ERT中多通道程控增益放大電路設計

摘要 針對ERT(電阻層析成像)，并行數據采集中通道數多且采集到的微弱信號變化范圍較大的特點，提出了一種新的多通道程控增益放大電路設計方案。方案中通過檢測各通道中輸入信號的大小，相應地調節各通道輸入信號的放大倍數。使其滿足模數轉換器(ADC)的輸入要求，從而進行A／D采樣。介紹了基于AD603的程控增益放大電路設計方案，實現方法以及實驗結果。研究設計的多通道程控增益放大電路具有一定的通用性。
關鍵詞 ERT；多通道；程控增益；AD603

電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技術是基于電學敏感原理對物場中的電阻率信息進行檢測的一種過程層析成像(Process Tomography)技術。該技術具有無輻射、可視化、非侵入等優點，使得ERT技術在工業過程檢測和醫學臨床監控等領域具有廣闊的應用前景。
在基于并行數據采集的ERT系統中，由于各測量電極上輸出的電壓信號不同，則各采樣通道送到模數轉換器輸入端的電壓信號也各不相同，因此不能采用固定增益的放大電路對信號進行放大。同時，由于所要測量的微弱信號的動態范圍較寬，所以要求各通道中的放大電路能根據輸入信號的大小，而做出相應的增益調整，從而提高整個系統的分辨率。文中就上面的問題，對多通道的程控放大電路設計展開研究。

1 多通道程控放大電路的系統組成
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。整個電路由放大模塊、增益控制模塊、A／D轉換模塊、微控器以及EEPR-OM模塊組成。放大電路將微弱的輸入信號放大到模數轉換器的合適量程范圍內。

程控放大的過程為：檢測測量電極上輸出的電壓信號，判斷是否滿足A／D轉換的輸人要求，若不滿足則微控器利用增益控制模塊對放大電路進行增益控制，使其達到要求。

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

由于ERT系統測量的信號是mV級甚至更小，而在多通道程控放大的電路中信號是同時采集放大的，容易出現共模干擾，為保證信號的有效性，去掉干擾，圖中選用儀表放大器INA128以減少干擾。其中INA128具有低輸入失調電壓50μV；低失調電壓漂移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)等優點。