1. 引言
在一些应用中，需要将具有高动态范围的模拟信号数字化。常见的数字化方法是在模拟到数字转换器 (ADC) 之前添加一个外部可编程增益放大器 (PGA)。尽管一些微控制器内部已集成了PGA，但如今市面上也有集成多个输入通道的单芯片PGA，它们通常增加了系统成本并且消耗更多功率。因此，本文介绍了一种基于重置积分器实现PGA的方法，它既经济又易于设计，并能通过数字控制来调节增益，同时具有噪声滤波功能，适合在嘈杂的微控制器环境下处理微小的模拟信号。
2. 基本电路原理
基本电路结构如图1所示，采用一个积分器放置在ADC前面，积分器可以通过信号 fRES 进行重置。ADC的采样与保持 (SH) 单元由信号 fSH 控制，通过信号的下降沿触发A/D转换周期。整个转换周期分为四个阶段：
- 积分器重置阶段：通过
fRES信号重置积分器，输出为零。 - 积分阶段：释放重置信号后，积分器开始工作。
- 采样阶段：ADC的采样与保持单元采样积分器的输出电压
VINT。 - A/D转换阶段：采样保持单元保持电压，ADC开始进行转换。
图2展示了单个A/D转换周期，其中增益为1时，积分器的行为表现为输入信号的平均化，能有效减少信号中的带外噪声。
3. 增益控制与噪声滤波
积分器的工作原理使得其增益与积分时间成线性关系，延长积分时间将直接增加增益。图3演示了积分时间加倍时，输出信号 VSH 会增加一个倍数。通过此方式，增益可以数字控制，并且输出信号的噪声被滤除，因为积分过程实际上对输入信号进行了滤波，相当于数字有限冲击响应（FIR）滤波器，而不是传统的低通滤波器。
通过调整积分器的积分常数 (由电阻R与电容C决定)，可以精确控制系统的增益。计算公式为：
其中，G 是增益，t 是积分时间，R 和 C 是电路中电阻和电容的值。通过此公式，可以根据期望的增益和样本率来选择合适的R和C值。
4. 实际应用中的PGA配置
实际电路如图4所示，采用反相放大器结构来实现PGA功能。在该电路中，积分器通过开关元件S重置，C电容和R电阻决定了增益。信号 VCOM 定义了积分器的零电平电压，通常设置为ADC参考电压的一半 (VREF/2)，适用于单电源电路。
如果输入信号不需要放大，仅需要滤波，可以将积分器常数设置为1，这样可以将增益保持在1，并将积分器用作噪声滤波器（见图6）。此时，积分阶段与采样阶段紧密连接，系统可以高效地去除噪声。
5. 校准与误差修正
由于电阻R和电容C的公差可能影响增益，系统需要进行校准。通过应用已知电压并计算出实际的增益和偏移量，可以进行校准，确保增益和偏移的精度。随着时间的推移，电容的老化效应对增益的影响极小（通常小于1%每年），因此，在使用过程中只需进行初步校准即可。
6. 系统的优势与局限
此基于积分器的PGA方案具有成本效益高、设计简单、且具备噪声滤波功能等优点，适用于低功耗和低成本的应用。与传统的PGA相比，能够有效减少对外部滤波器的需求，从而进一步降低系统成本。然而，在一些高采样率或者大增益变化的应用场景中，这种方法可能会面临一些挑战，难以替代传统的硬件PGA。
7. 结论
本文介绍了如何通过简单的积分器实现数字控制的PGA功能，并通过调整积分时间来调节增益。此方案不仅可以降低系统成本，还能在嘈杂的微控制器环境中有效滤波，适用于需要低功耗且成本敏感的应用。尽管如此，这种方法并非适用于所有场景，特别是在需要极高采样率或大增益变化的应用中，传统的PGA依然是更为合适的选择。