一種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制方法

我們經(jīng)常看到很多非常經(jīng)典的運(yùn)算放大器應(yīng)用圖集，但是這些應(yīng)用都建立在雙電源的基礎(chǔ)上，很多時(shí)候，電路的設(shè)計(jì)者必須用單電源供電，但是他們不知道該如何將雙電源的電路轉(zhuǎn)換成單電源電路。在設(shè)計(jì)單電源電路時(shí)需要比雙電源電路更加小心，設(shè)計(jì)者必須要完全理解這篇文章中所述的內(nèi)容。

所有的運(yùn)算放大器都有兩個(gè)電源引腳，一般在資料中，它們的標(biāo)識(shí)是VCC+和VCC-，但是有些時(shí)候它們的標(biāo)識(shí)是VCC+和GND。這是因?yàn)橛行?shù)據(jù)手冊的作者企圖將這種標(biāo)識(shí)的差異作為單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放的區(qū)別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用――他們可能可以工作在其他的電壓下。在運(yùn)放不是按默認(rèn)電壓供電的時(shí)候，需要參考運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊，特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動(dòng)說明。

絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計(jì)者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運(yùn)算放大器，比如圖一左邊的那個(gè)電路，一個(gè)雙電源是由一個(gè)正電源和一個(gè)相等電壓的負(fù)電源組成。一般是正負(fù)15V，正負(fù)12V和正負(fù)5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負(fù)電壓的擺動(dòng)幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。

單電源供電的電路(圖一中右)運(yùn)放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC+，地或者VCC-引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運(yùn)放的輸入引腳上，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓也是該虛地電壓，運(yùn)放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內(nèi)。

有一些新的運(yùn)放有兩個(gè)不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊中會(huì)特別分別指明Voh 和Vol 。需要特別注意的是有不少的設(shè)計(jì)者會(huì)很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應(yīng)用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設(shè)計(jì)者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。

在儀器儀表設(shè)備的電子電路中，尤其是用于傳感器信號(hào)采集的電路中，通常都設(shè)置有采用正負(fù)電源供電，用來調(diào)整輸入信號(hào)增益的自動(dòng)增益控制(automaticgaincontrol，以下簡稱“agc”)放大電路。

目前，由于絕大部分傳感器輸出為雙極性交流模擬信號(hào)，且輸出信號(hào)幅度小，動(dòng)態(tài)范圍寬。只有采用雙電源供電的自動(dòng)增益控制放大電路，才可以為后端數(shù)據(jù)采集模塊提供滿足其輸入范圍要求且完整的傳感器信號(hào)，才可以實(shí)現(xiàn)對模擬物理量的數(shù)字化處理。

上述采用雙電源供電的自動(dòng)增益控制放大電路，在系統(tǒng)其他電路無負(fù)電源需求時(shí)，還要單獨(dú)為該電路配置負(fù)電源電路，導(dǎo)致系統(tǒng)的電源電路復(fù)雜、硬件成本增高、可靠性降低。同時(shí)，由于負(fù)電源變換電路的效率一般都低于正電源變換電路，因此增加的負(fù)電源電路還會(huì)導(dǎo)致電路功耗增加，在電池供電的設(shè)備中功耗體現(xiàn)尤為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路及其控制方法，解決雙電源供電自動(dòng)增益放大電路帶來的系統(tǒng)復(fù)雜、功耗增大、硬件成本增高、系統(tǒng)可靠性降低等缺點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路，包括自動(dòng)增益控制電路，與所述自動(dòng)增益控制電路連接的程控增益放大電路、dac放大電路，所述程控增益放大電路的同向輸入端與直流偏置電路連接，所述程控增益放大電路的反向輸入端通過電容接地;所述程控增益放大電路的輸出端連接至dac放大電路的輸入端，所述dac放大電路的輸出端連接至自動(dòng)增益控制電路的adc采樣電路的輸入端，所述adc采樣電路集成于mcu的內(nèi)部。

進(jìn)一步，所述mcu的spi接口與程控增益放大電路的spi接口相連，用于控制程控增益放大電路的增益;所述mcu通過gpio與dac放大電路的讀寫控制端口和數(shù)據(jù)端口相連，用于控制dac放大電路的增益，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

進(jìn)一步，所述自動(dòng)增益控制電路包括集成adc功能的mcu電路、電源電路及時(shí)鐘電路，其中電源電路采用單電源供電，輸入信號(hào)必須為交流信號(hào)，兩級放大電路增益只對輸入交流信號(hào)有效，對直流偏置電路提供的偏置電壓無增益效果。

進(jìn)一步，所述電源電路分別與直流偏置電路、程控增益放大電路、dac放大電路及自動(dòng)增益控制電路的正電源相連，所述直流偏置電路、程控增益放大電路、dac放大電路及自動(dòng)增益控制電路的負(fù)電源接地。

