在測量行業(yè)中，一個(gè)非常關(guān)鍵的功能模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)見過萬用表或示波器非常珍貴地測量非常小的電壓，因?yàn)殡娐肪哂袃?nèi)置PGA和功能強(qiáng)大的ADC，有助于精確測量過程。

如今，現(xiàn)成的PGA放大器提供了一個(gè)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)置的可選輸入?yún)⒖茧妷骸５羞@些功能都是有成本的，對(duì)我來說，不值得將昂貴的芯片用于通用應(yīng)用。

因此，為了克服這些情況，我提出了一個(gè)由運(yùn)算放大器，MOSFET和Arduino組成的安排，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)建自己的可編程增益放大器，并且我將討論電路的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及測試。

運(yùn)算放大器基礎(chǔ)

為了理解這個(gè)電路的工作原理，了解運(yùn)算放大器的工作原理是非常重要的。通過以下運(yùn)算放大器測試電路了解更多有關(guān)運(yùn)算放大器的信息。

在上圖中，你可以看到一個(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，運(yùn)算放大器還可以做各種運(yùn)算，如求和、微分、積分等。在這里了解更多關(guān)于求和放大器和差分放大器的信息。

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

運(yùn)算放大器只遵循兩條規(guī)則

1.沒有電流流入或流出運(yùn)放輸入。

2.運(yùn)算放大器試圖使輸入保持在相同的電壓水平。

因此，有了這兩個(gè)規(guī)則澄清，我們可以分析下面的電路。此外，通過各種基于運(yùn)算放大器的電路來了解更多關(guān)于運(yùn)算放大器的知識(shí)。

可編程增益放大器工作

上圖給了你一個(gè)關(guān)于我的crud PGA放大器電路安排的基本想法。在這個(gè)電路中，運(yùn)算放大器被配置為一個(gè)非反相放大器，正如我們都知道的非反相電路安排，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，正如你可以從上面的電路安排中看到的，我只需要一次切換一個(gè)mosfet來改變運(yùn)算放大器的增益。

在測試部分，我只是一次切換一個(gè)mosfet，并將測量值與實(shí)用值進(jìn)行比較，您可以在下面的“測試電路”部分中觀察結(jié)果。

組件的要求

?Arduino Nano - 1

?Lm358 IC - 1

?LM7805穩(wěn)壓器- 1

?通用NPN晶體管- 2

?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

?觸覺開關(guān)通用- 1

?琥珀色LED 3mm - 2

?面包板通用- 1

?跳線通用- 10

?電源±12V - 1

原理圖

為了演示可編程增益放大器，在原理圖的幫助下，電路在無焊面包板上構(gòu)建;為了減少面包板內(nèi)部的寄生電感和電容，所有的元件都盡可能地放置在一起。

如果你想知道為什么在我的面包板上有一簇電線?讓我告訴你，這是一個(gè)良好的接地連接，因?yàn)樵诿姘鍍?nèi)部接地連接是非常差的。

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的測量值為6.75K， R7的測量值為220.8R，這兩個(gè)電阻形成分壓器，用于產(chǎn)生運(yùn)放的輸入測試電壓。電阻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。

在本博客中，我想向您展示使用MOSFET而不是BJT的原因，因此電路安排。

Arduino PGA代碼

在這里，Arduino Nano用于控制晶體管的基極和mosfet的柵極，萬用表用于顯示電壓水平，因?yàn)锳rduino的內(nèi)置ADC在測量低電壓水平時(shí)做得非常差。

下面給出了這個(gè)項(xiàng)目的完整Arduino代碼。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()是主要的功能塊，其中根據(jù)需求執(zhí)行所有輸入和輸出的讀寫操作。

可編程增益放大器的計(jì)算

PGA放大器電路的測量值如下所示。

注意!電阻器的測量值顯示出來，因?yàn)榕c測量的電阻器值我們可以密切地比較理論值和實(shí)際值。

現(xiàn)在分壓器計(jì)算器的計(jì)算如下所示：

分壓器輸出為0.1564V

計(jì)算4個(gè)電阻的非反相放大器增益

當(dāng)R1為所選電阻時(shí)為Vout

當(dāng)R2為所選電阻時(shí)為Vout

當(dāng)R3為所選電阻時(shí)為Vout

當(dāng)R4為所選電阻時(shí)為Vout

我所做的一切都是為了盡可能接近地比較理論和實(shí)際價(jià)值。

計(jì)算完成后，我們可以進(jìn)入測試部分。

可編程增益放大電路的測試

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

上圖顯示了當(dāng)晶體管T4接通時(shí)的輸出電壓，因此電流流經(jīng)電阻R4。

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

上圖顯示了晶體管T3接通時(shí)的輸出電壓，因此電流流過電阻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)，我們得到的誤差在10到50 mV范圍內(nèi)。

根據(jù)上述結(jié)果，很明顯，MOSFET是這種應(yīng)用的最佳解決方案，理論和實(shí)踐中的誤差可能是由于運(yùn)算放大器的偏移誤差引起的。

注意!請(qǐng)注意，我添加了兩個(gè)led只是為了測試，你無法在實(shí)際的原理圖中找到它們，它顯示二進(jìn)制代碼來顯示哪個(gè)引腳是活躍的

可編程增益放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

由于這種電路便宜、容易和簡單，它可以在許多不同的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

在這里，MOSFET用作開關(guān)，將所有電流通過電阻到地，這就是為什么溫度的影響不確定，并且使用我有限的工具和測試設(shè)備，我無法向您展示變化溫度對(duì)電路的影響。

將BJT與mosfet一起使用的目的是因?yàn)槲蚁胂蚰故綛JT對(duì)于這種應(yīng)用有多差。

反饋電阻和輸入電阻的值必須在KΩ范圍內(nèi)，這是因?yàn)榫哂休^低的電阻值，更多的電流將流過MOSFET，因此更多的電壓將在MOSFET上下降，導(dǎo)致不可預(yù)測的結(jié)果。

進(jìn)一步增強(qiáng)

電路可以進(jìn)一步修改以提高其性能，例如我們可以添加濾波器來抑制高頻噪聲。

由于本次測試使用的是LM358軟糖運(yùn)放，因此運(yùn)放的偏置誤差在輸出電壓處起著重要作用。因此，可以通過使用儀器放大器而不是LM358來進(jìn)一步改進(jìn)。

這個(gè)電路僅作演示之用。如果您正在考慮在實(shí)際應(yīng)用中使用此電路，則必須使用斬波式運(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。

本文編譯自circuitdigest