ERT中多通道程控增益放大電路設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)ERT(電阻層析成像)，并行數(shù)據(jù)采集中通道數(shù)多且采集到的微弱信號(hào)變化范圍較大的特點(diǎn)，提出了一種新的多通道程控增益放大電路設(shè)計(jì)方案。方案中通過檢測(cè)各通道中輸入信號(hào)的大小，相應(yīng)地調(diào)節(jié)各通道輸入信號(hào)的放大倍數(shù)。使其滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入要求，從而進(jìn)行A／D采樣。介紹了基于AD603的程控增益放大電路設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究設(shè)計(jì)的多通道程控增益放大電路具有一定的通用性。
關(guān)鍵詞 ERT；多通道；程控增益；AD603

電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技術(shù)是基于電學(xué)敏感原理對(duì)物場(chǎng)中的電阻率信息進(jìn)行檢測(cè)的一種過程層析成像(Process Tomography)技術(shù)。該技術(shù)具有無輻射、可視化、非侵入等優(yōu)點(diǎn)，使得ERT技術(shù)在工業(yè)過程檢測(cè)和醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
在基于并行數(shù)據(jù)采集的ERT系統(tǒng)中，由于各測(cè)量電極上輸出的電壓信號(hào)不同，則各采樣通道送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓信號(hào)也各不相同，因此不能采用固定增益的放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。同時(shí)，由于所要測(cè)量的微弱信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬，所以要求各通道中的放大電路能根據(jù)輸入信號(hào)的大小，而做出相應(yīng)的增益調(diào)整，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。文中就上面的問題，對(duì)多通道的程控放大電路設(shè)計(jì)展開研究。

1 多通道程控放大電路的系統(tǒng)組成
由多通道程控放大電路組成的采樣電路的基本組成如圖1所示。整個(gè)電路由放大模塊、增益控制模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、微控器以及EEPR-OM模塊組成。放大電路將微弱的輸入信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的合適量程范圍內(nèi)。

程控放大的過程為：檢測(cè)測(cè)量電極上輸出的電壓信號(hào)，判斷是否滿足A／D轉(zhuǎn)換的輸人要求，若不滿足則微控器利用增益控制模塊對(duì)放大電路進(jìn)行增益控制，使其達(dá)到要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在多通道程控放大電路的硬件設(shè)計(jì)中，主要是設(shè)計(jì)信號(hào)放大模塊，增益控制模塊以及微控器模塊。其中信號(hào)放大模塊的主要功能是放大各通道輸出的微弱信號(hào)；而增益控制模塊主要是檢測(cè)放大后的信號(hào)是否滿足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，若不滿足則控制信號(hào)放大模塊，進(jìn)行程控放大；反之，則不做任何輸出變化，微控器模塊主要完成對(duì)增益模塊的控制。
2．1 信號(hào)放大模塊
在信號(hào)放大模塊的設(shè)計(jì)中，所涉及的芯片包括INA128，AD603和AD817。設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

由于ERT系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)是mV級(jí)甚至更小，而在多通道程控放大的電路中信號(hào)是同時(shí)采集放大的，容易出現(xiàn)共模干擾，為保證信號(hào)的有效性，去掉干擾，圖中選用儀表放大器INA128以減少干擾。其中INA128具有低輸入失調(diào)電壓50μV；低失調(diào)電壓漂移0．5μV／℃；高輸入阻抗；低輸入偏置電流5 nA；高共模抑制比120 dB(G=100)等優(yōu)點(diǎn)。