進(jìn)一步，所述直流偏置電路由電阻、電容和并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)組成，被測信號(hào)由電容一端輸入，在電容另一端通過電阻連接至并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，對被測信號(hào)進(jìn)行直流加偏后輸出到程控增益放大電路。

進(jìn)一步，所述程控增益放大電路包括八級增益，分別為1、2、5、10、20、50、100和200倍。

進(jìn)一步，所述dac放大電路的數(shù)量為多個(gè)。

進(jìn)一步，所述dac放大電路由電流輸出型dac和運(yùn)算放大器構(gòu)成同向放大電路;其中，

所述程控增益放大電路的輸出信號(hào)由運(yùn)算放大器的同向端輸入dac放大電路，所述運(yùn)算放大器的反向輸入端連接至電流輸出型dac的電流輸出端iout1;

所述運(yùn)算放大器的輸出端連接電流輸出型dac的參考輸入端vref作為dac放大電路的輸出，連接至adc采樣電路的輸入端;

所述電流輸出型dac的反饋電阻rfb引腳通過電容接地，所述電流輸出型dac的并行數(shù)字端口連接至mcu的gpio。

進(jìn)一步，所述電流輸出型dac由倒t型r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路的控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1、adc采樣電路實(shí)時(shí)采集、量化dac放大電路的輸出信號(hào)，mcu通過內(nèi)部apb總線訪問adc采樣電路，獲取adc采樣電路的量化值;

步驟2、所述mcu對adc采樣電路采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過峰值檢測算法獲得當(dāng)前dac放大電路輸出信號(hào)的峰值;

步驟3、將所述峰值與設(shè)定的期望峰值比較，并計(jì)算當(dāng)前峰值與期望峰值的比例關(guān)系，獲得當(dāng)前增益狀態(tài)下各放大電路需要調(diào)整的增益倍數(shù);

步驟4、所述mcu通過spi接口優(yōu)先調(diào)節(jié)程控增益放大電路的增益，當(dāng)程控增益放大電路的增益無法滿足當(dāng)前需要的設(shè)定值時(shí)，再通過gpio調(diào)整dac放大電路的輸出值，完成對電路增益的調(diào)整。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案包括以下有益效果：通過采用單電源供電及直流偏置電路的設(shè)計(jì)，直流偏置電路通過對前級交流信號(hào)的直流成分隔離，為后級電路提供合適的直流偏置，且程控增益放大電路及dac放大電路這兩級放大電路只對輸入的交流信號(hào)進(jìn)行放大，對偏置電路提供的偏置電壓并沒有增益效果;同時(shí)，將adc采樣電路集成于mcu的內(nèi)部，在保證各自功能正常的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電路結(jié)構(gòu)的簡化;該自動(dòng)增益控制放大電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，解決了雙電源供電自動(dòng)增益放大電路帶來的系統(tǒng)復(fù)雜、功耗增大、硬件成本增高、系統(tǒng)可靠性降低等缺點(diǎn)。

此外，mcu的spi接口與程控增益放大電路的spi接口相連，用于控制程控增益放大電路增益;mcu通過gpio與dac放大電路的讀寫控制端口和數(shù)據(jù)端口相連，用于控制dac放大電路增益，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為本發(fā)明提供的直流偏置電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為本發(fā)明提供的程控增益放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖4為本發(fā)明提供的dac放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖5為本發(fā)明提供的dac放大電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖;

圖6為本發(fā)明提供的dac放大電路的數(shù)字量與放大倍數(shù)關(guān)系曲線圖。

其中：1為自動(dòng)增益控制電路;2為程控增益放大電路;3為dac放大電路;4為直流偏置電路;5為adc采樣電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋，并不用以限制本發(fā)明。

實(shí)施例：

參見圖1所示，本發(fā)明提供了一種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路，包括自動(dòng)增益控制電路1，與自動(dòng)增益控制電路1連接的程控增益放大電路2、dac放大電路3，程控增益放大電路2的同向輸入端與直流偏置電路4連接，程控增益放大電路2的反向輸入端通過電容接地;程控增益放大電路2的輸出端連接至dac放大電路3的輸入端，dac放大電路3的輸出端連接至自動(dòng)增益控制電路1的adc采樣電路5的輸入端，adc采樣電路5集成于mcu的內(nèi)部。

進(jìn)一步地，mcu的spi接口與程控增益放大電路2的spi接口相連，用于控制程控增益放大電路的增益;mcu通過gpio口與dac放大電路3的讀寫控制端口和數(shù)據(jù)端口相連，用于控制dac放大電路的增益，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

