算放大器u1、运算放大器u3、模拟开关u2上分别连接有多个电阻、电容元件，用于对输入信号进行一级放大处理以及滤波处理；
7.所述运算放大器u1的同相输入端连接输入信号，其反相输入端与模拟开关u2连接，其输出端与运算放大器u3的输入端连接；
8.部分所述电阻分别与模拟开关u2上的引脚连接后再相互并联，再与运算放大器u3连接；另一部分所述电阻及所述多个电容分别与运算放大器u1、运算放大器u3连接；
9.正向放大电路，其包括运算放大器u4、模拟开关u5、模拟开关u6，并且运算放大器u4、模拟开关u5、模拟开关u6上分别连接有多个电阻、电容元件，用于对输入信号进行二级、三级放大处理；
10.在所述正向放大电路，所述运算放大器u4的同相输入端与经过一级放大处理后的输入信号连接，其反相输入端分别与模拟开关u5、模拟开关u6连接；
11.部分所述电阻相互串联后，与模拟开关u5上的引脚并联；另一部分所述电阻相互串联后，与模拟开关u6上的引脚并联；剩余部分所述电阻及所述多个电容分别与运算放大器u4连接。
12.进一步地，在所述仪表放大电路中的模拟开关u2的引脚上所连接的电阻中，相互对称分布的两个电阻的阻值相等。
13.进一步地，所述运算放大器u1包括运算放大器u1a、运算放大器u1b；所述运算放大器u3包括运算放大器u3a、运算放大器u3b；
14.所述运算放大器u1a的同相输入端与输入信号连接，其反相输入端模拟开关u2上
的引脚连接，其输出端与运算放大器u3a的同相输入端连接；
15.所述运算放大器u1b的同相输入端接地，反相输入端与模拟开关u2上的引脚连接，其输出端与运算放大器u3a的反相输入端连接；
16.所述运算放大器u3a的输出端与运算放大器u3b的同相输入端连接，所述运算放大器u3b的反相输入端接地，所述运算放大器u3b的输出端输出经一级放大处理后的信号。
17.进一步地，在所述仪表放大电路中的部分所述电阻分别与模拟开关u2上的引脚连接后再相互并联，再与运算放大器u3a连接。
18.进一步地，所述运算放大器u4包括运算放大器u4a、运算放大器u4b；
19.所述运算放大器u4a的同相输入端与运算放大器u3b的输出端连接，其反相输入端模拟开关u5上的引脚连接，其输出端与运算放大器u4b的同相输入端连接；
20.所述运算放大器u4b的反相输入端模拟开关u6上的引脚连接，其输出端输出经三级放大处理后的信号。
21.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
22.本实用新型提出一种自动增益放大电路，主要元器件包括三个模拟开关、三组运放(实现三级放大)和若干阻容器件，电路组成简单易懂，采用最基本的模拟电路原理，实现输入信号值的放大，通过控制各个模拟开关的不同通道的选通，实现接入电阻值的不同，可根据理论计算，实现不同的放大倍数。
23.本实用新型中的自动增益放大电路参数设置灵活、使用方式简单，可在一定程度上代替传统pga器件，用于信号放大。节省了企业采购成本，提高电路的可用性。
附图说明
24.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
25.图1是本实用新型提出的一种自动增益放大电路的结构示意图；
26.图2是本实用新型提出的一种自动增益放大电路的的自动增益放大电路原理图；
27.图3是本实用新型提出的一种自动增益放大电路的实施例中的工作流程图。
具体实施方式
28.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
29.实施例
30.如图1-3所示，一种自动增益放大电路，包括：
31.仪表放大电路，其包括运算放大器u1、运算放大器u3、模拟开关u2，并且运算放大器u1、运算放大器u3、模拟开关u2上分别连接有多个电阻、电容元件，用于对输入信号进行一级放大处理以及滤波处理；
32.在仪表放大电路中，运算放大器u1的同相输入端连接输入信号，其反相输入端与模拟开关u2连接，其输出端与运算放大器u3的输入端连接；
33.部分所述电阻分别与模拟开关u2上的引脚连接后再相互并联，再与运算放大器u3连接；另一部分所述电阻及所述多个电容分别与运算放大器u1、运算放大器u3连接；
34.正向放大电路，其包括运算放大器u4、模拟开关u5、模拟开关u6，并且运算放大器u4、模拟开关u5、模拟开关u6上分别连接有多个电阻、电容元件，用于对输入信号进行二级、三级放大处理；
35.在正向放大电路，运算放大器u4的同相输入端与经过一级放大处理后的输入信号连接，其反相输入端分别与模拟开关u5、模拟开关u6连接；
36.部分电阻相互串联后，与模拟开关u5上的引脚并联；另一部分电阻相互串联后，与模拟开关u6上的引脚并联；剩余部分电阻及多个电容分别与运算放大器u4连接。
37.本实用新型中使用三个模拟开关，即：模拟开关u2、模拟开关u5、模拟开关u6；三组运放，即运算放大器u1、运算放大器u3、运算放大器u4，实现三级放大；若干阻容器件，构成基本电路结构，无过多冗余设计，采用最基本的模拟电路原理，实现电路的信号放大，通过控制各个模拟开关的选通，实现运放端接入电阻值的不同，从而实现不同的放大倍数。
38.如图2所示，在仪表放大电路中，在模拟开关u2的引脚上所连接的电阻中，相互对称分布的两个电阻的阻值相等。
