基于數(shù)模轉(zhuǎn)換的程控增益控制電路和程控衰減電路

1.Abstract

設(shè)想一下，要是能用數(shù)碼控制的方式控制模擬信號輸出的幅度，信號輸出的增益能得到調(diào)節(jié)，這樣的話，就可以使用數(shù)字邏輯來控制模擬信號幅度了，這樣數(shù)字信號和模擬信號就可以打交道了。模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換常有兩種，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC或者A/D轉(zhuǎn)換）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC或者D/A轉(zhuǎn)換）。這里的程控增益控制電路和程控衰減電路也是基于數(shù)模轉(zhuǎn)換，之所以用增益和衰減，是根據(jù)比例系數(shù)來說的，若信號輸出比大于1，則說明是在放大信號，也就是幅值在增長，所以用增益更確切；反過來，若信號輸出比小于1，則說明是在縮小信號，也就是幅值在減小，用衰減更確切。本質(zhì)上是一樣的，兩種說法不同而已了。下面具體來看看怎么實現(xiàn)。

2.Content

2.1 基本模型

程控電路的基本模型是由運算放大器組成，根據(jù)運放虛短和虛斷的特點來構(gòu)成比例放大電路。先看一個一般的放大電路。

FIG2.1 一般比例放大電路模型

很容易理解，運放管的5腳和6腳電平相同，為低電平，那么輸入電流為

電路的電壓比例系數(shù)就可以轉(zhuǎn)換成由電阻來確定了。值得注意的是，輸出的電壓是負值，也就是要求運放是雙電源供電的；若是采用單電源供電的運放，只需將5腳6腳的位置換一換，改成上正下負的就可以了，切記的是放大的幅度不要超過運放的供電電壓（運放是不能穩(wěn)定輸出一個比供電電壓還要大的信號）；不過，在雙電源情況將負值信號搬回到正值區(qū)間也比較容易，再用一個反向比例放大電路就可以了，這個比較實用，將圖畫一畫。

FIG2.2放大信號反向

跟第一個電路一樣，有反向和放大的功能，輸出輸入的電壓幅值比取決于R4和R3，要是只做反向功能的話，選取R4的阻值等于R3的阻值就可以了。

電壓比例系數(shù)的模擬電路模型就分析完成了，延伸一下，過度到主題上去。

由上述的分析，電壓比例系數(shù)可以轉(zhuǎn)到輸出電阻Ro和輸入電阻Ri的阻值上去，改變電壓比例系數(shù)，通常的做法是固定一個電阻，然后將另外一個電阻設(shè)置為可調(diào)的。至于固定哪一個電阻，這個根據(jù)實際情況吧，為了與后文銜接，固定Ro比較合適。固定Ro后，電壓比例系數(shù)就與Ri成反向比例關(guān)系了。程控比例電路采用這種原理，通過數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換的阻值（歸根結(jié)底應(yīng)該是算電流，不過對電流的控制是電阻，所以也可以用電阻值來衡量），實現(xiàn)電壓比例系數(shù)的變化；如何用數(shù)字信號來改變電阻，這就不得不提到電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置的原理了。

借用別人的一張圖（自己畫不一定有別人好，最好的辦法就是合理借用別人的成果），圖片摘自電子工程世界網(wǎng)：http://wenjunhu.com/article/88/171/2009/2009033040169.html

FIG2.3 倒T型電阻網(wǎng)路D/A轉(zhuǎn)換器

整個電路是轉(zhuǎn)換器的整個部分，右邊是一個運放，暫先不關(guān)注，最重要是看看左邊這個經(jīng)典的倒T網(wǎng)絡(luò)。電路設(shè)計的很巧妙，每一個垂直的電阻阻值為2R，而水平的電阻阻值為R。從電路右端看進去，每一個節(jié)點上的電阻均為R，故每一個支路的電流就特別有規(guī)律。若S3合上，則S3上支路的電流是總電流的1/2；若S2合上，則S2支路上的電流時總電流的1/4，依次類推。用數(shù)學(xué)式子準確表達一下，就是

