多路AGC放大器閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

高加林，薛海英，楊翠俠，楊　侃

(北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163)

多路AGC放大器閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

高加林，薛海英，楊翠俠，楊侃

(北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163)

摘要：針對現(xiàn)有多路光電探測器配置的多級增益控制方式的缺點進(jìn)行了分析，提出采用AGC放大方案克服多級增益變化所帶來的缺點的思路。針對光電探測器輸出的多路低占空比和窄脈沖信號特點，設(shè)計采用加權(quán)法獲取多路信號之和，利用采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器獲取加權(quán)后的和脈沖信號幅度，并經(jīng)微控制器計算得到增益反饋控制量，最后反饋到電壓控制型可變增益放大器的控制端，調(diào)整光電探測器輸出信號的幅度，從而提高探測器的探測精度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：多路探測器；AGC放大器；閉環(huán)控制；窄脈沖

在一些聲、光、力等換能測量方面，經(jīng)常用到多個傳感器同時對同一物體進(jìn)行感測，并通過換能器將被感測能量信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖電信號進(jìn)行放大和處理，最終實現(xiàn)自動控制的情況。當(dāng)被測能量強度變換范圍很大時，一般采用多級增益控制方法進(jìn)行放大，使最終的電信號處于放大器的線性區(qū)內(nèi)，以便于后級計算和處理。這種利用分級衰減調(diào)整增益的方法在要求不高的場合下勉強可以滿足使用要求，但是在被測量信號連續(xù)變化時，會導(dǎo)致增益切換前后產(chǎn)生電信號的劇烈變化，可能出現(xiàn)信號太小或放大器飽和等問題，使后級無法判斷和控制，嚴(yán)重時出現(xiàn)系統(tǒng)失控等較為嚴(yán)重的問題。

本文通過對自對準(zhǔn)移動控制系統(tǒng)光電信號放大器及其輸出信號幅度對探測誤差的影響進(jìn)行了研究，并對現(xiàn)有多級增益控制方法的缺點進(jìn)行了分析，設(shè)計了一種AGC放大器閉環(huán)控制方法，提高了多路探測器的探測精度和穩(wěn)定性。

1現(xiàn)有探測器信號放大電路增益控制方法及其缺點

一般自對準(zhǔn)移動控制系統(tǒng)中采用多個光敏單元對目標(biāo)位置進(jìn)行感測的光電探測器[1]，受路徑和環(huán)境的影響，光電信號幅度變化接近60 dB，如果采用固定增益放大器，在輸出信號幅度變化很大時，有可能出現(xiàn)小信號丟失和大信號輸出飽和。目前，實用的光電探測器采用4級左右分段增益的控制辦法，每級衰減10～20 dB，盡可能將輸出信號幅度控制在允許的范圍內(nèi)。由于采用多級增益分段控制，其存在如下缺點：1)增益控制電路復(fù)雜；2)增益切換起伏大。

光電傳感器在移動過程中，接收到的信號幅度是逐漸增大時，若采用多級分段增益控制，則放大器的增益隨著距離的減少而減小。由于采用多級分段增益控制，放大器的級數(shù)不可能很多，每級增益變化量較大，切換前、后增益變化也較大。若接收到的光電信號幅度變化速度較慢，則達(dá)到增益切換閾值時，切換前輸出信號幅度較大，而切換后輸出信號幅度又變得很小，因此可能導(dǎo)致后級電路難以采集到信號，最終使系統(tǒng)失控。

由于上述缺點，在要求較高的場合下應(yīng)用光電傳感器就必須采用AGC放大器進(jìn)行增益連續(xù)變化的控制方法，避免增益切換帶來輸出信號大幅度跳變而影響探測精度和穩(wěn)定性。

