利用MAX551实现程控谱仪放大器牙轮钻头
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利用MAX551实现程控谱仪放大器
利用MAX551实现程控谱仪放大器 2011年12月10日 来源： 随着计算机技术的日益成熟和普及，程控仪器设备已成为仪器自动化的重要手段之一。在笔者使用的X荧光分析仪中，欲对谱仪实现软件调节放大倍数和自动稳谱，必须对放大电路进行程控化。程控化需要考虑以下两个因素：（1）程控电路加入后要满足系统A／D转换器对信号上升时间的要求，（2）程控电路的加入不能影响原系统的平均计数率。利用MAX551对其谱放大器部分进行改进而实现的程控放大器能够较好地满足上述两个要求。 2MAX551简介 MAX551为串行输入电流型D／A芯片，具有12位分辨率，其内部包括12位移位寄存器、12位DAC寄存器、12位D／A转换器、上电复位电路和反馈电阻等，结构框图如图1所示。 通过添加外部电流电压转换器，输出电流（IOUT）可以转换为电压。MAX551的数字量的输入是三线串行输入，其串行接口兼容SPI及MICROWIRE标准，其输入时序如图2所示。参考输入端REF可输入固定的或时变的电压信号以及电流信号。MAX551可工作于单极性方式或双极性方式。所有的输入脚均兼容TTL及CMOS电平。
3程控电路的设计 程控电路部分的原理图如图3所示。前级放大器的输出连至MAX551的参考输入端REF引脚，输出端连至MAX4101宽带运放进行电流－电压转换。C1用来消除由MAX551的输出电容和内部反馈电阻RFB所形成的极点，避免和高速运放MAX4101相连后输出产生振铃现象。这样，程控放大电路的时间常数由MAX551的等效输出电阻、等效输出电容及MAX4101的等效输入电容决定。而MAX551的等效输出电阻约为7．5k，等效输出电容约为14～20pF，MAX4101的输入电容约为1～2pF。因此，由τ＝R·C，理论上程控放大电路时间
常数最大约为112～165ns，小于原始谱信号的时间常数，使得原始谱信号通过程控部分后，满足设计时A／D转换器对谱信号的要求。MAX551工作于单极性方式：当D／A输入为全1时，输出电压信号Vout与输入电压信号Vin的关系式为：Vout＝－（4095／4096）×Vin；输入全0时，Vout＝0。输入最高位为1时，Vout＝－Vin／2，可将此状态设为开机时的正常工作状态，以便对上下留有充足的调节量。若此时电压幅度过低，可以在MAX551第3脚与MAX4101的第6脚间串联一合适的电阻，进行适当地放大；或在后面再加一级运放，使得脉冲信号幅度符合A／D转换器的要求。程控放大器的分辨率可达1／4096。对于笔者使用的X荧光分析仪，A／D转换器转换精度为10位，则A／D转换器的最大分辨约为1／1024。加入此程控放大部分，其输出电压的最小调节量约为A／D转换器最大分辨量的1／4。也就是说，如果与A／D转换器相匹配的多道为1024道（这也是此A／D转换器的最大分辨能力），则程控数字量每变化4时，峰位才变化1道，完全可以实现细至1道的峰位调节，满足谱仪系统设计的要求。4实验结果及结论 在放大器输入端加入一模拟探测器的脉冲信号经成形放大电路后其脉冲为负极性，其前沿下降时间约为562ns，脉冲宽度约为1．32μs，如图4（a）所示；再经过程控电路部分后，其前沿上升时间约为616ns，脉冲宽度约为1．36μs，如图4（b）所示（此时MAX551设为全1）。由于上升时间和时间常数的关系为：tr＝2.2τ,且整个电路的时间常数与各部分电路时间常数的关系为：τ2＝τ21＋τ2 2，可以计算出程控电路的时间常数约为115ns，与理论值相符。由于程控电路部分的时间常数小于前级电路的时间常数，使得通过程控放大器后的信号波形的上升时间和脉冲宽度与原来相当，基本上保持了原电路的信号波形和平均计数率。改变MAX551的数字输入，其输
出波形的上升时间与脉冲宽度的值如表1所示。由表1可见，随着MAX551数字输入的改变，并不改变其输出波形的上升时间和脉冲宽度，因此，通过程控放大器调节放大倍数时并不会改变其输出波形的形状。由于MAX551具有良好的线形和分辨率，因此可以通过设置其数字输入而实现谱仪放大倍数的软件设定以及自动稳谱功能的实现。 综上所述，程控电路部分的引入，并没有使原放大信号的波形发生歧变，满足A／D转换器对输入脉冲波形的要求；同时也基本保持了原放大电路的平均计数率。通过恰当的接口，可以用软件设置MAX551的数字量输入，从而方便地实现谱仪放大倍数的设定以及自动稳谱功能。