將電流轉(zhuǎn)換成電壓和電阻來表示，將左邊的式子當做成R的一個系數(shù)，很明顯可以看出通過改變數(shù)字量就可以改變電阻值，換句話說，電阻值可以被數(shù)字量量化。有了這個電路結(jié)構(gòu)，控制電路的輸出輸入比例系數(shù)就有可能了，剩下的就是一些電阻值和電路結(jié)構(gòu)的確定。

經(jīng)過上述的分析，就是要利用這個倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)搭建電路了，控制電路的輸出輸入比系數(shù)情況有兩種情況，一種是比例系數(shù)小于1，也就是輸出信號比輸入信號要小，是在將信號縮小，這稱為衰減；一種是比例系數(shù)大于1，也就是輸出信號比輸入信號要大，將信號進行放大，這稱為增益。下面進行分別討論和搭建具體電路

2.2 程控衰減電路

程控衰減就是用數(shù)字信號控制輸出輸入的比例系數(shù)小于1，即|Av| <1。由

可知道，要使|Av| <1，若固定的電阻值與T型電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值一樣為R，那么T型結(jié)構(gòu)的電阻應(yīng)該在右端式子的分母上，推導(dǎo)如下式。

采用8位T型結(jié)構(gòu)電阻構(gòu)成的電路應(yīng)為下圖所示。

FIG2.4 程控衰減電路

AD7533內(nèi)部有一個反饋電阻引出端，阻值與倒T型電阻值一樣，故很方便連接。反饋電阻端與運放輸出端相連，參考電壓端作為輸出信號。若要將信號翻轉(zhuǎn)到正值，可以參考FIG2.2電路。值得說明一點的是最大的Vi的取值應(yīng)該在-VEE以內(nèi)，否則會對衰減倍數(shù)有一定影響。

2.3 程控增益電路

程控增益就是用數(shù)字信號控制輸出輸入的比例系數(shù)大于1，即|Av| >1。由

可知，要使|Av| <1，若固定的電阻值與T型電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值一樣為R，那么T型結(jié)構(gòu)的電阻應(yīng)該在右端式子的分母上，推導(dǎo)如下式。

采用8位T型結(jié)構(gòu)電阻構(gòu)成的電路應(yīng)為下圖所示。

FIG2.5 程控增益電路

反饋電阻輸出端作為輸入信號，電壓參考端與運放輸出端相連作為輸入信號。值得注意的是輸入信號的Vi最大增益幅值Vomax應(yīng)該在-VEE以內(nèi)，也就是

否則會對增益的正確度有一定影響。

稍微補充一下，現(xiàn)在許多微控制芯片和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片都將左半部分的電路集成在芯片內(nèi)部，留出引線口，就是為了靈活搭建不同的數(shù)控電路，以適用于不同的場合。了解其原理以后，還可以搭建其他更多用數(shù)字信號控制的電路。

3.Conclusion

用數(shù)字邏輯和模擬信號打交道是很常見的，最為關(guān)鍵的是要了解其原理，然后搭建相應(yīng)的電路構(gòu)成有特定功能的電路，除了最為典型的應(yīng)用以外，還可以嘗試看看還有哪些其他的功能，可以發(fā)散一下思維邏輯。本文給出了兩個典型的例子，做了很系統(tǒng)化的分析，尤其是理論分析方面。不足之處就是沒有通過實際的驗證，也是限于現(xiàn)在的條件，以后做實驗了也將驗證部分加入進來，將其寫的完整一些。

4.Reference

[1] 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版） 康華光

[2] 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） 童詩白 華成英

[3] 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版） 閻石

5.Platform

1. NI Multisim 12.0 Internal Edition

2. MathType V6.8

3. OrCAD Capture CIS V16.3

編輯：hfy