ERT中多通道程控增益放大电路设计

摘要 针对ERT(电阻层析成像)，并行数据采集中通道数多且采集到的微弱信号变化范围较大的特点，提出了一种新的多通道程控增益放大电路设计方案。方案中通过检测各通道中输入信号的大小，相应地调节各通道输入信号的放大倍数。使其满足模数转换器(ADC)的输入要求，从而进行A／D采样。介绍了基于AD603的程控增益放大电路设计方案，实现方法以及实验结果。研究设计的多通道程控增益放大电路具有一定的通用性。
关键词 ERT；多通道；程控增益；AD603

电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技术是基于电学敏感原理对物场中的电阻率信息进行检测的一种过程层析成像(Process Tomography)技术。该技术具有无辐射、可视化、非侵入等优点，使得ERT技术在工业过程检测和医学临床监控等领域具有广阔的应用前景。
在基于并行数据采集的ERT系统中，由于各测量电极上输出的电压信号不同，则各采样通道送到模数转换器输入端的电压信号也各不相同，因此不能采用固定增益的放大电路对信号进行放大。同时，由于所要测量的微弱信号的动态范围较宽，所以要求各通道中的放大电路能根据输入信号的大小，而做出相应的增益调整，从而提高整个系统的分辨率。文中就上面的问题，对多通道的程控放大电路设计展开研究。

1 多通道程控放大电路的系统组成
由多通道程控放大电路组成的采样电路的基本组成如图1所示。整个电路由放大模块、增益控制模块、A／D转换模块、微控器以及EEPR-OM模块组成。放大电路将微弱的输入信号放大到模数转换器的合适量程范围内。

程控放大的过程为：检测测量电极上输出的电压信号，判断是否满足A／D转换的输人要求，若不满足则微控器利用增益控制模块对放大电路进行增益控制，使其达到要求。

2 系统硬件设计
在多通道程控放大电路的硬件设计中，主要是设计信号放大模块，增益控制模块以及微控器模块。其中信号放大模块的主要功能是放大各通道输出的微弱信号；而增益控制模块主要是检测放大后的信号是否满足A／D转换器的输入要求，若不满足则控制信号放大模块，进行程控放大；反之，则不做任何输出变化，微控器模块主要完成对增益模块的控制。
2．1 信号放大模块
在信号放大模块的设计中，所涉及的芯片包括INA128，AD603和AD817。设计原理图如图2所示。

由于ERT系统测量的信号是mV级甚至更小，而在多通道程控放大的电路中信号是同时采集放大的，容易出现共模干扰，为保证信号的有效性，去掉干扰，图中选用仪表放大器INA128以减少干扰。其中INA128具有低输入失调电压50μV；低失调电压漂移0．5μV／℃；高输入阻抗；低输入偏置电流5 nA；高共模抑制比120 dB(G=100)等优点。