自制程控增益放大器

概述

        可变增益放大器在电路应用中很多，用来调节电路的放大倍数。实现电路的自动量程功能。例如电子秤中跟在压力传感器后的PGA（程控增益放大器），使电子秤能覆盖从mg到g，到Kg的称量范围。用在收音机中的AGC（自动增益控制），通过控制接收机增益，使信号幅度不随环境快速变化。常见的控制增益的方法有压控和程控，分别对应VCA和PGA。

关键字：可变增益放大器，R-2R网络，电流型R-2R，运算放大器，虚短路

原理图：

器件：uA741，CD4016模拟开关两片，10K电阻，20k电阻。

实验实物图

原理分析

        K0，K1，K2，K3是受DAC引脚控制的开关，选通I0，I1，I2，I3上的电流是流入GND还是运放的反向端，首先，我们要分析Itotal的大小。

        从VS端看进去，VS=5V，无论开关切向运放反向端还是同向端（GND），电阻是恒定的1K欧，输入电流也是恒定的5mA。

运用戴维南等效，KCL，计算I0，I1，I2，I3和Itotal之间的关系：

Itotal = I3 + (I2+I1+I0+It)，而I3 = I2+I1+I0+It，从而得到I3 = Itotal/2

运用戴维南等效，KCL，计算I0，I1，I2，I3和Itotal之间的关系如上图

        从原理分析可以看出，通过R-2R对流入运放反相端的电流进行调节，实现了对输入信号的增益控制。输入信号可以是直流，也可以是交流。

 

调试测试

点击 power打开电源界面

主机面点击 FGEN打开信号源界面，开启S1的按钮，设置5KHz，500mVpp。

        主界面点击DigOut，打开逻辑控制界面。设置DEC格式显示，数据长度256个，初始值0，点击↑箭头，快速生成从0到255的数据。配置刷新率 50kHz，连线运行。点击开始发送。就在Dout0-7上产生0到255的数据IO电平。

        主界面点击Scope，打开示波器界面，开启两个通道。黄色测试的是输入信号。蓝色测试的是输出信号。

        可以看到，在0-255的数据控制下，放大器的增益从-1/255到-1变化（反相放大器）。蓝色测试的输出信号幅度的包络，就是线性的锯齿波。

扩展应用

作为DAC使用

        如果输入是直流，数据控制的增益同样有效。实现对输入直流的增益调节。使用上述同样的0到255递增数据（锯齿数据），就是-1/255到1的增益。产生了锯齿波。

如果使用数据表格是正弦波表，则可以产生正弦波。

在DigOut界面点击L，载入正弦波表

信号源S1设置产生3300mV直流

打开示波器进行测试

        可以看到这时信号源提供的3300mV就相当于DAC的参考电压。DigOut提供的数据，就是DAC的数据。产生不同的波表，就可以产生不同的波形。

 

作为乘法器使用

        如果数据为正弦波表，输入也是正弦波，则可以实现两个信号相乘。数模转换信号和模拟信号的相乘。这种结构的DAC也称为乘法器型DAC。