基于幅值跟蹤法的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武永華，董建懷

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建福州，350108）

在通信等系統(tǒng)中，由于通信環(huán)境或元器件參數(shù)等原因，前級(jí)輸入信號(hào)的幅度可能大小不一、變化范圍大。如果本級(jí)放大器采用固定增益，則當(dāng)輸入信號(hào)大時(shí)會(huì)造成后級(jí)信道飽和或阻塞，甚至損壞設(shè)備，如果輸入信號(hào)小時(shí)則有可能導(dǎo)致信號(hào)的丟失[1]。為了保證信號(hào)的有效傳輸和利用，需要一種能實(shí)時(shí)地根據(jù)輸入信號(hào)大小自動(dòng)地調(diào)整放大器增益從而使信號(hào)幅值保持穩(wěn)定的電子系統(tǒng)[2]。這種電子系統(tǒng)除了應(yīng)用于通信系統(tǒng)外，在測(cè)量、自動(dòng)化等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[3～5]。目前，實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)增益控制主要有兩種方法，一種是利用電子元器件的非線性特性設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制電路，另一種是采用軟硬件相結(jié)合方法設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)。自動(dòng)增益控制電路雖然成本較低，但其輸出信號(hào)的幅值一般是固定的、無法改變[6～8]，現(xiàn)有的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)大多存在成本高、控制精度低等問題[9]，基于此，本文設(shè)計(jì)一種基于幅值跟蹤電路的實(shí)用的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，其主要由單片機(jī)、增益可控放大器、幅值跟蹤電路、按鍵和LCD 組成。增益可控放大器是一個(gè)由運(yùn)放和反饋電阻等構(gòu)成的放大電路，其中的反饋電阻由阻值受單片機(jī)控制的數(shù)字電位器承擔(dān)。幅值跟蹤電路負(fù)責(zé)將放大后信號(hào)的幅值轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，單片機(jī)通過對(duì)該電平信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換即可獲得放大后信號(hào)的幅值。輸出信號(hào)的期望幅值可通過按鍵設(shè)置或更改，LCD 用來實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信號(hào)幅度的設(shè)置值和實(shí)際值。

圖1 自動(dòng)增益控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工作中，系統(tǒng)將實(shí)際幅值與預(yù)置幅值實(shí)時(shí)地相比較，若實(shí)際幅值大于預(yù)置幅值則單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)來減少放大器中反饋電阻的阻值即減少增益，反之單片機(jī)則使反饋電阻增大即增大增益，從而實(shí)現(xiàn)放大器增益的自動(dòng)控制。由于系統(tǒng)對(duì)放大器增益的控制是閉環(huán)的，所以在輸入信號(hào)幅度發(fā)生變化時(shí)能確保輸出信號(hào)的實(shí)際幅值與預(yù)置幅值相等。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 增益可控放大器

增益可控放大器的電原理圖如圖2 所示，它由兩級(jí)放大電路和一個(gè)電壓跟隨器組成。第一級(jí)是由增益帶寬積（GBW）為10MHz 的運(yùn)放NE5532（U1A）和數(shù)字電位器X9C103[10]（U2）構(gòu)成的增益可控的反相放大電路，第二級(jí)是由U1B和R2、R3 構(gòu)成的放大倍數(shù)為1 的反相放大電路，后者的作用是確保輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同。由U3A 構(gòu)成的電壓跟隨器主要是用來隔離后續(xù)的負(fù)載及幅值跟蹤電路對(duì)放大器的影響。

圖2 可變?cè)鲆娣糯笃麟娫韴D

第一級(jí)放大電路中的反饋電阻Rf由X9C103 的VL和VW引腳間所呈現(xiàn)的電阻實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電位器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，VL和VH引腳間的阻值為10k，它是由99 個(gè)阻值相同（約101）的電阻串聯(lián)而成的。VW相當(dāng)于電位器的滑動(dòng)端，引腳VW與VL間所呈現(xiàn)的電阻大小是由引腳和的電平?jīng)Q定的，X9C103 具體的工作模式選擇如表1 所示。

表1 X9C103工作模式選擇

圖3 X9C103 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電壓跟隨器的輸出分兩路，一路是系統(tǒng)的輸出信號(hào)Vout，另一路輸入到幅值跟蹤電路。

■2.2 幅值跟蹤電路

幅值跟蹤電路的作用是將輸入信號(hào)的幅值實(shí)時(shí)地以電平大小的形式反映出來，這樣，單片機(jī)只要檢測(cè)該電平的大小就可獲取當(dāng)前輸入信號(hào)的幅值。幅值跟蹤電路原理圖如圖4 所示，該電路由漏極開路比較器TLC372、積分電路、無源低通濾波器以及電壓跟隨器等構(gòu)成，其中積分電路由運(yùn)放LM358、R4、C1 和R5 組成；無源低通濾波器由R6、C2構(gòu)成，截止頻率為，其用來濾除積分器輸出信號(hào)中的開關(guān)噪聲和紋波。低通濾波器輸出的信號(hào)經(jīng)由LM358 構(gòu)成的電壓跟隨器隔離后輸入到單片機(jī)內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 幅值跟蹤電路原理圖

