基於數模轉換的程控增益控制電路和程控衰減電路

2020-12-07 電子發燒友

基於數模轉換的程控增益控制電路和程控衰減電路

Booting 發表於 2020-11-14 12:04:20

1.Abstract

設想一下，要是能用數碼控制的方式控制模擬信號輸出的幅度，信號輸出的增益能得到調節，這樣的話，就可以使用數字邏輯來控制模擬信號幅度了，這樣數位訊號和模擬信號就可以打交道了。模擬信號和數位訊號的轉換常有兩種，模數轉換（ADC或者A/D轉換）和數模轉換（DAC或者D/A轉換）。這裡的程控增益控制電路和程控衰減電路也是基於數模轉換，之所以用增益和衰減，是根據比例係數來說的，若信號輸出比大於1，則說明是在放大信號，也就是幅值在增長，所以用增益更確切；反過來，若信號輸出比小於1，則說明是在縮小信號，也就是幅值在減小，用衰減更確切。本質上是一樣的，兩種說法不同而已了。下面具體來看看怎麼實現。

2.Content

2.1 基本模型

程控電路的基本模型是由運算放大器組成，根據運放虛短和虛斷的特點來構成比例放大電路。先看一個一般的放大電路。

FIG2.1 一般比例放大電路模型

很容易理解，運放管的5腳和6腳電平相同，為低電平，那麼輸入電流為


電路的電壓比例係數就可以轉換成由電阻來確定了。值得注意的是，輸出的電壓是負值，也就是要求運放是雙電源供電的；若是採用單電源供電的運放，只需將5腳6腳的位置換一換，改成上正下負的就可以了，切記的是放大的幅度不要超過運放的供電電壓（運放是不能穩定輸出一個比供電電壓還要大的信號）；不過，在雙電源情況將負值信號搬回到正值區間也比較容易，再用一個反向比例放大電路就可以了，這個比較實用，將圖畫一畫。

FIG2.2放大信號反向

跟第一個電路一樣，有反向和放大的功能，輸出輸入的電壓幅值比取決於R4和R3，要是只做反向功能的話，選取R4的阻值等於R3的阻值就可以了。

電壓比例係數的模擬電路模型就分析完成了，延伸一下，過度到主題上去。

由上述的分析，電壓比例係數可以轉到輸出電阻Ro和輸入電阻Ri的阻值上去，改變電壓比例係數，通常的做法是固定一個電阻，然後將另外一個電阻設置為可調的。至於固定哪一個電阻，這個根據實際情況吧，為了與後文銜接，固定Ro比較合適。固定Ro後，電壓比例係數就與Ri成反向比例關係了。程控比例電路採用這種原理，通過數位訊號的轉換的阻值（歸根結底應該是算電流，不過對電流的控制是電阻，所以也可以用電阻值來衡量），實現電壓比例係數的變化；如何用數位訊號來改變電阻，這就不得不提到電流型數模轉換裝置的原理了。

借用別人的一張圖（自己畫不一定有別人好，最好的辦法就是合理借用別人的成果），圖片摘自電子工程世界網：http://www.elecfans.com/article/88/171/2009/2009033040169.html

FIG2.3 倒T型電阻網路D/A轉換器

整個電路是轉換器的整個部分，右邊是一個運放，暫先不關注，最重要是看看左邊這個經典的倒T網絡。電路設計的很巧妙，每一個垂直的電阻阻值為2R，而水平的電阻阻值為R。從電路右端看進去，每一個節點上的電阻均為R，故每一個支路的電流就特別有規律。若S3合上，則S3上支路的電流是總電流的1/2；若S2合上，則S2支路上的電流時總電流的1/4，依次類推。用數學式子準確表達一下，就是

將電流轉換成電壓和電阻來表示，將左邊的式子當做成R的一個係數，很明顯可以看出通過改變數字量就可以改變電阻值，換句話說，電阻值可以被數字量量化。有了這個電路結構，控制電路的輸出輸入比例係數就有可能了，剩下的就是一些電阻值和電路結構的確定。

經過上述的分析，就是要利用這個倒T型電阻網絡搭建電路了，控制電路的輸出輸入比係數情況有兩種情況，一種是比例係數小於1，也就是輸出信號比輸入信號要小，是在將信號縮小，這稱為衰減；一種是比例係數大於1，也就是輸出信號比輸入信號要大，將信號進行放大，這稱為增益。下面進行分別討論和搭建具體電路

2.2 程控衰減電路

程控衰減就是用數位訊號控制輸出輸入的比例係數小於1，即 |Av| <1。由

可知道，要使|Av| <1，若固定的電阻值與T型電阻網絡的阻值一樣為R，那麼T型結構的電阻應該在右端式子的分母上，推導如下式。

採用8位T型結構電阻構成的電路應為下圖所示。

FIG2.4 程控衰減電路

AD7533內部有一個反饋電阻引出端，阻值與倒T型電阻值一樣，故很方便連接。反饋電阻端與運放輸出端相連，參考電壓端作為輸出信號。若要將信號翻轉到正值，可以參考FIG2.2電路。值得說明一點的是最大的Vi的取值應該在-VEE以內，否則會對衰減倍數有一定影響。

2.3 程控增益電路

程控增益就是用數位訊號控制輸出輸入的比例係數大於1，即 |Av| >1。由

可知，要使|Av| <1，若固定的電阻值與T型電阻網絡的阻值一樣為R，那麼T型結構的電阻應該在右端式子的分母上，推導如下式。

採用8位T型結構電阻構成的電路應為下圖所示。

FIG2.5 程控增益電路

反饋電阻輸出端作為輸入信號，電壓參考端與運放輸出端相連作為輸入信號。值得注意的是輸入信號的Vi最大增益幅值 Vomax 應該在-VEE以內，也就是

否則會對增益的正確度有一定影響。

稍微補充一下，現在許多微控制晶片和模數轉換晶片都將左半部分的電路集成在晶片內部，留出引線口，就是為了靈活搭建不同的數控電路，以適用於不同的場合。了解其原理以後，還可以搭建其他更多用數位訊號控制的電路。

3.Conclusion

用數字邏輯和模擬信號打交道是很常見的，最為關鍵的是要了解其原理，然後搭建相應的電路構成有特定功能的電路，除了最為典型的應用以外，還可以嘗試看看還有哪些其他的功能，可以發散一下思維邏輯。本文給出了兩個典型的例子，做了很系統化的分析，尤其是理論分析方面。不足之處就是沒有通過實際的驗證，也是限於現在的條件，以後做實驗了也將驗證部分加入進來，將其寫的完整一些。

4.Reference

[1] 電子技術基礎 數字部分（第五版）  康華光

[2] 模擬電子技術基礎（第四版） 童詩白 華成英

[3] 數字電子技術基礎（第五版） 閻石

5.Platform

1. NI Multisim 12.0 Internal Edition

2. MathType V6.8

3. OrCAD Capture CIS V16.3

編輯：hfy

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