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基于LMP8358的高精度可编增益仪表放大器设计方案

来源：

2024-11-29

类别：工业控制

拍明芯城

基于LMP8358的高精度可编增益仪表放大器设计方案

引言

在现代精密测量与信号处理系统中，高精度仪表放大器的应用十分广泛，例如医疗设备、工业传感器和数据采集系统。LMP8358是一款可编增益的高精度仪表放大器，具有低噪声、高线性度、宽增益范围和出色的共模抑制比(CMRR)，适合在多种应用场景中实现高性能信号调理。本方案将详细介绍以LMP8358为核心的高精度可编增益仪表放大器的设计，涵盖其主控芯片的选型、设计中的作用以及整体电路实现细节。

主控芯片选型

1. LMP8358——核心信号放大芯片

LMP8358 是德州仪器（TI）推出的一款高精度、低噪声、可编增益仪表放大器，其核心特点包括：

增益可编程范围：1至1000倍，通过外部接口控制。
低噪声性能：4nV/√Hz的噪声密度。
高线性度：最大非线性误差为0.01%。
宽电源范围：单电源(2.7V至5.5V)或双电源(±2.5V)供电。
高共模抑制比(CMRR)：典型值为130dB，适合差分信号的高精度提取。

在设计中，LMP8358的主要作用是实现可编增益的差分信号放大，通过外部控制接口调节增益，从而满足不同输入信号幅度的测量需求。

2. 主控微控制器：STM32F103C8T6

在本方案中，选择 STM32F103C8T6 作为主控微控制器，主要作用包括：

增益控制：通过SPI接口向LMP8358发送增益设定命令。
数据采集与处理：采集经LMP8358放大的信号，进行初步处理或直接传输至上位机。
通信功能：通过UART、I2C等接口与外部设备通信。
低功耗特性：STM32F103C8T6具备多种低功耗模式，适合对功耗敏感的应用场景。

3. 模数转换芯片：ADS1115

虽然STM32F103C8T6内部自带ADC模块，但考虑到高精度需求，本方案选用外部16位ADC芯片 ADS1115。其主要特点如下：

高分辨率：16位精度，适合低电平信号的采样。
多通道支持：支持4个单端通道或2个差分通道。
可编程增益放大：在某些情况下，可作为LMP8358增益的补充。
I2C接口：方便与STM32F103C8T6通信。

4. 电源管理芯片：TPS7A4700

为了确保放大器和微控制器工作时的电源稳定性，选用超低噪声LDO稳压器 TPS7A4700 提供3.3V和5V的稳定电源：

超低噪声输出：仅4µVrms，有效降低信号链路中的噪声干扰。
高电源抑制比(PSRR)：确保供电波动不会影响放大器性能。

系统框图

系统设计的整体框图如下：

输入信号：差分信号通过LMP8358进行高精度放大。
增益控制：STM32F103C8T6通过SPI接口控制LMP8358的增益。
信号采集：ADS1115对放大后的信号进行高精度模数转换。
数据处理与输出：STM32F103C8T6对采集数据进行处理，并通过UART传输至上位机。

设计方案详细实现

1. 放大器电路设计

放大器电路是设计的核心部分，基于LMP8358实现。其连接方式如下：

输入端：将差分信号接入LMP8358的IN+和IN-端口，确保输入阻抗匹配，避免信号失真。
增益设置：通过SPI接口设置增益，增益值由STM32F103C8T6动态控制。
输出端：LMP8358的输出直接连接至ADS1115的输入端。

2. 增益控制逻辑

LMP8358的增益控制通过SPI接口实现，设计中采用以下逻辑：

SPI初始化：STM32F103C8T6配置SPI接口的时钟、数据格式和工作模式。
增益寄存器写入：按照LMP8358的通信协议，向增益寄存器写入对应的增益值。
动态增益调整：根据输入信号幅度或系统命令实时调整增益，提高信号处理的灵活性。

3. 高精度模数转换

ADS1115负责将LMP8358放大的信号转换为数字信号。其设计要点包括：

采样频率：根据信号频率范围设置合适的采样频率，避免混叠效应。
差分输入配置：利用ADS1115的差分通道功能，提高抗干扰能力。
I2C通信：STM32F103C8T6通过I2C接口与ADS1115通信，读取采样数据。

4. 电源设计

系统电源设计需要满足低噪声、高稳定性的要求：

电源滤波：在LDO输出端添加LC滤波电路，进一步抑制电源纹波。
分离电源轨：为放大器和数字电路提供独立的电源轨，避免数字噪声干扰模拟信号。

5. 数据通信

放大后的数字信号通过STM32F103C8T6传输至上位机，通信方式包括：

UART接口：用于调试或实时数据传输。
USB接口：可扩展为更高带宽的数据传输方式。

软件设计

1. 增益控制模块

实现动态增益调整的主要功能代码如下：

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

2. 数据采集模块

利用ADS1115的I2C接口采集数据，核心代码如下：

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. 数据传输模块

将采集的数据通过UART发送至上位机，代码如下：

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