CN104022747B - 一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级放大电路的数据白适应测量方法，包括步骤(1)通过模拟开关选通第j级放大器的输出信号，对第j级放大器的输出信号进行模数转换处理；其中j的初始值为n；n为大于等于2的正整数；(2)对模数转换处理后的数据进行数值处理并输出计算值；(3)判断计算值是否等于满偏值，若是则令j=j‑1，并返回至步骤(1)；若否则转入步骤(4)；(4)根据计算值和第j级放大器的总放大倍数获得待测数据的测量值。本发明采用模拟开关智能切换分时选通多级放大输出信号，通过A/D芯片进行处理，利用运算放大器是否满偏溢出特性自动采集最佳放大输出信号，实现白适应采集；可应用于对较宽范围的数据进行白适应采集。使用方便，运用范围广，可靠性高。

Description

一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法

技术领域

本发明属于电子设备测试应用领域，更具体地，涉及一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法。

背景技术

在电路设计过程中常需要对数据进行采集，而数据采集一般都要用到信号放大电路，因此信号放大电路的设计对于数据采集是否精确至关重要。在数据采集电路中一般采用单级运算放大，然而在选定配置电阻后单级放大电路放大倍数固定，因此只适合针对特定范围的数据进行放大采集，对于超出该范围的数据可导致放大采集的数据不精确或满偏溢出；另一种常用方法是采用多级运算放大，尽管可通过调整放大器级联数来满足对微弱信号进行放大采集，但是在各级选定配置电阻后放大倍数固定，导致对大信号放大采集时就满偏溢出。因此以上两种方法不能兼顾对微弱信号或较大信号进行精确测量，因此对较宽范围的数据进行采集时并不适用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法，旨在解决现有技术中对一定范围数据采集的范围窄、精度低、不够灵活的技术问题。

本发明提供了一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法，包括下述步骤：

(1)通过模拟开关选通第j级放大器的输出信号，对所述第j级放大器的输出信号进行模数转换处理；

其中j的初始值为n；n为大于等于2的正整数；

(2)对模数转换处理后的数据进行二进制到十进制转换并输出计算值，所述计算值为第j级放大器的输出信号所对应的十进制数；

(3)判断所述计算值是否等于满偏值，若是，则令j＝j-1，并返回至步骤(1)；若否，则转入步骤(4)；

(4)根据所述计算值和第j级放大器的总放大倍数获得待测数据的测量值。

其中，第j级放大器的满偏值等于第j级放大器的供电电源VDD的值；j＝1、2……n。

其中，第j级放大器的放大倍数Aj为大于1的数，j＝1、2……n。

本发明还提供了一种基于三级放大器的数据自适应测量方法，包括下述步骤：

(1)对第三级放大器的输出信号进行模数转换处理后，进行二进制到十进制转换并输出第三计算值，判断所述第三计算值是否等于第三满偏值，若是，则转入步骤(2)；若否，则根据所述第三计算值和第三级放大器的总放大倍数A1*A2*A3获得待测数据的测量值；

(2)对第二级放大器的输出信号进行模数转换处理后，进行二进制到十进制转换并输出第二计算值，判断所述第二计算值是否等于第二满偏值，若是，则转入步骤(3)；若否，则根据所述第二计算值和第二级放大器的总放大倍数A1*A2获得待测数据的测量值；

(3)对第一级放大器的输出信号进行模数转换处理后，进行二进制到十进制转换并输出第一计算值，并根据所述第一计算值和第一级放大器的放大倍数A1获得待测数据的测量值。

其中，所述第一级放大器的放大倍数A1是根据待测信号和第一满偏值来选定，所述第一计算值应小于所述第一满偏值。

其中，第一级放大器的第一满偏值等于第一级放大器的供电电源的值；所述第二满偏值等于第二级放大器的供电电源的值；所述第三满偏值等于第三级放大器的供电电源的值。

本发明提供的基于多级放大电路的数据自适应测量方法，通过将多级放大信号同时作为输出端，兼顾了对弱信号和较大信号的同时测量，通过从后级向前级输出依次进行满偏比较，选定不满偏一级作为最优信号。因此本发明测量范围更宽、测试精度更高、同时使用简单，可方便移植到其它设备。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于多级放大电路的数据自适应测量装置的模块结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于多级放大电路的数据自适应测量装置的具体电路图；

图3是本发明实施例提供的基于多级放大电路的数据自适应测量方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有测量方法不足，本发明提供了一种多级放大电路自适应测量方法，由于将多级放大器的输出端同时作为A/D的输入端，并通过从后级依次向前级进行自动判别各级输出是否满偏，因此实现了对较宽范围的数据进行自适应采集，从而保证所采集的数据更精确、更可靠。图1示出了本发明实施例提供的基于多级放大电路的数据自适应测量装置的模块结构。

本发明提供的数据自适应测量方法是基于多级放大电路的数据自适应测量装置，该测量装置包括n个放大器，依次为第一级放大器11、第二级放大器12、第三级放大器13……第n级放大器1n；模拟开关2和控制器3；其中控制器3包括依次连接的AD转换模块31、数据处理模块32和控制模块33；其中第一级放大器的输入端用于连接待测量的数据，第i级放大器的输入端连接至第i-1级放大器的第一输出端，第i-1级放大器的第二输出端与模拟开关的第i-1输入端连接，第n级放大器的输出端与所述模拟开关的第n输入端连接；i＝2、3、……n。