圖5、圖6 是輸入信號(hào)頻率為10kHz、幅值為3.5V 時(shí)的幅值跟蹤電路不同時(shí)段的工作時(shí)序圖。從圖5 可以看出，當(dāng)VF1大于VF3時(shí)，VF2為-5V，此時(shí)電容C1 通過R4 充電，VF3 的電位升高；當(dāng)VF1 小于VF3 時(shí)，由于TCL372 的輸出級(jí)（漏級(jí)）是開路的且LM358 輸入阻抗很大，所以電容C1 只能通過R5 放電，由于R5 的阻值較大，所以R5 放電緩慢，此時(shí)VF3 的電位基本保持不變。這樣，經(jīng)過多個(gè)信號(hào)周期后VF3 的電平就接近輸入信號(hào)的幅值。從圖5 還可以看出，當(dāng)VF3 越接近輸入信號(hào)幅值時(shí)，VF2 為-5V 的時(shí)間就越短，即電容C1 充電的時(shí)間就越短。

圖5 0ms～3ms 間工作時(shí)序圖

圖6 50ms～53ms 間工作時(shí)序圖

從圖6 可以看出，經(jīng)過一段時(shí)間后VF3 和VF4 都等于VF1，即峰值檢測(cè)電路的輸出電平等于當(dāng)前輸入信號(hào)的幅值。另外，此時(shí)VF2 為-5V 的時(shí)間相當(dāng)短，這段短時(shí)間的充電是為了彌補(bǔ)電容放電所造成的電平降低，使峰值電路輸出的電平動(dòng)態(tài)地與當(dāng)前信號(hào)的幅值保持相等。

需要提出的是，圖5 是幅值跟蹤電路剛啟動(dòng)（即輸入幅值從0 跳變到3.5V）時(shí)的工作情況，由于實(shí)際輸入信號(hào)幅值一般不會(huì)發(fā)生大的跳變，所以該電路能在較短的時(shí)間內(nèi)使輸出的電平等于輸入信號(hào)的幅值。同理，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值降低時(shí)，電容C1 通過R5 放電，使輸出的電平接近于信號(hào)幅值。

3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用片內(nèi)含有10 位ADC 的ATMEGA16單片機(jī)，系統(tǒng)控制流程圖如圖7 所示。數(shù)字電位器X9C103剛上電時(shí)VW與VL間的電阻為0，為了使初始時(shí)其滑動(dòng)端VW盡快達(dá)到指定位置，初始化時(shí)將其置于中間位置。程序中，預(yù)置幅值 Vpre是通過調(diào)用按鍵子程序?qū)崿F(xiàn)的，當(dāng)前輸出信號(hào)幅值 Vout是通過對(duì)幅值跟蹤電路的輸出電平進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換得到的，增大阻值和減小阻值分別通過調(diào)用相應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

由于數(shù)字電位器X9C103 的輸出電阻（即VW與VL間電阻）是不連續(xù)的，是由99 個(gè)約101電阻串聯(lián)而成的，所以程序運(yùn)行時(shí)滑動(dòng)端VW可能在前后兩個(gè)位置間不斷跳躍。這種增益的反復(fù)跳變不僅會(huì)使輸出信號(hào)不穩(wěn)定，還會(huì)使輸出信號(hào)中疊加上相應(yīng)的高頻噪聲，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)中引入一個(gè)閾值VΔ，且采用如下的控制策略：當(dāng)輸出信號(hào)的幅值Vout在Vpre-V與Vpre+V之間時(shí)放大器增益保持不變，從而確保輸出波形的穩(wěn)定。應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇合適的閾值VΔ。

4 性能測(cè)試

測(cè)試中，所用的信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為UTG7025B，示波器型號(hào)為DSO-X-2002A。輸入信號(hào)頻率為1kHz 和10kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果分別如表2、表3 所示，表中響應(yīng)時(shí)間指的是輸入信號(hào)發(fā)生變化開始到信號(hào)輸出穩(wěn)定時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間，輸出誤差指的是實(shí)際輸出幅值與預(yù)置幅值間的相對(duì)誤差即。從這兩個(gè)表可以看出，頻率和幅度變化時(shí)，系統(tǒng)輸出信號(hào)的幅值總是近似等于預(yù)置值，輸出誤差小于1.5%，響應(yīng)時(shí)間小于0.1s，這說明系統(tǒng)可以根據(jù)輸入信號(hào)的大小快速地自動(dòng)調(diào)整放大器的增益，使輸出幅值與預(yù)置幅值基本相同。

表2 信號(hào)頻率為1kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

表3 信號(hào)頻率為10kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于幅值跟蹤電路的實(shí)用的自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，在輸入信號(hào)幅值變化時(shí)系統(tǒng)輸出信號(hào)的幅值都能與預(yù)置的幅值基本相同，實(shí)現(xiàn)了放大器增益的自動(dòng)控制。該設(shè)計(jì)具有智能化高、輸出信號(hào)穩(wěn)定，收斂速度快、成本低、性能可靠等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于相關(guān)的電子領(lǐng)域中。設(shè)計(jì)通頻帶更寬的幅值跟蹤電路并采用寬帶可控增益放大器可進(jìn)一步拓展系統(tǒng)的適用范圍，是類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)方向。