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(hào)輸出的幅度，信號(hào)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(lái)控制模擬信號(hào)幅度了，這樣數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)就可以打交道了。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)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(lái)說(shuō)的，若信號(hào)輸出比大于1，則說(shuō)明是在放大信號(hào)，也就是幅值在增長(zhǎng)，所以用增益更確切；反過(guò)來(lái)，若信號(hào)輸出比小于1，則說(shuō)明是在縮小信號(hào)，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(shuō)法不同而已了。下面具體來(lái)看看怎么實(shí)現(xiàn)。

2.Content

2.1 基本模型

程控電路的基本模型是由運(yùn)算放大器組成，根據(jù)運(yùn)放虛短和虛斷的特點(diǎn)來(lái)構(gòu)成比例放大電路。先看一個(gè)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(yùn)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(lái)確定了。值得注意的是，輸出的電壓是負(fù)值，也就是要求運(yùn)放是雙電源供電的；若是采用單電源供電的運(yùn)放，只需將5腳6腳的位置換一換，改成上正下負(fù)的就可以了，切記的是放大的幅度不要超過(guò)運(yùn)放的供電電壓（運(yùn)放是不能穩(wěn)定輸出一個(gè)比供電電壓還要大的信號(hào)）；不過(guò)，在雙電源情況將負(fù)值信號(hào)搬回到正值區(qū)間也比較容易，再用一個(gè)反向比例放大電路就可以了，這個(gè)比較實(shí)用，將圖畫(huà)一畫(huà)。

FIG2.2放大信號(hào)反向

跟第一個(gè)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(guò)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(gè)電阻，然后將另外一個(gè)電阻設(shè)置為可調(diào)的。至于固定哪一個(gè)電阻，這個(gè)根據(jù)實(shí)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(guò)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換的阻值（歸根結(jié)底應(yīng)該是算電流，不過(guò)對(duì)電流的控制是電阻，所以也可以用電阻值來(lái)衡量），實(shí)現(xiàn)電壓比例系數(shù)的變化；如何用數(shù)字信號(hào)來(lái)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(huà)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://www.makelele.cn/article/88/171/2009/2009033040169.html

FIG2.3 倒T型電阻網(wǎng)路D/A轉(zhuǎn)換器

整個(gè)電路是轉(zhuǎn)換器的整個(gè)部分，右邊是一個(gè)運(yùn)放，暫先不關(guān)注，最重要是看看左邊這個(gè)經(jīng)典的倒T網(wǎng)絡(luò)。電路設(shè)計(jì)的很巧妙，每一個(gè)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(jìn)去，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電阻均為R，故每一個(gè)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(shí)總電流的1/4，依次類推。用數(shù)學(xué)式子準(zhǔn)確表達(dá)一下，就是

將電流轉(zhuǎn)換成電壓和電阻來(lái)表示，將左邊的式子當(dāng)做成R的一個(gè)系數(shù)，很明顯可以看出通過(guò)改變數(shù)字量就可以改變電阻值，換句話說(shuō)，電阻值可以被數(shù)字量量化。有了這個(gè)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(guò)上述的分析，就是要利用這個(gè)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(hào)比輸入信號(hào)要小，是在將信號(hào)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(hào)比輸入信號(hào)要大，將信號(hào)進(jìn)行放大，這稱為增益。下面進(jìn)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(hào)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(gè)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(yùn)放輸出端相連，參考電壓端作為輸出信號(hào)。若要將信號(hào)翻轉(zhuǎn)到正值，可以參考FIG2.2電路。值得說(shuō)明一點(diǎn)的是最大的Vi的取值應(yīng)該在-VEE以內(nèi)，否則會(huì)對(duì)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(hào)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(hào)，電壓參考端與運(yùn)放輸出端相連作為輸入信號(hào)。值得注意的是輸入信號(hào)的Vi最大增益幅值Vomax應(yīng)該在-VEE以內(nèi)，也就是

否則會(huì)對(duì)增益的正確度有一定影響。

稍微補(bǔ)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(chǎng)合。了解其原理以后，還可以搭建其他更多用數(shù)字信號(hào)控制的電路。

3.Conclusion

用數(shù)字邏輯和模擬信號(hào)打交道是很常見(jiàn)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(gè)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(méi)有通過(guò)實(shí)際的驗(yàn)證，也是限于現(xiàn)在的條件，以后做實(shí)驗(yàn)了也將驗(yàn)證部分加入進(jìn)來(lái)，將其寫(xiě)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(shī)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