本发明由n级运算放大器构成，输入信号为Vx，第一级到第n级的放大倍数依次分别为A1、A2、……、An，第一级到第n级的输出分别为Uo1、Uo2、……Uon，则各级放大器的输出信号分别为：Uo1＝A1*Vx；Uo2＝A2*Uo1；……Uon＝An*Uon-1；则可以得出Uo1＝A1*Vx；Uo2＝A2*A1*Vx；Uo3＝A3*A2*A1*Vx；……Uon＝An*An-1*……A1*Vx。

当各级输出分别满偏时可计算出所对应的Vx，此时的Vx即为各级所能进行放大采集的最大输入信号，分别用Vx1、Vx2、……Vxn表示。由于各级放大器的满偏值等于各级放大器所选用的供电电源VDD的值，第一级到第n级的供电电源分别为VDD1、VDD2……VDDn，则上述值即为各级放大器的满偏值。因此可得Vx1＝VDD1/A1；Vx2＝VDD2/(A2*A1)；……Vxn＝VDDn/(An*An-1*……A1)。由于常用的VDD一般为3V、3.3V、5V，所以各级满偏值很接近，并且在对同一组放大器中常采用一种供电电源，而放大倍数一般却相差很大，因此可明显看出Vx1＞Vx2……＞Vxn。采用第一级到第n级放大器可测量的最大范围依次为(0，Vx1)、(0，Vx2)、……(0，Vxn)，由于前一级测量范围均包含后一级测量范围，但是所测得精度并不一样，比如第n级可测量范围为(0，Vxn)，由于第n级的总放大倍数远大于第一级的总放大倍数，如果将该范围用第一级放大采集，所获得的数据必定没有采用第n级精确。因此为了采集到最佳测试放大输出信号，利用控制器来自适应选择被测信号采用哪一级进行放大，从而计算出最优被测信号。处理器处理流程如图3所示。处理器首先控制模拟开关将第n级放大输出信号输入A/D芯片，然后通过驱动代码控制A/D完成模数转换并在处理器内部完成数值计算，然后将计算所得值与满偏值进行比较，判断是否满偏，如果没有满偏则认为该级输出为最优放大级，再将计算值除以采用第n级的总放大倍数An*An-1*……A1进行倍数还原，最后将结果输出；如果满偏则控制模拟开关将第n-1级放大输出信号输入A/D芯片，进行上述同样处理，如此迭代下去，直到出现不满偏一级为止，这样从第一级到第n级放大器可测量的最大范围依次变为(Vx2，Vx1)、(Vx3，Vx2)、……、(Vxn，Vxn-1)、(0，Vxn)，这样通过自动判别实现了自适应测量。

图2为基于多级放大电路的数据自适应测量装置的具体电路图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

从A、B两端输入被测信号；第一级运算放大器U1的放大属性由电阻R1和R2构成，其放大倍数为2R1/R2。运算放大器采用+3V供电，电压基准源Vref为1V。输出信号通过R8和C8后接入模拟开关和第二级运算放大器。第一级运算放大器输出电压为Uo1，Uo1＝Vref+(2R1/R2)*Vx；其中Vx即为A、B两端的电压。第二级运算放大器U2A的放大属性由电阻R4、R5、R6、R7构成，运算放大器采用+3V供电，输出信号通过R3和C7后接入模拟开关和第三级运算放大器。第二级运算放大器输出电压为Uo2，Uo2＝Uo1*[R7/(R6+R7)]*[(R4+R5)/R5]-R4/R5。第三级运算放大器U2B的放大属性由电阻R9、R10构成，输出信号通过R12和C9后接入模拟开关。第三级运算放大器输出的电压Uo3，Uo3＝Uo2*[(R9+R10)/R10]。最终三级放大信号通过模拟开关分时接入A/D芯片进行转换。

通过第一、二、三级的电压输出Uo1、Uo2、Uo3，可分别计算出被测信号Vx如下：

Vx＝(Uo1-Vref)/(2R1/R2)；

Vx＝{(Uo2+R4/R5)/{[R7/(R6+R7)]*[(R4+R5)/R5]}-Vref}*R2/2R1；

Vx＝{[Uo3*R5*R10*(R6+R7)+R4*(R6+R7)*(R9+R10)]/[R7*(R4+R5)*(R9+R10)]-Vref}*(R2/2R1)；

当Uo1、Uo2、Uo3分别达到满偏值时，满偏值为放大器所选的供电电压，此实施例中供电电源均为3V。通过上述公式可得出各级可用于放大被测信号的最大值Vx1、Vx2、Vx3如下：

