基于LMP8358的高精度可編增益儀表放大器設計方案

引言

在現代精密測量與信號處理系統中，高精度儀表放大器的應用十分廣泛，例如醫療設備、工業傳感器和數據采集系統。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)，適合在多種應用場景中實現高性能信號調理。本方案將詳細介紹以LMP8358為核心的高精度可編增益儀表放大器的設計，涵蓋其主控芯片的選型、設計中的作用以及整體電路實現細節。

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。

在設計中，LMP8358的主要作用是實現可編增益的差分信號放大，通過外部控制接口調節增益，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發送增益設定命令。

• 數據采集與處理：采集經LMP8358放大的信號，進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用場景。

3. 模數轉換芯片：ADS1115

雖然STM32F103C8T6內部自帶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定性，選用超低噪聲LDO穩壓器 TPS7A4700 提供3.3V和5V的穩定電源：

• 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。

系統框圖

系統設計的整體框圖如下：

1. 輸入信號：差分信號通過LMP8358進行高精度放大。

2. 增益控制：STM32F103C8T6通過SPI接口控制LMP8358的增益。

3. 信號采集：ADS1115對放大后的信號進行高精度模數轉換。

4. 數據處理與輸出：STM32F103C8T6對采集數據進行處理，并通過UART傳輸至上位機。

設計方案詳細實現

1. 放大器電路設計

放大器電路是設計的核心部分，基于LMP8358實現。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。

• 增益設置：通過SPI接口設置增益，增益值由STM32F103C8T6動態控制。

• 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，設計中采用以下邏輯：

• SPI初始化：STM32F103C8T6配置SPI接口的時鐘、數據格式和工作模式。

• 增益寄存器寫入：按照LMP8358的通信協議，向增益寄存器寫入對應的增益值。

• 動態增益調整：根據輸入信號幅度或系統命令實時調整增益，提高信號處理的靈活性。

3. 高精度模數轉換

ADS1115負責將LMP8358放大的信號轉換為數字信號。其設計要點包括：

• 采樣頻率：根據信號頻率范圍設置合適的采樣頻率，避免混疊效應。

• 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，讀取采樣數據。

4. 電源設計

系統電源設計需要滿足低噪聲、高穩定性的要求：

• 電源濾波：在LDO輸出端添加LC濾波電路，進一步抑制電源紋波。

• 分離電源軌：為放大器和數字電路提供獨立的電源軌，避免數字噪聲干擾模擬信號。

5. 數據通信

放大后的數字信號通過STM32F103C8T6傳輸至上位機，通信方式包括：

• UART接口：用于調試或實時數據傳輸。

• USB接口：可擴展為更高帶寬的數據傳輸方式。

軟件設計

1. 增益控制模塊

實現動態增益調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. 數據采集模塊

利用ADS1115的I2C接口采集數據，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. 數據傳輸模塊

將采集的數據通過UART發送至上位機，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);
}

性能測試與優化

1. 噪聲性能

通過對系統噪聲進行測試，確保輸出信號的信噪比(SNR)符合設計要求。

2. 動態響應

驗證增益動態調整時系統的響應速度，確保實時性。

3. 電源干擾抑制

通過實驗驗證電源噪聲對系統性能的影響，優化電源濾波設計。

應用場景

• 醫療設備：用于心電圖(ECG)或腦電圖(EEG)信號的放大與采集。

• 工業傳感器：實現對溫度、壓力等物理量的高精度測量。

• 實驗室測量設備：用于弱信號測量與數據采集系統。