基于AD620的程控仪表放大电路设计 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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专业版 基于AD620的程控仪表放大电路设计

简介:基于AD620(8421)实现程控仪表放大功能

开源协议: Public Domain

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2022-08-24 20:30:21
更新时间: 2023-12-19 16:55:34
描述
## 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。 ![电源电路.png](//image.lceda.cn/pullimage/cJSecbjDJpZRvBdj95Zg8uSskf8ddyeIx3EveKZ7.png) ##### 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。 ![电源指示灯.png](//image.lceda.cn/pullimage/xYABuquYy13d2VtWddKPYCbLEUDGEcsJhqhpW7tp.png) ##### 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) ![灯.png](//image.lceda.cn/pullimage/7PF9ltYeGp0l9YkmQ3zhgPWoopAiS7t5MBiQSBRY.png) ##### 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。** ![滤波.png](//image.lceda.cn/pullimage/UJwh89svxKP3Ov9k2O3f87S1SXznoy76HTpNlhU7.png) #### 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。 ![FilterLab1.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/eOi1HFUp1CwyQwLnxjVLpNYJZREcqOcjQz64qWSy.jpeg) ### 通过Multisim软件进行仿真验证得到的结果及波特图如图所示。 ![滤波2.png](//image.lceda.cn/pullimage/CcEC8AyylUBHZQAhjVxVazdlzYHoh73HXIb61OIj.png) ##### 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: ![A.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/hv9n7y6TeQPS8OAYFZIi0qDRSQ3NhLStpUjP9ygr.jpeg) ## 总体设计方案 ### 总体设计方案框图 ![机构.png](//image.lceda.cn/pullimage/3DkRpvq40qjPKhGXBXmyoAl7PJBMPyBHgPunhRZy.png) ## 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 ![电路结构.png](//image.lceda.cn/pullimage/31ZtUJMYt24XPjamqQYcKmQMa2dhO4IPFrIPaf9X.png) ## 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。 ![走线.png](//image.lceda.cn/pullimage/usDRjN30fjyFK6RFgArOYHuHu4MlAQFBfVljNLld.png) ## 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 ![B.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/Lmu5whnpK97MICT3zorh1utfNHFmhOVjWgcEtqzL.jpeg) ## 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: ![1.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/rIP1cWLAKdV7LeEpE3HEQ5T06gXYnfKtQvs11s6y.jpeg) 测试图2: ![C.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/NJBSdS1OQe7TRsCxsgpbh7Cb6KQckIeNaZT4cVAy.jpeg) 测试图3: ![3.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/ULUNKol9lzgU653AIpHhYZkwYDfpMsshqlmf9bWh.jpeg) 测试图4: ![4.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/Kzjq67f4W5LvNj6xMojXlrCGCIBgYkrzcM3LnJWB.jpeg) 测试图5: ![5.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/kcoQezAy0xbyn6KZGRMQUhWjWeAOviHEwcm6D6Dv.jpeg) 测试图6: ![D.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/RDKSHwEnhe3YiTT2sXpLujc9yXtf345Aon9gwVgG.jpeg) 实物展示图: ![F.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/jcALtId8oWs5Zfwi9ozbJS1etQjLGKucbGCFTQOQ.jpeg) 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。
设计图
原理图
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PCB
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