基于AD620的程控仪表放大电路设计 - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 设备名称：基于AD8421的程控仪表放大器设计 ## 该项目设备基本组成： ###### **①**AD8421程控仪表放大器**PCB** ###### **②**AD7606信号采集电路**PCB** ###### **③**DAC信号输出控制电路**PCB** ###### **④**信号输出测试电力路**PCB** ## 模块电路功能分析--->AD8421程控仪表放大器 ###### 该模块可对可对**差分**或**单端**输入信号进行程控方式放大或户控方式进行信号增益，使用程控方式对输入信号进行增益时，可选择将ADG708芯片的**A、B、C、EN**，四根信号线接入单片机接口，**同时使用单片机外部电源对芯片进行供电**，针对不同输入的弱信号，可在8种增益中进行选择。用户可根据输入信号的增益大小进行选择。同时为方便用户进行数控方式的增益选择，通过拨码按键也可进行增益调控，按下Power处的拨码，接通PCB内部的电源，根**据数字信号组合**可进行**增益切换**。在使用户控增益方式时，用户可按下对应拨码，通过滑动电位器进行增益调控，或固定电阻进行调控。 ## AD620程控仪表放大器--->模块优点 ##### ①采用Tyep-c+外部接口的供电方式，**满足多种场合的供电需求**。 ##### ②采用SMA接口+接线端子+排针的信号输入方式，**满足多种采集信号的输入需求**。 ##### ③在模块未接入任何采集信号的情况下，将输入端短接，**可对输出信号进行调零，提高数据采集的准确性**。 ##### ④可实现程控和户控两种增益方式，程控方式控制简单，通过不同增益电阻即可实现高精度增益 ##### ⑤对增益信号进行电压跟随，提高**信号输出阻抗** ##### **⑥对输出信号进行8阶RC的500kHz低通滤波处理，抑制信号采集过程中的信号干扰** ##### ⑦LED指示灯显示程控放大状态，以及数字信号控制状态 #### ⑧可实现单端转差分信号的输出 ## 模块各电路功能分析 ##### 1\. Type\-C供电电路\+接线端子：对电路进行5V供电，对于通过接线端子输入的信号，添加了一个二极管SS14防止输入反接。电路结构如图1所示。  ##### 2\. LED指示灯电路：对供电和放大倍数进行提示，PCB效果图如图2所示。  ##### PCB实物显示效果如图3所示（指示灯采用不同颜色的1206封装的LED）  ##### 3\. 放大电路：对若信号进行放大 ##### 放大电路解释说明：放大电路的核心采用仪表放大器AD8421（**由于电路图片太大这里不进行展示**），该芯片可将弱信号通过一个外部电阻进行增益调控。 ## 本设计的放大功能基于外部电阻调控进行不同需求的增益控制。 #### 4\. 输出调零电路：抑制放大电路零点漂移，该电路由电压跟随器组成。对于仪表放大芯片，当输入端接入0信号时会有几mV的输出误差，采用输出调零电阻，可消除此类误差。 ##### 5\. 低通滤波电路：对放大信号进行低通滤波，抑制干扰信号。 ##### **低通滤波电路采用FilterLab软件进行设计，其组成电路如图所示。**  #### 该滤波电路采用8阶Sallenkey结构，滤波器阶数越高，滤波效果越平坦。幅频特性曲线如图所示。  ### 通过Multisim软件进行仿真验证得到的结果及波特图如图所示。  ##### 7\. 输出输出接口电路 ##### 采用排针+接线端子+SMA接口的信号输出方式，满足多种信号采集输入接口。 ### 基于AD620的程控仪表放大模块正常运行测试图：  ## 总体设计方案 ### 总体设计方案框图  ## 原理图设计特殊说明 ### 为应对多种放大方式，采用数控方式控制增益时，采用了琴键拨码构成的数字控制电路，通过琴键拨码控制当没有外部信号输入时，对不同增益进行数字信号控制，调节信号的输出。电路结构如图所示  ## 该电路默认状态下接入了由外部提供的输入电压控制ADG708芯片，当无外部电源输入时，通过下拉电阻实现低电平状态ADG708芯片不工作。当5-6处的琴键按下，接入VDD作为芯片供电电源，EN脚为1，芯片可开始工作。同时根据LED可观察引脚电平状态。 ## PCB设计说明 ### 该PCB采用弧线走线，布线如图所示。可弧线绝对不正常走。  ## 采用4层PCB板设计，对不同的电源进行了电源层分割。 ## 软件说明 #### ADG708程序控制：ADG708模块可由数字信号进行驱动，由A,B,C三个接口输入不同的数字信号进行控制，控制方式简单,在EN位置于高位时，可进行程控增益切换。