2多路探測器增益閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

由于多路探測器的各路輸出信號幅度是隨機變化且不一定相同，不能以任何一路的輸出為基準(zhǔn)來控制其他路的輸出增益。所以設(shè)計了一種控制方法，將探測器輸出的多路電壓幅度進(jìn)行加權(quán)，利用加權(quán)信號作為控制的目標(biāo)信號，這樣可以避免任一通道信號輸出幅度飽和或偏小。

多路探測器增益閉環(huán)控制原理框圖如圖1所示。

圖1　多路探測器增益閉環(huán)控制原理框圖

圖1中虛線框內(nèi)是增益控制反饋回路，增益控制反饋回路與可變增益放大器組成自動增益放大器，替代多級控制系統(tǒng)中的多級放大器。下述說明AGC放大器的主要電路結(jié)構(gòu)和控制計算方法。

2.1可變增益放大器的選擇

一般光電探測器自帶20 dB或更多的增益可調(diào)范圍，而光電信號處理電路中，可變增益放大器的帶寬太大，容易產(chǎn)生自激和過沖等現(xiàn)象，所以這里選用增益可調(diào)范圍為40 dB且易于調(diào)試的電壓控制型可變增益放大器，并設(shè)計帶寬為30 MHz，這樣與光電接收器組成60 dB增益調(diào)整范圍，從而滿足系統(tǒng)需要的增益變化。

2.2信號采集電路

信號采集電路由采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。一般光敏單元接收到的光電信號是寬度不足2 μs的窄脈沖信號，利用加法器獲取多路信號的和信號仍然是一個窄脈沖信號，因此應(yīng)利用采樣保持電路將此和脈沖信號展寬，這樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能采集到信號。采樣保持電路如圖2所示。

圖2　采樣保持電路

圖2中，Vin是來自可變增益放大器的輸出信號；VG是采樣電容放電信號；Vs是采樣保持輸出電平信號，Vs被送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。電路中V1和Rt用來補償V3導(dǎo)通壓降。

采樣保持電路的輸出信號傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后由微控制器進(jìn)行運算。增益控制回路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣分辨率取8位，滿量程電壓一般采用5 V左右即可，采樣周期在300 μs以內(nèi)即可以滿足系統(tǒng)工作周期需要。

2.3觸發(fā)電路

由于輸入的是窄脈沖信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器只有在脈沖信號到達(dá)時才能轉(zhuǎn)換，同時為了抑制噪聲干擾，應(yīng)設(shè)置門限觸發(fā)電路。門限觸發(fā)電路由閾值門限比較器構(gòu)成，直接接收采樣保持電路輸出的電壓信號。比較器的閾值電壓若設(shè)計合理，既能夠保證抑制噪聲，還要盡可能保證探測靈敏度，便于小信號采集。

觸發(fā)電路先觸發(fā)微控制器，由微控制器發(fā)出模數(shù)轉(zhuǎn)換開啟信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后，微控制器讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，然后發(fā)出放電信號到如圖2所示的VG輸入端，釋放采樣電容存儲的電量，撤消觸發(fā)信號，等待下一次觸發(fā)。

2.4目標(biāo)增益的計算和處理

可變增益放大器的增益以dB為單位，其與控制電壓成線性關(guān)系：1 dB/0.025 V。設(shè)可變增益放大器原增益為Gi(dB)，在此增益下獲得Vi輸出脈沖幅度，目標(biāo)幅度為Vm，則調(diào)整后的目標(biāo)增益為：

Gm=Gi+20lg(Vm/Vi)

(1)

當(dāng)Vm>Vi時，20lg(Vm/Vi)值為正數(shù)，則可變增益放大器的增益增加；當(dāng)Vm

式1中包含取對數(shù)運算，在微控制器里實現(xiàn)起來比較困難。采用快速調(diào)用數(shù)組或查表方式取得增益增加量。增益增加量與原增益相加就是下一次可變增益放大器的放大增益。

上述分析之外還有3種情況需要特殊處理：1)等待一個周期時間后沒有觸發(fā)信號時；2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)達(dá)到滿量程時；3)可變增益放大器增益達(dá)到最小，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓仍比目標(biāo)電壓大時。整個AGC增益控制流程如圖3所示。

