ERT中多通道程控增益放大电路设计

摘要 针对ERT(电阻层析成像)，并行数据采集中通道数多且采集到的微弱信号变化范围较大的特点，提出了一种新的多通道程控增益放大电路设计方案。方案中通过检测各通道中输入信号的大小，相应地调节各通道输入信号的放大倍数。使其满足模数转换器(ADC)的输入要求，从而进行A／D采样。介绍了基于AD603的程控增益放大电路设计方案，实现方法以及实验结果。研究设计的多通道程控增益放大电路具有一定的通用性。
关键词 ERT；多通道；程控增益；AD603

电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技术是基于电学敏感原理对物场中的电阻率信息进行检测的一种过程层析成像(Process Tomography)技术。该技术具有无辐射、可视化、非侵入等优点，使得ERT技术在工业过程检测和医学临床监控等领域具有广阔的应用前景。
在基于并行数据采集的ERT系统中，由于各测量电极上输出的电压信号不同，则各采样通道送到模数转换器输入端的电压信号也各不相同，因此不能采用固定增益的放大电路对信号进行放大。同时，由于所要测量的微弱信号的动态范围较宽，所以要求各通道中的放大电路能根据输入信号的大小，而做出相应的增益调整，从而提高整个系统的分辨率。文中就上面的问题，对多通道的程控放大电路设计展开研究。

1 多通道程控放大电路的系统组成
由多通道程控放大电路组成的采样电路的基本组成如图1所示。整个电路由放大模块、增益控制模块、A／D转换模块、微控器以及EEPR-OM模块组成。放大电路将微弱的输入信号放大到模数转换器的合适量程范围内。

程控放大的过程为：检测测量电极上输出的电压信号，判断是否满足A／D转换的输人要求，若不满足则微控器利用增益控制模块对放大电路进行增益控制，使其达到要求。

2 系统硬件设计
在多通道程控放大电路的硬件设计中，主要是设计信号放大模块，增益控制模块以及微控器模块。其中信号放大模块的主要功能是放大各通道输出的微弱信号；而增益控制模块主要是检测放大后的信号是否满足A／D转换器的输入要求，若不满足则控制信号放大模块，进行程控放大；反之，则不做任何输出变化，微控器模块主要完成对增益模块的控制。
2．1 信号放大模块
在信号放大模块的设计中，所涉及的芯片包括INA128，AD603和AD817。设计原理图如图2所示。

由于ERT系统测量的信号是mV级甚至更小，而在多通道程控放大的电路中信号是同时采集放大的，容易出现共模干扰，为保证信号的有效性，去掉干扰，图中选用仪表放大器INA128以减少干扰。其中INA128具有低输入失调电压50μV；低失调电压漂移0．5μV／℃；高输入阻抗；低输入偏置电流5 nA；高共模抑制比120 dB(G=100)等优点。[p]
设计中差动放大器部分采用集成运算放大器AD603和运算放大器AD817构成两级放大，其中AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片，所以增益控制模块主要是对AD603进行程序调控；而将AD817的电路部分连接成固定的增益放大倍数。
AD603是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90 MHz带宽增益可调的集成运放，压摆率为275 V／μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30 dB时的带宽为90 MHz，增益在9～41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。而增益的大小则由AD603的管脚1和管脚2间提供的电压差来决定，增益公式为

其中，VG=VGPOS-VGNEG，且VC在-500～+500 mV间变化。
AD817是一款低成本、低功耗、高速运算放大器，采用单电源或双电源供电，具有50 MHz的单位增益带宽、350μs的压摆率以及45 ns的0．1％建立时间等特点。图2中将AD817的电路连接成固定增益放大倍数的电路，使得它与前级的AD603顺连，扩大放大倍数。
2．2 增益控制模块
增益控制模块主要是为AD603管脚1和管脚2提供电压，通过控制两管脚间的压差变化来改变增益的大小。对于ERT并行数据采集中的程控放大电路，为在一定程度上减少系统的复杂度，固定管脚2的电压，通过改变管脚1的电压值来改变压差VC，进而改变增益G的大小。增益控制模块的原理图如图3和图4所示。

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图3中选择D／A转换器芯片AD8600输出电压，当输出电压发生变化时，多通道程控放大电路中芯片AD603管脚1上的电压值也发生改变。其中AD8600是含有16个可独立寻址的电压输出型D／A转换器芯片，每一个DAC都具有各自的DAC寄存器和输入寄存器，但所有的DAC共用一个基准输入电压。芯片的数字接口包括一个8位并行数据输入端、4根地址信号线以及控制信号线等。AD8600是8位的DAC芯片，它的输出电压摆幅在DACGND至外部基准电压KREF之间。
为使AD603管脚1和管脚2间的压差VG在-500～+500 mV间变化，而AD8600的输出电压由它的电压基准决定，固定管脚2上的电压为0．5 V，使管脚1上的输入电压在0～1 V之间输出，基准电压芯片选择ADI公司的ADR510。ADB510是一款低电压、精密、分流模式的基准电压源，温度系数为70×10-6／℃，它具有高精度和超低噪声性能。
2．3 微控器模块
微控器是整个控制电路的核心，采用LPC2366芯片作为整个设计电路的控制器件，在ERT的多通道程控放大电路设计中，应用它来控制AD8600进行电压输出。该芯片是基于ARM7TDMI—S处理器，可在72MHz的工作频率下运行，其中ARM7TDMI—S是一个通用的32位微处理器，具有高性能和低功耗的特点。同时它还包含了10／100 Ethernet MAC、USB2．0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口、1个I2S接口、70个通用I／O管脚。
2．4 EEPROM模块
EEPROM模块主要保存多通道程控放大电路中所设置的增益值，通过读取EEPROM中保存的增益值大小，从而得到程控放大电路的放大倍数，也可减少增益的设置时间。选用ST公司M24128BW芯片，它支持I2c总线模式，标准模式频率为100 kHz，快速模式下频率为400 kHz，可达1 000 000写周期。

3 系统软件设计
多通道程控放大程序主要是在系统开机和接收到相应命令后，进行增益自动设置。通过控制AD8600芯片的输出电压，从而改变AD603管脚1和管脚2间的压差VG达到调整增益的效果。每次设置的电压值保存在EEPROM芯片中，通过读取设置电压值可知信号处理模块的确切增益，也可减少增益设置的时间。程序设计流程如图5所示。

4 实验结果
为验证ERT中多通道程控放大电路的设计方案，在Muhisim中对这部分电路进行了仿真，如图6和图7所示。其中深黑色线代表输入的电压信号大小，而浅黑色线代表输出的电压信号大小。由图可以看出，输出信号与输入信号是反向的，那是因为芯片AD817所组成的电路是反向的10倍固定增益放大。图6中AD603管脚1与管脚2间的压差为500 mV，由增益公式G=40 VG+30，G在+10～+50 dB范围内，可知通道程控放大电路总的放大倍数约为3 000倍，可以满足模数转换器A／D的输入要求。

图7中，AD603管脚1与管脚2间的压差为-400 mV，根据增益公式，可知多通道程控放大电路总的放大倍数约为50倍。

5 结束语
采用多通道程控放大电路设计方案，可以解决当通道数多、信号变化范围大时使用固定增益放大电路的缺点，同时利用D／A转换器芯片AD8600，根据输出电压的步进值大小精确地知道放大倍数变化的大小。