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基于LMP8358的高精度可編增益儀表放大器設(shè)計方案

來源：

2024-11-29

類別：工業(yè)控制

拍明芯城

基于LMP8358的高精度可編增益儀表放大器設(shè)計方案

引言

在現(xiàn)代精密測量與信號處理系統(tǒng)中，高精度儀表放大器的應(yīng)用十分廣泛，例如醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。LMP8358是一款可編增益的高精度儀表放大器，具有低噪聲、高線性度、寬增益范圍和出色的共模抑制比(CMRR)，適合在多種應(yīng)用場景中實現(xiàn)高性能信號調(diào)理。本方案將詳細(xì)介紹以LMP8358為核心的高精度可編增益儀表放大器的設(shè)計，涵蓋其主控芯片的選型、設(shè)計中的作用以及整體電路實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

主控芯片選型

1. LMP8358——核心信號放大芯片

LMP8358 是德州儀器（TI）推出的一款高精度、低噪聲、可編增益儀表放大器，其核心特點包括：

增益可編程范圍：1至1000倍，通過外部接口控制。
低噪聲性能：4nV/√Hz的噪聲密度。
高線性度：最大非線性誤差為0.01%。
寬電源范圍：單電源(2.7V至5.5V)或雙電源(±2.5V)供電。
高共模抑制比(CMRR)：典型值為130dB，適合差分信號的高精度提取。

在設(shè)計中，LMP8358的主要作用是實現(xiàn)可編增益的差分信號放大，通過外部控制接口調(diào)節(jié)增益，從而滿足不同輸入信號幅度的測量需求。

2. 主控微控制器：STM32F103C8T6

在本方案中，選擇 STM32F103C8T6 作為主控微控制器，主要作用包括：

增益控制：通過SPI接口向LMP8358發(fā)送增益設(shè)定命令。
數(shù)據(jù)采集與處理：采集經(jīng)LMP8358放大的信號，進(jìn)行初步處理或直接傳輸至上位機。
通信功能：通過UART、I2C等接口與外部設(shè)備通信。
低功耗特性：STM32F103C8T6具備多種低功耗模式，適合對功耗敏感的應(yīng)用場景。

3. 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片：ADS1115

雖然STM32F103C8T6內(nèi)部自帶ADC模塊，但考慮到高精度需求，本方案選用外部16位ADC芯片 ADS1115。其主要特點如下：

高分辨率：16位精度，適合低電平信號的采樣。
多通道支持：支持4個單端通道或2個差分通道。
可編程增益放大：在某些情況下，可作為LMP8358增益的補充。
I2C接口：方便與STM32F103C8T6通信。

4. 電源管理芯片：TPS7A4700

為了確保放大器和微控制器工作時的電源穩(wěn)定性，選用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器 TPS7A4700 提供3.3V和5V的穩(wěn)定電源：

超低噪聲輸出：僅4μVrms，有效降低信號鏈路中的噪聲干擾。
高電源抑制比(PSRR)：確保供電波動不會影響放大器性能。

系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)設(shè)計的整體框圖如下：

輸入信號：差分信號通過LMP8358進(jìn)行高精度放大。
增益控制：STM32F103C8T6通過SPI接口控制LMP8358的增益。
信號采集：ADS1115對放大后的信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。
數(shù)據(jù)處理與輸出：STM32F103C8T6對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過UART傳輸至上位機。

設(shè)計方案詳細(xì)實現(xiàn)

1. 放大器電路設(shè)計

放大器電路是設(shè)計的核心部分，基于LMP8358實現(xiàn)。其連接方式如下：

輸入端：將差分信號接入LMP8358的IN+和IN-端口，確保輸入阻抗匹配，避免信號失真。
增益設(shè)置：通過SPI接口設(shè)置增益，增益值由STM32F103C8T6動態(tài)控制。
輸出端：LMP8358的輸出直接連接至ADS1115的輸入端。

2. 增益控制邏輯

LMP8358的增益控制通過SPI接口實現(xiàn)，設(shè)計中采用以下邏輯：

SPI初始化：STM32F103C8T6配置SPI接口的時鐘、數(shù)據(jù)格式和工作模式。
增益寄存器寫入：按照LMP8358的通信協(xié)議，向增益寄存器寫入對應(yīng)的增益值。
動態(tài)增益調(diào)整：根據(jù)輸入信號幅度或系統(tǒng)命令實時調(diào)整增益，提高信號處理的靈活性。

3. 高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換

ADS1115負(fù)責(zé)將LMP8358放大的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其設(shè)計要點包括：

采樣頻率：根據(jù)信號頻率范圍設(shè)置合適的采樣頻率，避免混疊效應(yīng)。
差分輸入配置：利用ADS1115的差分通道功能，提高抗干擾能力。
I2C通信：STM32F103C8T6通過I2C接口與ADS1115通信，讀取采樣數(shù)據(jù)。

4. 電源設(shè)計

系統(tǒng)電源設(shè)計需要滿足低噪聲、高穩(wěn)定性的要求：

電源濾波：在LDO輸出端添加LC濾波電路，進(jìn)一步抑制電源紋波。
分離電源軌：為放大器和數(shù)字電路提供獨立的電源軌，避免數(shù)字噪聲干擾模擬信號。

5. 數(shù)據(jù)通信

放大后的數(shù)字信號通過STM32F103C8T6傳輸至上位機，通信方式包括：

UART接口：用于調(diào)試或?qū)崟r數(shù)據(jù)傳輸。
USB接口：可擴展為更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸方式。

軟件設(shè)計

1. 增益控制模塊

實現(xiàn)動態(tài)增益調(diào)整的主要功能代碼如下：

void SetGain(uint8_t gainValue) {
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &gainValue, 1, HAL_MAX_DELAY);
}

2. 數(shù)據(jù)采集模塊

利用ADS1115的I2C接口采集數(shù)據(jù)，核心代碼如下：

uint16_t ReadADC(void) {
    uint8_t data[2];
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, ADC_ADDR, data, 2, HAL_MAX_DELAY);
    return (data[0] << 8) | data[1];
}

3. 數(shù)據(jù)傳輸模塊

將采集的數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送至上位機，代碼如下：

void SendData(uint16_t adcValue) {
    char buffer[10];
    sprintf(buffer, "%d
", adcValue);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
}