在測(cè)量行業(yè)中，一個(gè)非常關(guān)鍵的功能塊是可編程增益放大器 （PGA）。如果您是電子愛好者或大學(xué)生，您可能已經(jīng)看到非常寶貴的萬用表或示波器測(cè)量非常小的電壓，因?yàn)樵撾娐肪哂袃?nèi)置 PGA 和強(qiáng)大的 ADC，有助于進(jìn)行精確的測(cè)量過程。

如今，現(xiàn)成的 PGA 放大器提供基于運(yùn)算放大器的非反相放大器，具有用戶可編程的增益因子。這種類型的器件具有非常高的輸入阻抗、寬帶寬和內(nèi)置于 IC 中的可選輸入電壓基準(zhǔn)。但是所有這些功能都是有代價(jià)的，對(duì)我來說，將這么昂貴的芯片用于通用應(yīng)用程序是不值得的。

因此，為了克服這些情況，我想出了一個(gè)由運(yùn)算放大器、MOSFET 和 Arduino 組成的裝置，通過它我能夠以編程方式改變運(yùn)算放大器的增益。因此，在本教程中，我將向您展示如何 使用 LM358 運(yùn)算放大器和 MOSFET 構(gòu)建您自己的可編程增益放大器，并在測(cè)試的同時(shí)討論該電路的一些優(yōu)缺點(diǎn)。

運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)

要了解該電路的工作原理，了解運(yùn)算放大器的工作原理非常重要。按照此運(yùn)算放大器測(cè)試器電路了解有關(guān)運(yùn)算放大器的更多信息。

在上圖中，您可以看到一個(gè)運(yùn)算放大器。放大器的基本工作是放大輸入信號(hào)，除了放大之外，運(yùn)算放大器還可以執(zhí)行各種運(yùn)算，如求和、微分、積分等。在此處了解有關(guān)求和放大器和差分放大器的更多信息。

運(yùn)算放大器只有三個(gè)端子。帶（+）號(hào)的端子稱為同相輸入，帶（-）號(hào)的端子稱為反相輸入。除了這兩個(gè)端子之外，第三個(gè)端子是輸出端子。

運(yùn)算放大器只遵循兩個(gè)規(guī)則

沒有電流流入或流出運(yùn)算放大器輸入。

運(yùn)算放大器試圖將輸入保持在相同的電壓電平。

因此，清除了這兩個(gè)規(guī)則后，我們可以分析以下電路。此外，通過各種基于運(yùn)算放大器的電路了解更多關(guān)于運(yùn)算放大器的信息。

可編程增益放大器工作

上圖讓您對(duì)我的 crud PGA Amplifier 的電路布置有一個(gè)基本的了解。在這個(gè)電路中，運(yùn)算放大器被配置為同相放大器，眾所周知，在同相電路布置中，我們可以通過改變反饋電阻或輸入電阻來改變運(yùn)算放大器的增益，從上面的電路布置中可以看出，我只需要一次切換一個(gè) MOSFET 來改變運(yùn)算放大器的增益。

在測(cè)試部分，我只是一次切換一個(gè)MOSFET，并將測(cè)量值與實(shí)際值進(jìn)行比較，您可以在下面的“測(cè)試電路”部分觀察結(jié)果。

