湿度传感器信号处理系统中程控增益放大器的设计

马德智，李巴津

（1.内蒙古工业大学 电力学院，内蒙古 呼和浩特010080；2.内蒙古工业大学 信息工程学院，内蒙古 呼和浩特010080）

1 引言

湿度是一个重要的物理量，在很多行业中，如发电、纺织、食品、医药、仓储、农业等，对于湿度参量的要求都非常严格。这便离不开湿度传感器这一湿度检测装置在各行业中的应用。湿度传感器的发展历程在很大程度上就是新的湿敏材料的发现、研制及其特性改善的过程。无论是何种传感器，都要选择恰当的材料来制作。近年来，在传感器技术领域，所应用的新型材料主要有：半导体硅材料、石英晶体材料、功能陶瓷材料。而陶瓷湿敏材料具有许多突出的优点，是一类富有生命力的湿敏材料。其中，以TiO2为基成分，再掺入其他组分合成的一大类湿敏陶瓷称为TiO2基湿敏陶瓷。由于TiO2来源广泛、结构稳定、感湿性能优良，因而TiO2基湿敏陶瓷得到了广泛的研究和应用，成为最具代表性和竞争力的一类湿敏材料。

本文中所采用的便是烧结温度在500℃下制备的TiO2基湿敏陶瓷材料。可用它来测试中、高湿度的环境变化。在相对湿度为40%～98%的范围内，其阻抗值随湿度的增加而减小，变化范围从109Ω到105Ω变化了4个数量级，具有较高的感湿性能。如此大范围的电学量变化，普通的程控放大器很难满足。这需要宽范围的增益调节以满足信号处理的要求。本文将重点介绍的就是一款采用单片机实现的宽范围自动调整增益变化的程控放大电路。

2 硬件电路设计

2.1 信号发生电路

信号发生电路如图1所示，它是通过湿敏电阻和固定电阻分压，将信号直接送到放大器的输入端。

2.2 系统框图

整个系统的框图如图2所示。

2.3 程控放大部分介绍

图2中的可编程增益放大芯片使用了德州仪器公司生产的INA128通用仪表放大器。此放大器具有低功耗、高精度的特点，它的3运放设计（3－op amp）和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流输入电路即使在高增益条件下（G＝100时，200kHz）也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择，INA128提供工业标准的增益等式：

图1 信号发生电路

图2 系统框图

式中的RG是INA128的外接电阻，当RG是无穷大时，增益则保持1倍，RG的不断缩小增益倍数随之增大，最大可到达10000倍。INA128的管脚图如图3所示。在有噪声或高阻抗供电电源的应用中要在器件的引脚附近接去耦电容器。输出端可参考输出基准（Ref）端，该终端通常接地。在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置，增益等式在上面已经给出。高增益要求低电阻值，关键在于配线的阻值，要求配线的电阻值很低。INA128的输入阻抗极高，大约1010Ω。在INA128的应用过程中，直流电源需要对其进行供电，可以选择的直流电压源的幅值范围是＋／－18v，而为了保证电压源中可能含有的交流分量不与INA128中的器件发生关联，影响工作效果，要在INA128的供电管脚处加上旁路电容器，如图5中的C1和C2，其值为0.1μF。

图3 INA128引脚图

INA128外部电阻的变换，本实验中使用了数控模拟开关MAX4639来实现。MAX4639是MAXIM公司生产的一款低导通电阻（约为3.5Ω）双重数字式4路模拟开关。其单端供电电压为1.8V到5V。工作速度也很迅速，ton＝18ns，toff＝7ns。在4路开关的每一端外接一只上述提及的阻值不同的电阻，在需要时，通过数字量的控制，来决定开启哪一路开关，从而为放大器配置不同的外接电阻，达到增益变化的目的。MAX4639的管脚图如图4所示，其引脚功能和真估表分别见表1和表2。

图4 MAX4639引脚图

图5所示为程控放大环节的核心部分。通过单片机对数字电位器MAX4639的使能端EN，及数字量控制端A0、A1的控制，使其可以选择四路之一的通路接通，而每一个通路均接有阻值不同的电阻，来作为集成放大器的外接电阻，以调整放大器的放大倍数。因为设计中应用的传感器的湿敏材料的阻止变化范围很大，达到了105Ω，这就造成信号幅值会有相应的变化范围，所以程控放大器共有4种放大倍数可供选择，加上对使能端EN是否有效的控制（使能端如果无效，相当于断路，进而外接阻值无穷大，根据公式放大倍数为1），共有5种状态，将增益的调整分为5个大的层次，相邻的增益层次之间均相差10倍，去适应不同的信号幅值。