39.利用仪表放大电路对输入信号(以ultrasonic_signal为例)进行一级放大，其中仪表放大电路要实现改变增益的设计，电阻配平是仪表放大电路实现改变增益的关键设计点，该电路r2与r16，r6与r15，r8与r13，r7与r9分别使用阻值相同的低温漂精密电阻来保证电阻配平的准确性和一致性，防止温度梯度对电路增益的影响，通过控制运算放大器u1进行开关切换，实现阻值变化，增益可调，其余电阻、电容元件做rc滤波，对信号做简单滤波处理。
40.如图2所示，在仪表放大电路中，运算放大器u1包括运算放大器u1a、运算放大器u1b；运算放大器u3包括运算放大器u3a、运算放大器u3b；
41.运算放大器u1a的同相输入端与输入信号连接，其反相输入端模拟开关u2上的引脚连接，其输出端与运算放大器u3a的同相输入端连接；
42.运算放大器u1b的同相输入端接地，反相输入端与模拟开关u2上的引脚连接，其输出端与运算放大器u3a的反相输入端连接；
43.运算放大器u3a的输出端与运算放大器u3b的同相输入端连接，运算放大器u3b的反相输入端接地，运算放大器u3b的输出端输出经一级放大处理后的信号。
44.在所述仪表放大电路中，部分电阻分别与模拟开关u2上的引脚连接后再相互并联，再与运算放大器u3a连接。
45.如图2所示，运算放大器u4包括运算放大器u4a、运算放大器u4b；
46.运算放大器u4a的同相输入端与运算放大器u3b的输出端连接，其反相输入端模拟开关u5上的引脚连接，其输出端与运算放大器u4b的同相输入端连接；
47.运算放大器u4b的反相输入端模拟开关u6上的引脚连接，其输出端输出经三级放大处理后的信号。
48.信号经过一级放大并简单滤波后，再次输入由运算放大器u4a和模拟开关u5构成第一正向放大电路，模拟开关u5接入运算放大器u4a的反馈环路，仍然通过控制模拟开关u5切换，使运算放大器u4a接入的电阻值各不相同，由正向放大电路增益计算公式可得不同阻值匹配下的增益值，实现可控二级放大；同理，运放运算放大器u4b和模拟开关u6构成第二正向放大电路，实现第三级放大。
49.在本实用新型中的三级放大过程中，可控自动增益均是通过单片机控制每一级的模拟开关选通实现的，不同选通状态下，增益不同。
50.如图3中，当传感器的输入信号输入到自动增益放大电路中，自动增益放大电路中的仪表放大电路、第一正向放大电路、第二正向放大电路，每一级分别根据模拟开关通道数量和操作选通数量可以进行多种增益配置，并根据实际信号质量进行电阻匹配，达到多级、多增益、自动可控放大，三级各增益互相搭配，增益范围可以大大增加。最后经过滤波电路和信号采集/转换电路，将信号信息传入主控芯片的单片机进行进一步计算。
51.下面结合具体的实施例做具体实施方式的说明。
52.1、运算放大器u1、运算放大器u3、运算放大器u4，分别选用opa1662，也可选择其他型号的运放代替；
53.模拟开关u2选用tpw4052-tp(2路4选1模拟开关)；
54.模拟开关u5、模拟开关u6选用tpw4051-tp(1路8选1模拟开关)；
55.如图2中，3个模拟开关接入的电阻，r2、r6、r8、r10、r13、r15、r16、r19、r20、r21、r22、r24、r25、r26、r27、r28、r29、r30、r31、r32、r33、r34、r35，均选用1kω低温漂精密电阻(为方便计算举例说明)，其余电阻均选用10k电阻，电容选用0.1uf。
56.2、电路增益计算
57.控制模拟开关u2，选择a3、b3导通，根据公式可得增益k1：
58.k1＝1+(r2+r6+r8+r13+r15+r16)/r10
59.＝1+2(r2+r6+r8)/r10
60.＝7
61.控制模拟开关u5，选择a4导通，根据公式可得增益k2：
62.k2＝1+(r19+r21+r24+r26)/(r28+r30+r32+r34)
63.＝2
64.同理，控制模拟开关u6，选择a4导通，根据公式可得增益k3：
65.k3＝1+(r20+r22+r25+r27)/(r29+r311+r33+r35)
66.＝2
67.综上可得三级放大电路总增益：
68.k＝k1
×
k2
×
k3＝7
×2×
2＝28
69.其余阻容件做简单滤波使用，可以根据设计要求进行更改。
70.以图2为例，由单片机控制3个模拟开关的通道导通，一级增益可选择4种，二、三级增益可选择8种，则共计可实现256种不同增益，根据实际需要可以选用合适的增益值和增益范围，对电阻进行阻值匹配和各模拟开关的选通，从而实现自动增益放大功能。
71.该自动增益放大电路可以作为一种基础模块电路，用于替代pga器件。在仪器仪表等测量领域，通常都需要将传感器检测到的微小信号进行放大，因此pga器件必不可少。在考虑现成器件成本和供货周期的情况下，可以使用该电路进行替代，在很大程度上能节省成本；电路中使用到的器件均为简单、性能稳定、国产化方案成熟的基础元器件，可以快速提高生产效率；电路接口清晰简洁，方便开发人员快速迭代。其最大的优势在于电路放大倍数由电阻值匹配得出，可以根据设计要求增加或减少增益个数和增益值，方便不同产品的不同要求，具有很强的实用性和通用性。
72.最后说明的是：以上公开的仅为本实用新型的一个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。