微波檢波信號(hào)增益自動(dòng)控制方法研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：在智能微波開關(guān)信號(hào)解調(diào)電路中采用了三級(jí)程控放大電路，各級(jí)放大電路的增益由多路SPI數(shù)字電位器MCP4351控制。測(cè)量電路對(duì)靈敏度調(diào)節(jié)電位器輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，在保證各級(jí)輸出不失真的情況下，根據(jù)約束條件分配測(cè)量結(jié)果所對(duì)應(yīng)的總增益，并形成增益分配表。其中，第二、三級(jí)增益按照線性法分配，第一級(jí)增益按照約束方程計(jì)算得出。解調(diào)時(shí)，系統(tǒng)控制核心MSP430F149查增益分配表得到數(shù)字電位器的調(diào)整值，并按照調(diào)整值調(diào)節(jié)電位器的阻值，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制。該方法不需要單片機(jī)進(jìn)行大量復(fù)雜的增益計(jì)算過程，節(jié)省運(yùn)行時(shí)間和程序存儲(chǔ)空間。
關(guān)鍵詞：解調(diào)；自動(dòng)增益控制；數(shù)字電位器；程控放大電路

0 引言
    智能微波開關(guān)是一種基于微波波束障礙法實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能儀表。智能微波開關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)部分分為發(fā)射和接收兩部分，兩部分分別被安裝于垂直于物流方向的料倉(cāng)或傳輸帶的兩端。發(fā)射部分發(fā)射出經(jīng)調(diào)制的高頻微波脈沖信號(hào)；接收部分接收此信號(hào)，并經(jīng)過解調(diào)、放大和濾波等一系列處理，最終將處理好的信號(hào)送入微處理器(MSP430F149)進(jìn)行判斷，從而確定被測(cè)物體的料位(或有無(wú))。
    在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，智能微波開關(guān)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，發(fā)射部分和接收部分之間相對(duì)距離的不確定性、干擾等因素造成微波檢波信號(hào)幅值動(dòng)態(tài)范圍很大。若放大電路的增益過大，將會(huì)引起信號(hào)的“削頂”失真；若放大電路的增益過小，將會(huì)使信號(hào)幅值偏低而引起誤判。這兩種情況都將使后續(xù)測(cè)量和處理電路無(wú)法正確識(shí)別信號(hào)。另外，由于微波檢波器接收到的微波信號(hào)幅值與微波開關(guān)發(fā)射器和接收器之間的距離成指數(shù)衰減關(guān)系，因此為滿足不同距離的使用要求，設(shè)計(jì)時(shí)采取多級(jí)放大的方法彌補(bǔ)微波信號(hào)幅值的指數(shù)衰減，以保證距離變化在一定范圍內(nèi)時(shí)放大后的信號(hào)幅值基本保持不變，以便于檢測(cè)。
    為了保證信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在放大電路中必須合理分配各級(jí)增益，使每級(jí)均不失真，且放大信號(hào)達(dá)到最佳測(cè)量范圍，提高接收部分的靈敏度，以確保整個(gè)智能微波開關(guān)系統(tǒng)的檢測(cè)正確無(wú)誤。有關(guān)增益自動(dòng)控制的方法很多，由于應(yīng)用環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)方法的不同而各具特色。文獻(xiàn)中提出了一種兩級(jí)級(jí)聯(lián)控制總增益的方法，采用兩片AD8367芯片組成放大電路，并通過合理計(jì)算和分配兩級(jí)增益，保證了輸出電壓不失真，提高了系統(tǒng)的線性性能。然而兩級(jí)放大電路的增益有限，為了滿足更寬增益范圍的要求，需要增加更多級(jí)聯(lián)，以保證有足夠可調(diào)節(jié)的增益。
    本文采用微處理器MSP430F149控制帶8位易失性存儲(chǔ)器的四路SPI數(shù)字電位器MCP4351組成三級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波檢波信號(hào)放大增益的自動(dòng)控制。此方法工作效率高，適合寬動(dòng)態(tài)范圍的增益控制。下邊分別從硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)思路及總體實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行分析。

1 增益自動(dòng)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)
    智能微波開關(guān)接收部分對(duì)接收到的微波檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行前置固定增益(增益約為1)放大以及濾波以后，通過三級(jí)程控放大電路放大，將信號(hào)幅值放大到要求的范圍，再由后續(xù)電路進(jìn)行解調(diào)和處理。放大器級(jí)聯(lián)模型如圖1所示。

    為了適應(yīng)寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，放大器的增益控制必須足夠的靈活。當(dāng)輸入幅值特別小的時(shí)候，放大電路要能夠?qū)⑿》敌盘?hào)放大到要求的范圍內(nèi)；當(dāng)輸入幅值特別大的時(shí)候，放大電路還應(yīng)該能夠?qū)⒋蠓敌盘?hào)壓縮。因此，第一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵，要求對(duì)信號(hào)既可以放大也可以壓縮。而第二級(jí)和第三級(jí)放大電路僅具有放大能力就可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
2 增益自動(dòng)控制電路硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)寬動(dòng)態(tài)范圍檢波器輸出信號(hào)的特點(diǎn)(輸出信號(hào)約為500μV～2．75 V)，本文設(shè)計(jì)的第一級(jí)程控增益放大電路要適應(yīng)如此寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的放大，同時(shí)又能夠?yàn)V除噪聲，故采用集成運(yùn)放、程控?cái)?shù)字電位器和電容組成了反相輸入的一階低通濾波電路，同時(shí)還具有增益調(diào)節(jié)功能，微處理器可以通過程序控制此電路的增益。所設(shè)計(jì)的第一級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖如圖2所示(其中中R11和R12為程控?cái)?shù)字電位器R1)。