所需組件

Arduino 納米 - 1

LM358 集成電路 - 1

LM7805 穩(wěn)壓器 - 1

BC548 通用 NPN 晶體管 - 2

BS170 通用 N 溝道 MOSFET - 2

200K 電阻 - 1

50K 電阻 - 2

24K電阻 - 2

6.8K電阻 - 1

1K 電阻 - 4

4.7K電阻 - 1

220R， 1% 電阻 - 1

輕觸開關(guān)通用 - 1

琥珀色 LED 3mm - 2

面包板通用 - 1

通用跳線 - 10

電源±12V - 1

原理圖，示意圖

對(duì)于可編程增益放大器的演示，電路在原理圖的幫助下構(gòu)建在無焊面包板上；為了減少面包板的內(nèi)部寄生電感和電容，所有組件都盡可能靠近放置。

如果你想知道為什么我的面包板上有一簇電線？讓我告訴你這是為了建立良好的接地連接，因?yàn)槊姘逯械膬?nèi)部接地連接非常差。

這里電路中的運(yùn)算放大器配置為非反相放大器，來自 7805 穩(wěn)壓器的輸入電壓為 4.99V。

電阻 R6 的測(cè)量值為 6.75K，R7 為 220.8R，這兩個(gè)電阻構(gòu)成一個(gè)分壓器，用于為運(yùn)算放大器生成輸入測(cè)試電壓。電阻器R8 和 R9用于限制晶體管 T3 和 T4 的輸入基極電流。電阻 R10 和 R11用于限制 MOSFET T1 和 T2的開關(guān)速度，否則會(huì)引起電路振蕩。

在這篇博客中，我想向您展示使用MOSFET而不是 BJT 的原因，以及電路布置。

PGA 的 Arduino 代碼

這里 Arduino Nano 用于控制晶體管的基極和 MOSFET 的柵極，并且使用萬用表來顯示電壓電平，因?yàn)?Arduino 的內(nèi)置 ADC 在測(cè)量低電平時(shí)做得很差電壓水平。

該項(xiàng)目的完整 Arduino 代碼如下所示。由于這是一個(gè)非常簡單的 Arduino 代碼，我們不需要包含任何庫。但是我們確實(shí)需要定義一些常量和輸入引腳，如代碼所示。

void setup（）是主要功能塊，其中所有輸入和輸出的讀寫操作都根據(jù)要求執(zhí)行。

#define BS170_WITH_50K_PIN 9

#define BS170_WITH_24K_PIN 8

#define BC548_WITH_24K_PIN 7

#define BC548_WITH_50K_PIN 6

#define BUTTON_PIN 5

#define LED_PIN1 2

#define LED_PIN2 3

#define PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL 5000

int button_is_pressed = 0;

int debounce_counter = 0;

無效設(shè)置（）{

pinMode（BS170_WITH_50K_PIN，輸出）；

pinMode（BS170_WITH_24K_PIN，輸出）；

pinMode（BC548_WITH_24K_PIN，輸出）；

pinMode（BC548_WITH_50K_PIN，輸出）；

pinMode（LED_PIN1，輸出）；

pinMode（LED_PIN2，輸出）；

pinMode（BUTTON_PIN，輸入）；

}

無效循環(huán)（）{

bool val = digitalRead（BUTTON_PIN）; // 讀取輸入值

如果（val == LOW）{

debounce_counter++;

if （debounce_counter 》 PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL）

{

debounce_counter = 0;

button_is_pressed++；

}

如果（button_is_pressed == 0）{

數(shù)字寫入（BS170_WITH_50K_PIN，高）；

數(shù)字寫入（BS170_WITH_24K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BC548_WITH_24K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BC548_WITH_50K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（LED_PIN1，低）；

數(shù)字寫入（LED_PIN2，低）；

}

如果（button_is_pressed == 2）{

數(shù)字寫入（BS170_WITH_24K_PIN，高）；

數(shù)字寫入（BS170_WITH_50K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BC548_WITH_24K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BC548_WITH_50K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（LED_PIN1，低）；

數(shù)字寫入（LED_PIN2，高）；

}

如果（button_is_pressed == 3）{

數(shù)字寫入（BC548_WITH_24K_PIN，高）；

數(shù)字寫入（BC548_WITH_50K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BS170_WITH_24K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BS170_WITH_50K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（LED_PIN1，高）；

數(shù)字寫入（LED_PIN2，高）；

}

如果（button_is_pressed == 1）{

數(shù)字寫入（BC548_WITH_50K_PIN，高）；

數(shù)字寫入（BS170_WITH_50K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BS170_WITH_24K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（BC548_WITH_24K_PIN，低）；

數(shù)字寫入（LED_PIN1，高）；

數(shù)字寫入（LED_PIN2，低）；

}

如果 （button_is_pressed 》= 4） {

button_is_pressed = 0;

