ERT中多通道程控增益放大电路设计

 

　　电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技术是基于电学敏感原理对物场中的电阻率信息进行检测的一种过程层析成像(Process Tomography)技术。该技术具有无辐射、可视化、非侵入等优点，使得ERT技术在工业过程检测和医学临床监控等领域具有广阔的应用前景。

　　在基于并行数据采集的ERT系统中，由于各测量电极上输出的电压信号不同，则各采样通道送到模数转换器输入端的电压信号也各不相同，因此不能采用固定增益的放大电路对信号进行放大。同时，由于所要测量的微弱信号的动态范围较宽，所以要求各通道中的放大电路能根据输入信号的大小，而做出相应的增益调整，从而提高整个系统的分辨率。文中就上面的问题，对多通道的程控放大电路设计展开研究。

　　1 多通道程控放大电路的系统组成

　　由多通道程控放大电路组成的采样电路的基本组成如图1所示。整个电路由放大模块、增益控制模块、A/D转换模块、微控器以及EEPR-OM模块组成。放大电路将微弱的输入信号放大到模数转换器的合适量程范围内。

　　

 

　　程控放大的过程为：检测测量电极上输出的电压信号，判断是否满足A/D转换的输人要求，若不满足则微控器利用增益控制模块对放大电路进行增益控制，使其达到要求。

　　2 系统硬件设计

　　在多通道程控放大电路的硬件设计中，主要是设计信号放大模块，增益控制模块以及微控器模块。其中信号放大模块的主要功能是放大各通道输出的微弱信号;而增益控制模块主要是检测放大后的信号是否满足A/D转换器的输入要求，若不满足则控制信号放大模块，进行程控放大;反之，则不做任何输出变化，微控器模块主要完成对增益模块的控制。

　　2.1 信号放大模块

　　在信号放大模块的设计中，所涉及的芯片包括INA128，AD603和AD817。设计原理图如图2所示。

　　

 

　　由于ERT系统测量的信号是mV级甚至更小，而在多通道程控放大的电路中信号是同时采集放大的，容易出现共模干扰，为保证信号的有效性，去掉干扰，图中选用仪表放大器INA128以减少干扰。其中INA128具有低输入失调电压50μV;低失调电压漂移0.5μV/℃;高输入阻抗;低输入偏置电流5 nA;高共模抑制比120 dB(G=100)等优点。

　　设计中差动放大器部分采用集成运算放大器AD603和运算放大器AD817构成两级放大，其中AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片，所以增益控制模块主要是对AD603进行程序调控;而将AD817的电路部分连接成固定的增益放大倍数。

　　AD603是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90 MHz带宽增益可调的集成运放，压摆率为275 V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30 dB时的带宽为90 MHz，增益在9～41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。而增益的大小则由AD603的管脚1和管脚2间提供的电压差来决定，增益公式为

　　

 

　　其中，VG=VGPOS-VGNEG，且VC在-500～+500 mV间变化。

　　AD817是一款低成本、低功耗、高速运算放大器，采用单电源或双电源供电，具有50 MHz的单位增益带宽、350μs的压摆率以及45 ns的0.1%建立时间等特点。图2中将AD817的电路连接成固定增益放大倍数的电路，使得它与前级的AD603顺连，扩大放大倍数。

　　2.2 增益控制模块

　　增益控制模块主要是为AD603管脚1和管脚2提供电压，通过控制两管脚间的压差变化来改变增益的大小。对于ERT并行数据采集中的程控放大电路，为在一定程度上减少系统的复杂度，固定管脚2的电压，通过改变管脚1的电压值来改变压差VC，进而改变增益G的大小。增益控制模块的原理图如图3和图4所示。

　　

 

　　

 

　　图3中选择D/A转换器芯片AD8600输出电压，当输出电压发生变化时，多通道程控放大电路中芯片AD603管脚1上的电压值也发生改变。其中AD8600是含有16个可独立寻址的电压输出型D/A转换器芯片，每一个DAC都具有各自的DAC寄存器和输入寄存器，但所有的DAC共用一个基准输入电压。芯片的数字接口包括一个8位并行数据输入端、4根地址信号线以及

控制信号线等。AD8600是8位的DAC芯片，它的输出电压摆幅在DACGND至外部基准电压KREF之间。

 

　　为使AD603管脚1和管脚2间的压差VG在-500～+500 mV间变化，而AD8600的输出电压由它的电压基准决定，固定管脚2上的电压为0.5 V，使管脚1上的输入电压在0～1 V之间输出，基准电压芯片选择ADI公司的ADR510。ADB510是一款低电压、精密、分流模式的基准电压源，温度系数为70×10-6/℃，它具有高精度和超低噪声性能。