Используя два операционных усилителя и три аналоговых ключа, вы можете построить программируемый усилитель, который будет преобразовывать сигнал перед его оцифровкой.
DPGA (усилители с цифровой регулировкой коэффициента усиления) усиливают или ослабляют аналоговые сигналы для максимального использования динамического диапазона АЦП. Большинство интегральных DPGA, таких как LTC6910 компании Linear Technology и LMP8100 компании National Semiconductor, используют умножающий ЦАП в цепи обратной связи операционного усилителя таким образом, что входной код поданный на ЦАП, устанавливает коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью. Вместо использования интегрального DPGA, вы можете использовать два операционных усилителя и три аналоговых ключа для построения DPGA на основе отрицательной константы времени.
Нет сомнений, что вы хорошо знакомы с экспоненциально убывающей функцией e–t/RC где конденсатор RC цепочки асимптотически разряжается до ноля. Для выходного напряжения, V=VIN/2 при t=T=loge(2)RC, V=VIN/4 при t=2T, V=VIN/8 при t=3T, и так далее. Менее известна, но не менее проста, реализация той же RC топологии при замене сопротивления R на активную схему, синтезирующую отрицательную величину сопротивления (рис. 1). Если вы замените резистор R на –R, вы получите положительную временную константу RC цепочки. Таким образом, вы получите экспоненциально нарастающую функцию, VINe+t/RC. В отличие от стремления к нолю, этот график теоретически возрастает до бесконечности, и V=2VIN при t=T, V=4VIN при t=2T, V=8VIN при t=3T, и так далее. Таким образом, вы можете усилить входной сигнал просто подождав нужное время (t=log2(V/VIN)T) после начала «отрицательного разряда». Экспоненциальное нарастание и отрицательная константа времени являются краеугольными камнями схемы приведенной на рис. 2.
Вы можете задавать величину коэффициента усиления данной схемы с помощью ШИМ (широтно-модулированного сигнала) подаваемого с микроконтроллера или другой схемы. Когда входной ШИМ-сигнал равен логическому нолю, конденсатор выборки хранения C1 заряжается до напряжения VIN. Когда ШИМ-сигнал становится равным единице, операционный усилитель A1 формирует R1C1 положительную цепь обратной связь, создавая отрицательную константу времени. Полученная возрастающая экспоненциальная функция увеличивает заряд конденсатора C1 все время, пока ШИМ сигнал остается равным логической единице. В результате, выходное напряжение усилителя описывается выражением:
VOUT(t)=VIN2(t/10 μsec+0.5).
Таким образом, величина коэффициента усиления равна gain=2(t/10 мкс+0.5) и log(gain)=3+0.6 дБ/мкс. В конце периода усиления, когда ШИМ-сигнал станет равен логическому нолю, усилитель A2 запомнит и сохранит усиленное значение входного напряжения. Логарифмическая зависимость усиления от времени обеспечивает превосходное разрешение величины коэффициента усиления даже в случае использования ШИМ-сигнала разрядностью 8-мь бит, и диапазон программируемого коэффициента усиления более чем 0.2 дБ/МЗР на шаг.
Точность и повторяемость формирования экспоненциального сигнала, оцифровка с помощью АЦП, дрожание фронтов сигнала и стабильность временной константы RC - все это ограничивает точность установки программируемого коэффициента усиления. Для схемы на рис. 2.1 нс ошибки времени или дрожания фронта вызывает ошибку величины коэффициента усиления равную 0.007%. Но, к счастью, широкое распространение аппаратных таймеров-счетчиков в микроконтроллерах и системах сбора данных значительно облегчает цифровое формирование ШИМ-управляющего сигнала с высокой повторяемостью.
