摘要：在智能微波開關(guān)信號解調(diào)電路中采用了三級程控放大電路，各級放大電路的增益由多路SPI數(shù)字電位器MCP4351控制。測量電路對靈敏度調(diào)節(jié)電位器輸出電壓進行測量，在保證各級輸出不失真的情況下，根據(jù)約束條件分配測量結(jié)果所對應(yīng)的總增益，并形成增益分配表。其中，第二、三級增益按照線性法分配，第一級增益按照約束方程計算得出。解調(diào)時，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，實現(xiàn)增益的自動控制。該方法不需要單片機進行大量復(fù)雜的增益計算過程，節(jié)省運行時間和程序存儲空間。
關(guān)鍵詞：解調(diào)；自動增益控制；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現(xiàn)對物體位置實時監(jiān)測的智能儀表。智能微波開關(guān)的現(xiàn)場部分分為發(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；接收部分接收此信號，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送入微處理器(MSP430F149)進行判斷，從而確定被測物體的料位(或有無)。
在實際工業(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距離的不確定性、干擾等因素造成微波檢波信號幅值動態(tài)范圍很大。若放大電路的增益過大，將會引起信號的“削頂”失真；若放大電路的增益過小，將會使信號幅值偏低而引起誤判。這兩種情況都將使后續(xù)測量和處理電路無法正確識別信號。另外，由于微波檢波器接收到的微波信號幅值與微波開關(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)計時采取多級放大的方法彌補微波信號幅值的指數(shù)衰減，以保證距離變化在一定范圍內(nèi)時放大后的信號幅值基本保持不變，以便于檢測。
為了保證信號檢測的準(zhǔn)確性，在放大電路中必須合理分配各級增益，使每級均不失真，且放大信號達到最佳測量范圍，提高接收部分的靈敏度，以確保整個智能微波開關(guān)系統(tǒng)的檢測正確無誤。有關(guān)增益自動控制的方法很多，由于應(yīng)用環(huán)境以及實現(xiàn)方法的不同而各具特色。文獻中提出了一種兩級級聯(lián)控制總增益的方法，采用兩片AD8367芯片組成放大電路，并通過合理計算和分配兩級增益，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位易失性存儲器的四路SPI數(shù)字電位器MCP4351組成三級級聯(lián)放大電路，實現(xiàn)了對微波檢波信號放大增益的自動控制。此方法工作效率高，適合寬動態(tài)范圍的增益控制。下邊分別從硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計思路及總體實現(xiàn)方法等方面進行分析。
1 增益自動控制系統(tǒng)框架設(shè)計
智能微波開關(guān)接收部分對接收到的微波檢波器輸出信號進行前置固定增益(增益約為1)放大以及濾波以后，通過三級程控放大電路放大，將信號幅值放大到要求的范圍，再由后續(xù)電路進行解調(diào)和處理。放大器級聯(lián)模型如圖1所示。
為了適應(yīng)寬動態(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候，放大電路要能夠?qū)⑿》敌盘柗糯蟮揭蟮姆秶鷥?nèi)；當(dāng)輸入幅值特別大的時候，放大電路還應(yīng)該能夠?qū)⒋蠓敌盘枆嚎s。因此，第一級放大電路的設(shè)計最關(guān)鍵，要求對信號既可以放大也可以壓縮。而第二級和第三級放大電路僅具有放大能力就可以滿足實際應(yīng)用要求。
2 增益自動控制電路硬件設(shè)計
根據(jù)寬動態(tài)范圍檢波器輸出信號的特點(輸出信號約為500μV～2．75 V)，本文設(shè)計的第一級程控增益放大電路要適應(yīng)如此寬動態(tài)范圍信號的放大，同時又能夠濾除噪聲，故采用集成運放、程控數(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)計的第一級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為程控數(shù)字電位器R1)。
對圖1進行分析，可以得到第一級程控放大電路的輸出電壓為：
在實際電路中，選用的集成放大器為LM6154，它是四路高速低功耗集成運放。選用的數(shù)字電位器為MCP4351，它是帶易失性存儲器的8位四路數(shù)字電位器。其電阻調(diào)節(jié)的步長為：
式中：N1為0～256之間的十進制整數(shù)；Rw為電位器抽頭阻值(75 Ω)。
經(jīng)過計算可知：
通過以上分析可以看出，第一級程控增益放大部分不僅可以將信號幅值放大也可以將信號幅值壓縮，使得微波信號幅值始終保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。因此需要對程控增益進行設(shè)計和控制。
另外，由于R10非常小，且接近于Rw，所以當(dāng)剛上電時，N1取128(相當(dāng)于抽頭在中點)，近似有g(shù)1=1。
第二級程控增益放大部分的電路原理圖如圖3所示(其中R21和R22為程控數(shù)字電位器R2)。
由圖2可以得到第二級程控放大電路的輸出電壓為：
由于第三級放大電路與第二級放大電路的電路形式相同，故第三級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，在保證信號不失真的情況下，可以得出程控放大電路各級輸出電壓范圍為：
在如此寬的動態(tài)范圍內(nèi)，如何分配各級增益才能使整個放大電路的輸出信號幅值達到最佳值?在實驗中，先后采用了兩種方法分配各級增益。
第一種方法是三級增益同步調(diào)節(jié)(同大同小)，由于各級輸出電壓的限制，導(dǎo)致增益可調(diào)范圍變窄。如果同時調(diào)的過大，則總增益過大，從而將造成信號幅值太大引起失真；如果調(diào)的太小，總增益就變得很小，造成信號難以被檢測出來。
第二種方法是將第一級增益與后兩級增益分開調(diào)節(jié)。由于第一級增益的變化范圍大，既可以將微波檢波信號放大又可以將其壓縮，所以第一級放大電路在整個三級放大電路中起到關(guān)鍵作用。第二級和第三級電路形式完全相同，這兩級放大電路只能將信號幅值放大。因此，在總增益不變的情況下，先調(diào)節(jié)第二級和第三級增益，當(dāng)這兩級增益確定后，再根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一級增益。
第二級和第三級放大電路的增益公式相同，為了提高調(diào)節(jié)效率，將第二級和第三級增益進行同步調(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。
各級增益計算步驟為：
(1)將總增益G線性等分成4 096級(靈敏度A／D采樣位數(shù)為12位)；
(2)再根據(jù)式(13)和式(14)所確定的各級增益范圍，對應(yīng)每級的G確定出每級g2的值，并根據(jù)式(9)確定出第二、三級放大電路數(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g1的值，進而根據(jù)式(4)計算出第一級放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N1。
3 增益自動控制軟件設(shè)計
制作軟件時，將計算好的各級放大器對應(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)時由處理程序查找。系統(tǒng)工作時，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)到一個值后，MSP430F149讀取靈敏度值得出對應(yīng)的總增益值，通過查表方式得到各級數(shù)字電位器放大比例值N1，N2和N3，并將其輸出給MCP4351的各存儲器，MCP4351再按照存儲器中N1，N2和N3的值調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，改變反饋電阻阻值，從而實現(xiàn)增益調(diào)控。
4 結(jié)論
本文設(shè)計的三級級聯(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，實現(xiàn)了對微波解調(diào)信號增益的動態(tài)控制。在多級增益分配過程中，局部增益線性分配，其余按照約束方程計算，并形成增益分配表，供CPU查表控制增益。在增益自動控制的放大電路中，硬件電路實現(xiàn)簡便；適用于1～37 234寬動態(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)計算時間，降低了編程難度，整個系統(tǒng)工作效率高。實際應(yīng)用中能夠滿足工業(yè)要求，并取得了理想的效果。
下載文檔
