利用MAX551實現(xiàn)程控譜儀放大器

介紹了一種利用D／A轉(zhuǎn)換器MAX551實現(xiàn)程控放大器的方法，該法已成功地應用于X射線熒光譜儀放大器中。
??? 關(guān)鍵詞：MAX551，程控放大器，D／A轉(zhuǎn)換器
　　
1引言
　　隨著計算機技術(shù)的日益成熟和普及，程控儀器設(shè)備已成為儀器自動化的重要手段之一。在筆者使用的X熒光分析儀中，欲對譜儀實現(xiàn)軟件調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和自動穩(wěn)譜，必須對放大電路進行程控化。程控化需要考慮以下兩個因素：（1）程控電路加入后要滿足系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換器對信號上升時間的要求，（2）程控電路的加入不能影響原系統(tǒng)的平均計數(shù)率。利用MAX551對其譜放大器部分進行改進而實現(xiàn)的程控放大器能夠較好地滿足上述兩個要求。
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2MAX551簡介
　　MAX551為串行輸入電流型D／A芯片，具有12位分辨率，其內(nèi)部包括12位移位寄存器、12位DAC寄存器、12位D／A轉(zhuǎn)換器、上電復位電路和反饋電阻等，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　通過添加外部電流電壓轉(zhuǎn)換器，輸出電流（IOUT）可以轉(zhuǎn)換為電壓。MAX551的數(shù)字量的輸入是三線串行輸入，其串行接口兼容SPI及MICROWIRE標準，其輸入時序如圖2所示。參考輸入端REF可輸入固定的或時變的電壓信號以及電流信號。MAX551可工作于單極性方式或雙極性方式。所有的輸入腳均兼容TTL及CMOS電平。 3程控電路的設(shè)計
　　程控電路部分的原理圖如圖3所示。前級放大器的輸出連至MAX551的參考輸入端REF引腳，輸出端連至MAX4101寬帶運放進行電流－電壓轉(zhuǎn)換。C1用來消除由MAX551的輸出電容和內(nèi)部反饋電阻RFB所形成的極點，避免和高速運放MAX4101相連后輸出產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。這樣，程控放大電路的時間常數(shù)由MAX551的等效輸出電阻、等效輸出電容及MAX4101的等效輸入電容決定。而MAX551的等效輸出電阻約為7．5k，等效輸出電容約為14～20pF，MAX4101的輸入電容約為1～2pF。因此，由τ＝R·C，理論上程控放大電路時間 常數(shù)最大約為112～165ns，小于原始譜信號的時間常數(shù)，使得原始譜信號通過程控部分后，滿足設(shè)計時A／D轉(zhuǎn)換器對譜信號的要求。MAX551工作于單極性方式：當D／A輸入為全1時，輸出電壓信號Vout與輸入電壓信號Vin的關(guān)系式為：Vout＝－（4095／4096）×Vin；輸入全0時，Vout＝0。輸入最高位為1時，Vout＝－Vin／2，可將此狀態(tài)設(shè)為開機時的正常工作狀態(tài)，以便對上下留有充足的調(diào)節(jié)量。若此時電壓幅度過低，可以在MAX551第3腳與MAX4101的第6腳間串聯(lián)一合適的電阻，進行適當?shù)胤糯?；或在后面再加一級運放，使得脈沖信號幅度符合A／D轉(zhuǎn)換器的要求。程控放大器的分辨率可達1／4096。對于筆者使用的X熒光分析儀，A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度為10位，則A／D轉(zhuǎn)換器的最大分辨約為1／1024。加入此程控放大部分，其輸出電壓的最小調(diào)節(jié)量約為A／D轉(zhuǎn)換器最大分辨量的1／4。也就是說，如果與A／D轉(zhuǎn)換器相匹配的多道為1024道（這也是此A／D轉(zhuǎn)換器的最大分辨能力），則程控數(shù)字量每變化4時，峰位才變化1道，完全可以實現(xiàn)細至1道的峰位調(diào)節(jié)，滿足譜儀系統(tǒng)設(shè)計的要求。
4實驗結(jié)果及結(jié)論
　　在放大器輸入端加入一模擬探測器的脈沖信號經(jīng)成形放大電路后其脈沖為負極性，其前沿下降時間約為562ns，脈沖寬度約為1．32μs，如圖4（a）所示；再經(jīng)過程控電路部分后，其前沿上升時間約為616ns，脈沖寬度約為1．36μs，如圖4（b）所示（此時MAX551設(shè)為全1）。由于上升時間和時間常數(shù)的關(guān)系為：tr＝2.2τ,且整個電路的時間常數(shù)與各部分電路時間常數(shù)的關(guān)系為：τ2＝τ21＋τ2 2，可以計算出程控電路的時間常數(shù)約為115ns，與理論值相符。由于程控電路部分的時間常數(shù)小于前級電路的時間常數(shù)，使得通過程控放大器后的信號波形的上升時間和脈沖寬度與原來相當，基本上保持了原電路的信號波形和平均計數(shù)率。改變MAX551的數(shù)字輸入，其輸 出波形的上升時間與脈沖寬度的值如表1所示。由表1可見，隨著MAX551數(shù)字輸入的改變，并不改變其輸出波形的上升時間和脈沖寬度，因此，通過程控放大器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)時并不會改變其輸出波形的形狀。由于MAX551具有良好的線形和分辨率，因此可以通過設(shè)置其數(shù)字輸入而實現(xiàn)譜儀放大倍數(shù)的軟件設(shè)定以及自動穩(wěn)譜功能的實現(xiàn)。
??? 綜上所述，程控電路部分的引入，并沒有使原放
大信號的波形發(fā)生歧變，滿足A／D轉(zhuǎn)換器對輸入脈沖波形的要求；同時也基本保持了原放大電路的平均計數(shù)率。通過恰當?shù)慕涌?，可以用軟件設(shè)置MAX551的數(shù)字量輸入，從而方便地實現(xiàn)譜儀放大倍數(shù)的設(shè)定以及自動穩(wěn)譜功能。
1　江輯光．電路原理．北京：清華大學出版社，2000