真值表如下： ## A B C EN ## x x x 0 ->关闭所有通道 ## 0 0 0 1 ->开启第一个通道 ## 1 0 0 1 ->开启第二个通道 ## 0 1 0 1 ->开启第三个通道 ## 0 0 1 1 ->开启第四个通道 ## 1 0 1 1 ->开启第五个通道 ## 1 1 0 1 ->开启第六个通道 ## 0 1 1 1 ->开启第七个通道 ## 1 1 1 1 ->开启第八个通道 ##### 根据真值表即可进行程序编程，编程代码构成简单。 # **代码块在51单片机下进行程序测试：** ``` #include "reg52.h" #include "intrins.h" sbit A1=P2^1; sbit A2=P2^2; sbit A3=P2^3; sbit EN=P2^4; void Delay100ms() //@11.0592MHz { unsigned char i, j, k; _nop_(); _nop_(); i = 5; j = 52; k = 195; do { do { while (--k); } while (--j); } while (--i); } void delay(unsigned char i) { for(i;i>0;i--) { Delay100ms(); } } void main() { EN=0; A1=0; A2=0; A3=0; while(1) { Delay100ms(); EN=1; A1=0; A2=0; A3=0; delay(5); EN=1; A1=1; A2=0; A3=0; delay(5); EN=1; A1=0; A2=1; A3=0; delay(5); EN=1; A1=1; A2=1; A3=0; delay(5); EN=1; A1=0; A2=0; A3=1; delay(5); EN=1; A1=1; A2=0; A3=1; delay(5); EN=1; A1=0; A2=1; A3=1; delay(5); EN=1; A1=1; A2=1; A3=1; delay(5); } } ``` ## 实物测试图展示说明  ## 提示：在对整个模块进行输出调零后进行放大功能测试，测试功能基本满足需求，可实现程控放大，误差较小。同时在考虑到针对不同情况对该模块的使用，减少用户对增益的频繁控制，因此加入了数字开关，可实现手动控制信号，进行增益调控。 ## 在使用拨码按键控制时，只需要将对应丝印EN、和Power处的拨码按下，默认放大倍数为5倍，同时将放大方式选择为程控，即可根据不同的数字信号进行增益方式进行切换。当时用外部电源对程控电路进行控制时，EN、Power处的拨码要抬起，防止电源冲突烧坏电路板。 # 放大电路采用AD8421进行信号放大，可对弱信号进行有效放大，且放大时数据误差较小。同时在电路上增加了一定的胆电容，稳定电源。滤除电源供电的干扰信号。 ## 测试图展示 测试图1：  测试图2：  测试图3：  测试图4：  测试图5：  测试图6：  实物展示图：  测试数据： 1. 输入电压：0.218V 放大倍数：5 输出电压：1.092 实际放大倍数：4.9 2.输入电压：0.218V 放大倍数：10 输出电压：2.185 实际放大倍数：9.9 3.输入电压：0.033V 放大倍数：20 输出电压：0.6772 实际放大倍数：20 4.输入电压：0.033V 放大倍数：50 输出电压：1.730实际放大倍数：50 ## 注意事项 ## 在对数据进行采集前，需要对输出进行调零处理，将IN-、IN+信号短接如GND，调节模块输出为0即可。 #### 本设计由一个完善的采集电路构成，各个工程文件已经在工程文件中展示，均采用Type-c方式供电，便于电源供电。 ## 演示视频主要是针对电路的功能和实物进行一些说明，具体有不明白的地方请私信或留言。 ### 硬件电路说明视频： \[电路说明\]\(链接：https://pan\.baidu\.com/s/1aLXCzjhnW5vAdLzkkHLxxA?pwd=1234 提取码：1234 \-\-来自百度网盘超级会员V4的分享\) ### 实物功能演示： \[功能演示\]\(链接：https://pan\.baidu\.com/s/1KRKaXr9dKh2GOmazArPJoQ?pwd=1234 提取码：1234 \-\-来自百度网盘超级会员V4的分享\) ## 模块使用其他说明 ### 对于模块的低通滤波电路，需要自行使用示波器进行测试。 ### 针对于信号输出方式采用单端或差分输出方式 兼容不同类型的ADC. #### 本工程下包含多个电路，包括采集电路，信号产生电路，本工程仅对理论较多的采集电路进行必要的功能说明。