進(jìn)一步地，自動(dòng)增益控制電路1包括集成adc功能的mcu電路、電源電路及時(shí)鐘電路，其中電源電路采用單電源供電，輸入信號(hào)必須為交流信號(hào)，兩級放大電路增益只對輸入交流信號(hào)有效，對直流偏置電路4提供的偏置電壓無增益效果。

進(jìn)一步地，電源電路分別與直流偏置電路4、程控增益放大電路2、dac放大電路3及自動(dòng)增益控制電路1的正電源(vdd端)相連，直流偏置電路4、程控增益放大電路2、dac放大電路3及自動(dòng)增益控制電路1的負(fù)電源(vee端)接地(gnd)。

進(jìn)一步地，參見圖2，直流偏置電路4由電阻、電容和并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)組成，被測信號(hào)由電容一端輸入，在電容另一端通過電阻連接至并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，對被測信號(hào)進(jìn)行直流加偏后輸出到程控增益放大電路。其中，直流偏置電路4的輸出偏置電壓可根據(jù)adc采樣電路的輸入范圍調(diào)整，一般設(shè)置為adc采樣電路輸入范圍的二分之一。

進(jìn)一步地，參見圖3，程控增益放大電路2支持spi編程接口，并包括八個(gè)增益等級，分別為1、2、5、10、20、50、100和200倍，通過spi操作內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)增益切換。程控增益放大電路2采用同向放大模式，同向端連接直流偏置電路4，反向端通過電容連接至信號(hào)地，形成交流通路，實(shí)現(xiàn)對交流信號(hào)的放大功能;電容隔離直流信號(hào)，從而使放大電路無法形成直流通路，對直流信號(hào)失去放大作用。程控增益放大電路2的輸出端連接dac放大電路的輸入端，spi接口連接mcu的spi接口，mcu通過spi接口控制程控增益放大電路的增益。

進(jìn)一步地，dac放大電路3的數(shù)量為多個(gè)，在現(xiàn)有兩級放大的基礎(chǔ)上，還可以再次增加dac放大電路3，實(shí)現(xiàn)對交流信號(hào)的多級放大。

進(jìn)一步地，參見圖4所示，dac放大電路3由電流輸出型dac和運(yùn)算放大器構(gòu)成同向放大電路;其中，

程控增益放大電路2的輸出信號(hào)由運(yùn)算放大器的同向端輸入dac放大電路3，運(yùn)算放大器的反向輸入端連接至電流輸出型dac的電流輸出端iout1;

運(yùn)算放大器的輸出端連接電流輸出型dac的參考輸入端vref作為dac放大電路3的輸出，連接至adc采樣電路5的輸入端;

電流型dac的iout2端連接直流偏置電路4，輸入與運(yùn)算放大器同等的直流偏置電壓;

電流輸出型dac的反饋電阻rfb引腳通過電容接地，電流輸出型dac的并行數(shù)字端口連接至mcu的gpio，mcu通過gpio控制dac放大電路3的輸出電流，從而控制dac放大電路的增益。

進(jìn)一步地，參見圖5所示，電流輸出型dac由倒t型r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，利用dac內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)不同增益的放大倍數(shù)，dac的分辨率越高，則dac放大電路3的增益調(diào)整范圍越寬、增益調(diào)整精細(xì)程度越高。其中，dac放大電路3的放大倍數(shù)計(jì)算公式如下：

式(1)中，g為dac放大電路3的放大倍數(shù)、n為dac的分辨率、code為dac的設(shè)置值。以12位分辨率的dac為例，dac放大電路3的增益調(diào)整范圍可達(dá)1～212，而且code每改變一個(gè)數(shù)，dac放大電路的增益就會(huì)發(fā)生變化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)增益的精細(xì)調(diào)節(jié)。其中，dac放大電路3的數(shù)字量與放大倍數(shù)關(guān)系曲線圖參見圖6所示。

進(jìn)一步地，程控增益放大電路2和dac放大電路3采用級聯(lián)方式，程控增益放大電路2實(shí)現(xiàn)增益粗調(diào)，dac放大電路3實(shí)現(xiàn)增益細(xì)調(diào)，級聯(lián)后可實(shí)現(xiàn)電路增益高動(dòng)態(tài)、小步進(jìn)調(diào)節(jié)，從而保證輸出信號(hào)幅度平穩(wěn)。兩級放大電路級聯(lián)后的增益為：

gp=g1*g2(2)