}

}

}

可編程增益放大器的計(jì)算

PGA 放大器電路的測(cè)量值如下所示。

輸入電壓 = 4.99V

R7 = 220.8 Ω

R6 = 6.82 KΩ

R5 = 199.5K

R4 = 50.45K

R3 = 23.99K

R2 = 23.98K

R1 = 50.5K

筆記！顯示電阻器的測(cè)量值是因?yàn)橥ㄟ^測(cè)量電阻器值，我們可以密切比較理論值和實(shí)際值。

現(xiàn)在分壓器計(jì)算器的計(jì)算如下所示，

分壓器的輸出為0.1564V

計(jì)算 4 個(gè)電阻的同相放大器的增益

當(dāng)R1為選定電阻時(shí)的Vout

Vout = （1+ （199.5 / 50.5） ） * 0.1564 = 0.77425V

當(dāng)R2為選定電阻時(shí)的Vout

Vout = （1+ （199.5 / 23.98） ） * 0.1564 = 1.45755V

當(dāng)R3為選定電阻時(shí)的Vout

Vout = （1+ （199.5 / 23.99） ） * 0.1564 = 1.45701V

當(dāng)R4為選定電阻時(shí)的Vout

Vout = （1+ （199.5 / 50.45） ） * 0.1564 = 0.77486V

我所做的一切都是為了盡可能地比較理論值和實(shí)際值。

完成所有計(jì)算后，我們可以繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試部分。

可編程增益放大器電路的測(cè)試

上圖顯示了MOSFET T1導(dǎo)通時(shí)的輸出電壓，因此電流流過電阻器 R1。

上圖顯示了晶體管 T4導(dǎo)通時(shí)的輸出電壓，因此電流流過電阻器 R4。

上圖顯示了MOSFET T2導(dǎo)通時(shí)的輸出電壓，因此電流流過電阻器 R2。

上圖顯示了晶體管 T3導(dǎo)通時(shí)的輸出電壓，因此電流流過電阻器 R3。

從原理圖中可以看出，T1、T2 是 MOSFET，T3、T4 是晶體管。因此，當(dāng)使用 MOSFET 時(shí)，誤差在 1 到 5 mV 范圍內(nèi)，但當(dāng)晶體管用作開關(guān)時(shí)，我們會(huì)在 10 到 50 mV 范圍內(nèi)得到誤差。

從以上結(jié)果可以看出，MOSFET是此類應(yīng)用的首選解決方案，而理論上和實(shí)際中的誤差可能是由于運(yùn)放的失調(diào)誤差造成的。

筆記！請(qǐng)注意，我添加了兩個(gè) LED 只是為了測(cè)試，您在實(shí)際原理圖中找不到它們，它顯示二進(jìn)制代碼以顯示哪個(gè)引腳處于活動(dòng)狀態(tài)

可編程增益放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

由于該電路便宜、簡單且簡單，因此可以在許多不同的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

這里 MOSFET 用作開關(guān)，將所有電流通過電阻器接地，這就是為什么溫度的影響不確定的原因，并且由于我有限的工具和測(cè)試設(shè)備，我無法向您展示不同溫度對(duì)電路。

將 BJT 與 MOSFET 一起使用的目的是因?yàn)槲蚁胂蚰故?BJT 對(duì)于此類應(yīng)用的性能有多差。

反饋電阻和輸入電阻的值必須在 KΩ 范圍內(nèi)，這是因?yàn)殡娮柚翟叫。鬟^ MOSFET 的電流就越多，因此 MOSFET 上的壓降越大，導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)果。

進(jìn)一步增強(qiáng)

可以進(jìn)一步修改電路以提高其性能，就像我們可以添加濾波器來抑制高頻噪聲一樣。

由于本測(cè)試使用的是 LM358 果凍豆運(yùn)算放大器，因此運(yùn)算放大器的失調(diào)誤差在輸出電壓中起主要作用。所以它可以通過使用儀表放大器而不是LM358來進(jìn)一步改進(jìn)。

該電路僅用于演示目的。如果您考慮在實(shí)際應(yīng)用中使用此電路，則必須使用斬波型運(yùn)算放大器和高精度 0.1 歐姆電阻來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定性。