求一个具备单位增益的PGA在USB链接数据采集系统中的实现方法

　　传感器接口
　　现今，大部份的电子仪器采用的是嵌入式系统。通常这些嵌入式系统包含传感器、缓冲和调节信号的放大器、模/数转换器，以及供数据处理和人机接口用的微控制器等。例如数据采集系统和数据记录器就是这样的系统。图1表示出设有USB接口的数据采集系统的方块图。
　　
　　图1 具备USB接口的数据采集系统
　　在输出端上的传感器拥有一系列的特性。其中，传感器的敏感度和动态范围对于把传感器的信号按比例放大到模数转换器（ADC）的输入范围最为重要。将传感器的敏感度乘以测量中实质量的最大值便等于传感器的最大输出值。在很多情况下，传感器的输出必须被放大才可以充分利用ADC的输入范围。图2表示两者之间的关系。
　　
　　图2 传感器输出与敏感度成函数关系
　　现将三个不同类型的温度传感器作比较，它们分别是热电耦、RTD（电阻温度检测器）和LM35硅片温度传感器。
　　
　　再参考图1，可以发现PGA（可编程增益放大器）的作用是将传感器的信号按比例放大至ADC的输入范围。由于要配合现今的USB、IP和其他通信链路的应用趋势，故该PGA的增益功能最好能用微控制器以数字方式来控制。虽然现今有几种不同的PGA供选择，但用户均倾向使用二进制式的放大方法，诸如是1， 2， 4， 8， 16…，或者是其他的放大倍级。对于这类数据采集系统而言，最理想的放大器应该在整个增益范围内分为若干个小而均匀的增益量级。此外，通过将系统综合，由软件控制的功能以及在运作期间配置系统增益和信号路径特性的能力，可以为仪器提供灵活的系统校正和其他调节功能。
　　美国国家半导体最近推出的LMP8100可编程放大器具备有新增的数字式可编程能力。通过使用标准的接口通信协定，可以在低成本高效率底下实现SPI总线、增益、频率补偿、零输入和节电等功能。这些信号路径功能皆由软件控制，并为传感器接口、失调修正和宽带控制等设计带来增值功能。
　　以下的部份将会讨论一个具备单位增益的PGA在USB链接数据采集系统中的实现方法。
　　LMP8100的功能特色
　　LMP8100可实现四个可编程功能：
　　1. 非反相-增益可在从增益1至16间逐级单位选择。
　　2. 内部频率补偿可以编程到四个数值中的其中一个。
　　3. 放大器的输入可以从输入信号脱离并连接到接地。放大器的失调电压可被量度。
　　4. 放大器可以编程到节电模式以将功耗尽量减少。
　　图3表示出一个LMP8100的简化原理图。
　　
　　图3 LMP8100 的原理图
　　LMP8100的功能是用八位的二进制数值来编程，并且被位移入一个串行数据输入接脚内。表2表示出控制寄存器的位分配。
　　
　　表3 表示出增益、零和节电逻辑电平的工作分配。
　　
　　表4 表示出频率补偿的逻辑电平工作分配。
　　
　　最小补偿
　　在串行时钟引脚上的时钟计时下，将八位的数据位移入串行数据输入引脚来完成即可完成控制寄存器的编程。图4是将数据位移入控制寄存器的时序图。图中可见该控制寄存器的双重缓冲和载入可分成两个步骤。第一个步骤是利用八个时钟周期将数据位移入移位寄存器。然后，移位寄存器内的数据会被平行传输到芯片选择信号的上升边沿处的保持寄存器内，而保持寄存器的输出会用来选择增益、频率补偿、节电和零输入等功能。采用这种方法可防止放大器的状态出现转变，直至数据被正确位移入移位寄存器为止。
　　
　　图4 LMP8100 串行数据传送
　　先前出现的数据将会用来设计一个应用在USB数据采集系统中的可编程增益放大器。假如已决定采用一个具备有4.096V参考的12位ADC，其分辨率为1mV，那需要用多少的增益才可将一个普通传感器的输出放大至这个数值呢？这时，简单地检讨一下传感器的敏感度和量度出来的变数跨度，便可发现一个已给传感器的全幅输出范围可由2mV 至3V。这意味最高的增益约为205。下列数式EQ1表示出有关的计算。
　　最大增益 = 全幅输入/最大传感器输出 = 4.096V/0.020V = 204.8 （1）
　　这个由1至205的最大增益范围可通过把两个LMP8100串联在一起来实现。将两个放大级的增益串联在一起可增加幅度，从而令到可编程的增益范围扩大到1至256。图5是将两个LMP8100串联在一起的实现方法。每一个放大器都可将增益编程到由1至16，所以总增益范围便是1至256并以每单位增量级计。
　　
　　图5 适用于数据采集系统的可编程放大器
　　除了可编程增益之外，放大器的其他功能都可经程序来控制。在大多数的数据采集和记录应用中，测量一般都是在固定的时间间隔上执行。例如，每两秒或每10秒等。在这些应用中，放大器都可进入节电状态，而每个放大器的功耗会降低至40μA。这个功能可以削减便携系统中的平均电源电流消耗，从而延长电池的寿命。
　　零功能的作用是通过软件来修正放大器中的失调电压。软件程序会为预期的测量设定一个增益，并在放大器A1内设立一个零位宽。在这种配置中，放大器A2的输出电压便是预期测量用的失调电压，而这个数值会被软件存储并留待下一个步骤使用。然后，A1中的零位会被清除，而测量会在这时执行，同时失调电压数值会从信号测量得来的数值减去。采用这种方法，任何给定增益设定下的失调电压和失调电压漂移便可获得补偿。
　　LMP8100的可编程频率补偿能够在有需要时在高增益下扩大频宽。表5表示出为频率补偿位的设定而在几个不同增益设定下的放大器频宽。从图中可见，在控制寄存器内设定一个补偿位会减少放大器的内部频率补偿数量。在低增益下，是有可能出现放大器和振铃补偿不足的情况，甚至有可能出现振荡。
　　
　　参看图5，可发现有一个0.25V的负电源电压功能加入了设计。该功能可在维持放大器上的电压低于最高运作电压5.5V的同时，修正单电源设计的两个问题：
　　1. 考虑到A2的输入为零伏，LMP8100的典型输出摆幅低为50mV，但可高至150mV。在这种情况下，如假设一个12位的ADC其电压参考为4.096V，那由低50到150mV的ADC的代码并不可使用。
　　2. 考虑到A1的输入为零伏，那50至150 mV的最低输出电压会乘以A1的增益设定。在这种情况下，A2的最低输出电压可以高至2.4V（0.150 x 16）。同样地，假设电压参考为4.096V，这意味ADC的输入范围有59%是不能使用。
　　LM2787是一个具备低噪声可调节线性稳压器的开关式电容反相器。通过采用一个负2.5V电压参考，加上反馈电阻器R1和R2和LM2787的内部电压参考，便产生出一个0.25V的负电源电压。通过供给一个细小的负电压给LMP8100，就解决了零伏的输出摆低问题，以及上述提及过的两个问题。
　　本文讨论的可编程增益放大器的设计拥有优质的增益控制，适用于各类传感器接口应用。