式(2)中，gp為電路總增益，g1為程控增益放大電路增益，g2為dac放大電路增益。

依照上述方案，采用單電源供電一級程控增益放大電路2與二級dac放大電路3，采用mcu集成adc的增益控制方法，可使自動(dòng)增益控制電路的功耗與成本大大降低，同時(shí)使得電路的復(fù)雜度與pcb板面積消耗明顯降低。例如：一級程控增益放大器選用ti公司的pga113，二級dac放大電路3選用ti公司的opa2325與adi公司的ad5445組合實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)增益控制電路1選用st公司集成12位分辨率adc的mcu(型號(hào)stm32l151)實(shí)現(xiàn)，直流偏置電路4使用ti公司的ref3312與外圍電阻、電容器件實(shí)現(xiàn)的情況下，電路總體功耗與硬件成本以及占用pcb板面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：整個(gè)電路的功耗為43.8768mw，器件成本較低，占用pcb板的面積約為20mm*40mm。

上述試驗(yàn)中，如果改用傳統(tǒng)的雙電源電路和外部adc采集器件，則增加的負(fù)電源電路(如選max660，約rmb17.29)和外部adc(ad7170bcpz，約rmb19.42)器件，可使電路成本增加80%，占用pcb板面積增加30%，電路功耗增加35%以上。

綜上，本發(fā)明提供的這種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路，dac放大電路3的輸出連接至自動(dòng)增益控制電路1，自動(dòng)增益控制電路1主要包括集成adc功能的mcu(單片機(jī))及其外圍電源和時(shí)鐘電路。其中，dac放大電路3的輸出信號(hào)通過mcu內(nèi)部dac量化后供mcu內(nèi)部自動(dòng)增益控制算法使用，自動(dòng)增益算法依據(jù)當(dāng)前采集的信號(hào)幅度與期望信號(hào)幅度值比較，計(jì)算出需要調(diào)整的增益倍數(shù)，通過spi接口和gpio接口分別將增益分配至一級程控增益放大電路2和二級dac放大電路3，從而實(shí)現(xiàn)增益閉環(huán)控制，且整個(gè)電路的成本減少、功耗降低、結(jié)構(gòu)簡單。

此外，本發(fā)明還提供了一種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路的控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1、adc采樣電路5實(shí)時(shí)采集并量化dac放大電路3的輸出信號(hào)，mcu通過內(nèi)部apb總線訪問adc采樣電路5，獲取adc采樣電路5的量化值;

步驟2、mcu對adc采樣電路5采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過峰值檢測算法獲得當(dāng)前dac放大電路3輸出信號(hào)的峰值;

步驟3、將峰值與設(shè)定的期望峰值比較，并計(jì)算當(dāng)前峰值與期望峰值的比例關(guān)系，獲得當(dāng)前增益狀態(tài)下各放大電路需要調(diào)整的增益倍數(shù);

步驟4、mcu通過spi接口優(yōu)先調(diào)節(jié)程控增益放大電路2的增益，當(dāng)程控增益放大電路2的增益無法滿足當(dāng)前需要的設(shè)定值時(shí)，再通過gpio調(diào)整dac放大電路3的輸出值，完成對電路增益的調(diào)整。

該方法控制實(shí)際應(yīng)用如下：mcu設(shè)定期望輸入adc采樣電路5的信號(hào)峰值為2v，adc采樣電路5采集的當(dāng)前信號(hào)峰值1.5v，兩級放大電路需要調(diào)整的增益倍數(shù)為2v除以1.5v，約為1.333倍。mcu依據(jù)優(yōu)先選擇調(diào)節(jié)程控增益放大電路2的原則，將需要調(diào)整的增益倍數(shù)分配到程控增益放大電路2，而程控增益放大電路的增益倍數(shù)為1、2、5、10、20、50、100、200，在當(dāng)前增益基礎(chǔ)上，增益調(diào)節(jié)的步進(jìn)為2或2.5，不滿足需要調(diào)節(jié)的1.333倍的步進(jìn)要求，mcu進(jìn)而選擇調(diào)節(jié)dac放大電路3的增益，dac放大電路3的增益調(diào)節(jié)計(jì)算公式為：

假設(shè)dac的數(shù)據(jù)位寬為12bit，當(dāng)前設(shè)置值為2000，為實(shí)現(xiàn)1.333倍增益調(diào)整，需要調(diào)整dac的設(shè)置值n_code計(jì)算如下：

n_code=2000/1.333

計(jì)算值取整，即需要將dac的設(shè)置值調(diào)整為1504。調(diào)整后dac放大電路的輸出信號(hào)峰值將變?yōu)?v。

綜上，這種單電源供電數(shù)字自動(dòng)增益控制放大電路的控制方法，通過mcu的spi接口和gpio接口分別將增益分配至一級程控增益放大電路2和二級dac放大電路3，從而實(shí)現(xiàn)增益閉環(huán)控制。

以上所述僅是本發(fā)明的具體實(shí)施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。