    對(duì)圖1進(jìn)行分析，可以得到第一級(jí)程控放大電路的輸出電壓為：
   
    在實(shí)際電路中，選用的集成放大器為L(zhǎng)M6154，它是四路高速低功耗集成運(yùn)放。選用的數(shù)字電位器為MCP4351，它是帶易失性存儲(chǔ)器的8位四路數(shù)字電位器。其電阻調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)為：

    式中：N1為0～256之間的十進(jìn)制整數(shù)；Rw為電位器抽頭阻值(75 Ω)。
    經(jīng)過計(jì)算可知：
   
    通過以上分析可以看出，第一級(jí)程控增益放大部分不僅可以將信號(hào)幅值放大也可以將信號(hào)幅值壓縮，使得微波信號(hào)幅值始終保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。因此需要對(duì)程控增益進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。
    另外，由于R10非常小，且接近于Rw，所以當(dāng)剛上電時(shí)，N1取128(相當(dāng)于抽頭在中點(diǎn))，近似有g(shù)1=1。
    第二級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖如圖3所示(其中R21和R22為程控?cái)?shù)字電位器R2)。

    由圖2可以得到第二級(jí)程控放大電路的輸出電壓為：
   
   
    由于第三級(jí)放大電路與第二級(jí)放大電路的電路形式相同，故第三級(jí)程控放大電路增益為：
   
    根據(jù)所選數(shù)字電位器MCP4351的參數(shù)，結(jié)合電路的形式，在保證信號(hào)不失真的情況下，可以得出程控放大電路各級(jí)輸出電壓范圍為：
   
    在如此寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，如何分配各級(jí)增益才能使整個(gè)放大電路的輸出信號(hào)幅值達(dá)到最佳值?在實(shí)驗(yàn)中，先后采用了兩種方法分配各級(jí)增益。
    第一種方法是三級(jí)增益同步調(diào)節(jié)(同大同小)，由于各級(jí)輸出電壓的限制，導(dǎo)致增益可調(diào)范圍變窄。如果同時(shí)調(diào)的過大，則總增益過大，從而將造成信號(hào)幅值太大引起失真；如果調(diào)的太小，總增益就變得很小，造成信號(hào)難以被檢測(cè)出來。
    第二種方法是將第一級(jí)增益與后兩級(jí)增益分開調(diào)節(jié)。由于第一級(jí)增益的變化范圍大，既可以將微波檢波信號(hào)放大又可以將其壓縮，所以第一級(jí)放大電路在整個(gè)三級(jí)放大電路中起到關(guān)鍵作用。第二級(jí)和第三級(jí)電路形式完全相同，這兩級(jí)放大電路只能將信號(hào)幅值放大。因此，在總增益不變的情況下，先調(diào)節(jié)第二級(jí)和第三級(jí)增益，當(dāng)這兩級(jí)增益確定后，再根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一級(jí)增益。
    第二級(jí)和第三級(jí)放大電路的增益公式相同，為了提高調(diào)節(jié)效率，將第二級(jí)和第三級(jí)增益進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，即g3=g2。故總增益為：
   
    因此，只要先確定出g2，就可以很方便地得到g1的值。這種方法有效地解決了第一種方法中存在增益調(diào)節(jié)范圍小的缺點(diǎn)。
    各級(jí)增益計(jì)算步驟為：
    (1)將總增益G線性等分成4 096級(jí)(靈敏度A／D采樣位數(shù)為12位)；
    (2)再根據(jù)式(13)和式(14)所確定的各級(jí)增益范圍，對(duì)應(yīng)每級(jí)的G確定出每級(jí)g2的值，并根據(jù)式(9)確定出第二、三級(jí)放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N2和N3；
    (3)g2確定后，根據(jù)式(16)即可得出每級(jí)g1的值，進(jìn)而根據(jù)式(4)計(jì)算出第一級(jí)放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N1。

3 增益自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)
    制作軟件時(shí)，將計(jì)算好的各級(jí)放大器對(duì)應(yīng)的比例值N21，N2和N3做成表存入處理器MSP430F149中，以備調(diào)節(jié)時(shí)由處理程序查找。系統(tǒng)工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕控制總增益G，當(dāng)靈敏度旋鈕被調(diào)到一個(gè)值后，MSP430F149讀取靈敏度值得出對(duì)應(yīng)的總增益值，通過查表方式得到各級(jí)數(shù)字電位器放大比例值N1，N2和N3，并將其輸出給MCP4351的各存儲(chǔ)器，MCP4351再按照存儲(chǔ)器中N1，N2和N3的值調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，改變反饋電阻阻值，從而實(shí)現(xiàn)增益調(diào)控。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)的三級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路應(yīng)用于智能微波開關(guān)接收部分的增益控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波解調(diào)信號(hào)增益的動(dòng)態(tài)控制。在多級(jí)增益分配過程中，局部增益線性分配，其余按照約束方程計(jì)算，并形成增益分配表，供CPU查表控制增益。在增益自動(dòng)控制的放大電路中，硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便；適用于1～37 234寬動(dòng)態(tài)范圍增益的調(diào)節(jié)；又由于增益的調(diào)節(jié)是CPU通過查表方式完成的，節(jié)省了系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間，降低了編程難度，整個(gè)系統(tǒng)工作效率高。實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足工業(yè)要求，并取得了理想的效果。