表1 MAX4639引脚功能

表2 MAX4639真值表

集成放大器的输出端电压直接进入交直流转换装置，选用高精度真有效值电压转换芯片——AD637。真有效值电压转换芯片，克服了以往交直流转换器件受波形失真影响大的缺点，不论何种复杂的波形都可以稳定、精确的输出结果。器件所输出的直流电压除了进入模拟－数字转换芯片以外，也将电压值提供给一比较器件。本文中选用了比较经典的电压比较器集成块——LM339。LM339内含4个相同的电压比较器，可以设置外部的参考电压，利用其翻转电压小的特点，与输入的电压进行高精度的比较，确定比较器输出端的电平高低，以通知单片机输入电压的幅值是否符合模拟－数字转换芯片的量程，并对模拟－数字转换芯片做出相应的动作。

2.4 程控放大环节工作流程

集成放大器、数字电位器、真有效值电压转换芯片和电压比较器，配合单片机的控制，组成了程控放大环节。首先，不论电压值是多少，单片机最初都使数字电位器和模拟数字转换芯片的使能端无效，放大器的放大倍数为1，并关闭模数转换。这时，电压保持不变的进入A／D电路，输出的直流信号与比较器的参考电压进行比较，如果电压的幅值不符合模数转换器的量程，则输出的信号通知单片机开启数字电位器并增加放大倍数。被放大后的电压再次与参考电压比较，如果仍然不能达到所需范围，则单片机控制数字电位器再次增加放大倍数，直到符合模数转换的量程时，单片机此时会开启模数转换器的使能，将当前幅值的电压转化成数字量，传递于单片机，处理后显示于显示器件之上。

图5 程控放大环节

2.5 采集电路及显示器件

本文所采用的模拟－数字转换模块为8位8通道模数转换芯片——MAX118采用28引脚封装，具有转换速度快、功耗低、精度高等特点。8列并行输出，直接与单片机的P0口相连接。所采用的显示器件为8位数码管，简单直接。可显示出当前湿度的百分值。

3 软件设计概述

3.1 主程序设计流程图

本次设计采用了单片机汇编语言编程，简单直观，易于仿真。其主要包括主程序、增益调整子程序、数据处理子程序和显示子程序组成。主程序的流程图在下面图6给出。采用中断0方式介入增益调整子程序。

图6 主程序流程

3.2 程控增益调整子程序流程图

增益调整子程序的框图如图7所示。初值设定主要是为MAX4639的A0、A1和EN设定0值。为了等待集成放大器、真有效值电压芯片和比较器的工作，所以设置了延时程序，确保比较器的输出是正确的、稳定的。放大过程结束后，单片机会自动记录下当前的放大倍数，以便之后处理数据时方便运算。

图7 程控增益调整子程序流程

4 结语

本文所描述的是一套完整的湿度传感器信号处理系统，但核心部分是程控放大环节的实现。文中程控放大环节的主要特点是能够适应宽范围的增益变换，很好的与传感器的大跨度输出电压值相匹配，使测量结果更加精确、有效。经过实验的验证，本系统能较为顺畅的完成工作，系统功耗低，制作成本低廉，输出准确稳定，具有良好的应用前景。

［1］ 郑 杰，马胜前.自适应测量接口的研究和实现［J］.电测与仪表，2009（8）：71～75.

［2］ 王学飞，陈 毅，徐玉龙.程控放大器的实现［J］.中国高新技术企业，2009（15）：59～60.

［3］ 邓学伟，孟 祥，姜永森.数字电位器及其在智能仪表中的应用［J］.化工自动化及仪表，1999，26（4）：41～43.

［4］ Jader A，De Lima.A low－voltage wide－swing programmablegain current amplifier［J］.Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2004（41）：147～157.

［5］ Calvo B，Celma S，Sanz M T.Low－voltage low－power 100MHz programmable gain amplifier in 0.35μm COMS［J］.Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2006（48）：263～266.