Vx1＝R2/R1；

Vx2＝R2*[R4*R6+3R5*R6+2R5*R7]/[2R1*R7*(R4+R5)]；

Vx3＝[3R2*R5*R6*R10+2R2*R5*R7*R10+R2*R4*R6*R9+R2*R4*R6*R10-R2*R5*R7*R9]/2R1*R7*(R4+R5)*(R9+R10)；

采用第一、二、三级放大器可测量的最大信号值依次为Vx1、Vx2、Vx3，为了采集到最佳测试放大输出信号，利用模拟开关依次选通第三级、第二级、第一级电压信号输出给A/D芯片，通过处理将未达到满偏溢出的一级作为最佳采集信号输出，实现当被测信号在Vx2≤Vx＜Vx1、Vx3≤Vx＜Vx2、0≤Vx≤Vx3三个不同范围时分别采用第一、二、三级放大器的输出信号作为最终采集信号，智能实现采集最优化。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。本发明提供了一种多级放大电路自适应测量方法，测量范围宽、测试精度高、使用简单，可方便移植到其它设备。

图2中，放大器的第一级选用芯片AD8553，支持单电源和双电源输入，工作电源范围为+1.8V～+5V，失调电压为20uV，失调电压漂移为0.1uV/℃，电压噪声仅为0.7uV。通过调整电阻R1和R2的阻值可调整第一级的放大倍数A1，A1＝2R2/R1。在第一级采用的基准电源Vref为1V，因此第一级的输出Uo1＝Vref+(2R1/R2)*Vx，其中Vx为A、B两端的电压。第二级和第三级放大器选用芯片OPA2333，单电源工作范围为+1.8V～+5V，静态电流为17uA，功耗低、零漂移。本电路中将第二级放大器设计成同相比例运算电路，1V电压通过R5接入反相端，同时1V反相端信号输入可直接抵消第一级引入的1V基准电压，简化后续计算。通过R4引入负反馈，第一级的输出通过R6、R7分压后引入第二级的正向端，通过计算可得输出电压Uo2＝Uo1*[R7/(R6+R7)]*[(R4+R5)/R5]-R4/R5，通过配置各电阻可计算出第二级放大倍数A2。将第三级放大器设计成同向比例运算电路，第二级输出通过R11接入正向端，负向端通过R10接地，通过R9引入负反馈。经过计算可得第三级运算放大器Uo3＝Uo2*[(R9+R10)/R10]，通过配置各电阻可计算出放大倍数A3。模拟开关MAX4638通过MCU的简单控制将三级放大信号分别输入A/D芯片，当被测信号Vx分别为Vx1、Vx2、Vx3时，放大器的第三、二、一级的放大信号Uo1、Uo2、Uo3分别达到满偏3V。因此利用模拟开关依次选通第三级、第二级、第一级电压信号输出给A/D芯片，通过处理将未达到满偏溢出的一级作为最佳采集信号输出，实现Vx2≤Vx＜Vx1、Vx3≤Vx＜Vx2、0≤Vx≤Vx3三个不同范围时分别采用第一、二、三级放大器的输出信号作为最终采集信号，达到采集最优化。本发明实现了针对宽范围的测试信号进行自适应的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多级放大电路的数据自适应测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过模拟开关选通第j级放大器的输出信号，对所述第j级放大器的输出信号进行模数转换处理；

其中j的初始值为n；n为大于等于2的正整数；

(2)对模数转换处理后的数据进行二进制到十进制转换并输出计算值，所述计算值为第j级放大器的输出信号所对应的十进制数；

(3)判断所述计算值是否等于满偏值，若是，则令j＝j-1，并返回至步骤(1)；若否，则转入步骤(4)；

(4)根据所述计算值和第j级放大器的总放大倍数获得待测数据的测量值；

第j级放大器的满偏值等于第j级放大器的供电电源VDD的值；j＝1、2……n。

2.如权利要求1所述的数据自适应测量方法，其特征在于，第j级放大器的放大倍数Aj为大于1的数，j＝1、2……n。

3.一种基于三级放大器的数据自适应测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)对第三级放大器的输出信号进行模数转换处理后，进行二进制到十进制转换并输出第三计算值，判断所述第三计算值是否等于第三满偏值，若是，则转入步骤(2)；若否，则根据所述第三计算值和第三级放大器的总放大倍数A1*A2*A3获得待测数据的测量值；

(2)对第二级放大器的输出信号进行模数转换处理后，进行二进制到十进制转换并输出第二计算值，判断所述第二计算值是否等于第二满偏值，若是，则转入步骤(3)；若否，则根据所述第二计算值和第二级放大器的总放大倍数A1*A2获得待测数据的测量值；

(3)对第一级放大器的输出信号进行模数转换处理后，进行二进制到十进制转换并输出第一计算值，并根据所述第一计算值和第一级放大器的放大倍数A1获得待测数据的测量值；

A1为第一级放大器的放大倍数，A2为第二级放大器的放大倍数，A3为第三级放大器的放大倍数；第一级放大器的第一满偏值等于第一级放大器的供电电源的值；所述第二满偏值等于第二级放大器的供电电源的值；所述第三满偏值等于第三级放大器的供电电源的值。

4.如权利要求3所述的数据自适应测量方法，其特征在于，所述第一级放大器的放大倍数A1根据待测信号和第一满偏值确定，所述第一计算值小于所述第一满偏值。