圖3　AGC控制流程

2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計選擇

微控制器計算出來的設(shè)置增益的數(shù)據(jù)量應(yīng)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號后，才能控制可變增益放大器的輸出增益；因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓最小步長決定著可變增益放大器增益控制的最小變化量。

若要求光電脈沖和信號幅度控制在1.9～2.1 V，典型值為2.0 V，誤差為-0.44～0.42 dB，則對應(yīng)可變增益放大器控制增益最小變化量應(yīng)<0.42 dB才能滿足控制精度。設(shè)可變增益放大器增益控制電壓偏置量為1 V，可變增益放大器控制電壓最小為0.5 V，最大為1.5 V，考慮一定的容余量，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓應(yīng)≥2 V，以滿量程2 V計算，最小分辨率為0.01 V，對應(yīng)的數(shù)字量為200，所以取8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器即可滿足要求。

若采用數(shù)控型可變增益放大器，則可以省去此處的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由微處理器根據(jù)計算的數(shù)值直接控制可變增益放大器的增益。

2.6微控制器的設(shè)計選擇

為了減小AGC閉環(huán)控制電路體積，設(shè)計閉環(huán)控制系統(tǒng)時，考慮選用集成A/D、D/A和比較器功能的微控制器。本設(shè)計選用ATMEL公司的ATMEGA16M1型單片機[2]，該單片機集成10-bit ADC、10-bit DAC和閾值檢測模擬比較器，自帶基準(zhǔn)電壓源，完全滿足本設(shè)計需要。

綜上所述，所設(shè)計的自動增益閉環(huán)控制方法有如下優(yōu)點：1)可以快速響應(yīng)低占空比脈沖信號幅度變化，利用前一個脈沖信號的幅度計算增益變化量，調(diào)整下一個脈沖信號的幅度，調(diào)整時間只延遲1個脈沖周期；2)自動增益啟控后輸出信號穩(wěn)定；3)利用多功能微控制器設(shè)計閉環(huán)控制回路，AGC放大器電路結(jié)構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)集成。

3結(jié)語

多路AGC放大器閉環(huán)控制系統(tǒng)利用峰值采樣方法獲取輸出信號幅度，并利用微控制器求得閉環(huán)控制電壓，反饋到電壓控制型可變增益放大器的控制端，控制可變增益放大器傳輸增益，解決了多路探測器窄脈沖信號幅度難以控制的問題，提高了多路探測器的探測精度和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王永仲. 現(xiàn)代軍用光學(xué)技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 張軍. AVR單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

責(zé)任編輯鄭練

Design of Closed-loop Control System with Multi-channel AGC Amplifier

GAO Jialin, XUE Haiying, YANG Cuixia, YANG Kan

(Department of Microelectronics, North General Electronics Group Co., Ltd., Suzhou 215163, China)

Abstract:Aimed at the shortcomings of the multilevel gain control mode in the existing multi-channel optical-electronic detector, a scheme that uses automatic-gain control (AGC) was proposed to solve these shortcomings. Focused on the characteristics of the detector’s multi-channel low duty circuit and narrow pulse signal, the sum of multi-channel signals was obtained by using the weighting method and the pulse signal amplitude after weighting was obtained by using sample and hold circuit and A/D converter. Then the control quantity of gain feedback was calculated by the microcontroller. Finally, the control quantity was fed back to control end of the voltage-controlled variable gain amplifier to adjust the amplitude of the output signal for the optical-electronic detector. The objective of the above design was to improve the detection accuracy and stability of the detector.

Key words:multi-channel detector, AGC amplifier, closed-loop control, narrow pluse

收稿日期：2014-06-16

作者簡介：高加林(1972-)，男，高級工程師，高級設(shè)計師，主要從事混合集成電路設(shè)計等方面的研究。

中圖分類號：TP 399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A