微波檢波信號增益自動控制方法研究與實現

摘 要：在智能微波開關信號解調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數字電位器MCP4351控制。測量電路對靈敏度調節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，根據約束條件分配測量結果所對應的總增益，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。解調時，系統控制核心MSP430F149查增益分配表得到數字電位器的調整值，并按照調整值調節電位器的阻值，實現增益的自動控制。該方法不需要單片機進行大量復雜的增益計算過程，節省運行時間和程序存儲空間。

關鍵詞：解調; 自動增益控制; 數字電位器; 程控放大電路

中圖分類號：

TN72-34; TP273.1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Study and Realization of Auto-gain Control Method for Microwave Detection Signal

LI Zhou-li1， ZHAO Xue-min1， HUANG Tian-lu2

(1. School of Electronic Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China;

2. Xi’an Communications Institute， Xi’an 710106， China)

Abstract： Three-stage programmable amplifying circuit is applied in the signal demodulation circuit of a smart microwave switch， the gain of each amplifying circuit is controlled by MCP4351 which is a multiple SPI digital potentiometer. The measurement circuit measured and got an output voltage of a potentiometer for adjusting sensitivity. According to constraint conditions， the system distributed the total gain corresponding to the voltage with no signal distortion， and formed gain distribution table. In the process， the second and the third gain were distributed by the linear assignment method， and the first gain was calculated through constraint conditions. In the demodulation operation， the CPU MSP430F149 gained the adjusted values of the digital potentiometer gain by checking allocation table， and adjusted resistance of the potentiometer according to values so as to realize the automatic control of the gain. This method does not need lots of complex gain calculation process by microcontroller， and saves the operation time and program storage space.

Keywords： demodulation; AGC; digital potentiometer; programmable amplifying circuit

收稿日期：2011-04-29

0 引 言

智能微波開關是一種基于微波波束障礙法實現對物體位置實時監測的智能儀表。智能微波開關的現場部分分為發射和接收兩部分，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。發射部分發射出經調制的高頻微波脈沖信號；接收部分接收此信號，并經過解調、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)。

在實際工業應用中，智能微波開關應用環境復雜，發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發射器和接收器之間的距離成指數衰減關系，因此為滿足不同距離的使用要求，設計時采取多級放大的方法彌補微波信號幅值的指數衰減，以保證距離變化在一定范圍內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系統的檢測正確無誤。有關增益自動控制的方法很多，由于應用環境以及實現方法的不同而各具特色。文獻［1］中提出了一種兩級級聯控制總增益的方法，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，以保證有足夠可調節的增益。

本文采用微處理器MSP430F149控制帶8位易失性存儲器的四路SPI數字電位器MCP4351組成三級級聯放大電路，實現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，適合寬動態范圍的增益控制。下邊分別從硬件電路設計、軟件設計思路及總體實現方法等方面進行分析。

1 增益自動控制系統框架設計

智能微波開關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，再由后續電路進行解調和處理。放大器級聯模型如圖1所示。

圖1 放大器級聯模型

為了適應寬動態范圍的應用，放大器的增益控制必須足夠的靈活。當輸入幅值特別小的時候，放大電路要能夠將小幅值信號放大到要求的范圍內；當輸入幅值特別大的時候，放大電路還應該能夠將大幅值信號壓縮。因此，第一級放大電路的設計最關鍵，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用要求。

2 增益自動控制電路硬件設計

根據寬動態范圍檢波器輸出信號的特點(輸出信號約為500 μV~2.75 V)，本文設計的第一級程控增益放大電路要適應如此寬動態范圍信號的放大，同時又能夠濾除噪聲，故采用集成運放、程控數字電位器和電容組成了反相輸入的一階低通濾波電路［2］，同時還具有增益調節功能，微處理器可以通過程序控制此電路的增益。所設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R11和R12為程控數字電位器R1)。

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的范圍內。因此需要對程控增益進行設計和控制。

另外，由于R10非常小，且接近于Rw，所以當剛上電時，N1取128(相當于抽頭在中點)，近似有g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R21和R22為程控數字電位器R2)。

在如此寬的動態范圍內，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節(同大同小)，由于各級輸出電壓的限制，導致增益可調范圍變窄。如果同時調的過大，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節。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，先調節第二級和第三級增益，當這兩級增益確定后，再根據需要調節第一級增益。

第二級和第三級放大電路的增益公式相同，為了提高調節效率，將第二級和第三級增益進行同步調節，即

因此，只要先確定出g2，就可以很方便地得到g1的值。這種方法有效地解決了第一種方法中存在增益調節范圍小的缺點。

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采樣位數為12位［5-6］)；

(2) 再根據式(13)和式(14)所確定的各級增益范圍，對應每級的G確定出每級g2的值，并根據式(9)確定出第二、三級放大電路數字電位器刀口位置調整值N2和N3；

(3) g2確定后，根據式(16)即可得出每級g1的值，進而根據式(4)計算出第一級放大電路數字電位器刀口位置調整值N1。

3 增益自動控制軟件設計

制作軟件時，將計算好的各級放大器對應的比例值N1，N2和N3做成表存入處理器MSP430F149中，以備調節時由處理程序查找。系統工作時，通過調節靈敏度旋鈕控制總增益G，當靈敏度旋鈕被調到一個值后，MSP430F149讀取靈敏度值得出對應的總增益值，通過查表方式得到各級數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的值調節數字電位器，改變反饋電阻阻值，從而實現增益調控。

4 結 論

本文設計的三級級聯放大電路應用于智能微波開關接收部分的增益控制電路，實現了對微波解調信號增益的動態控制。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，硬件電路實現簡便；適用于1~37 234寬動態范圍增益的調節；又由于增益的調節是CPU通過查表方式完成的，節省了系統計算時間，降低了編程難度，整個系統工作效率高。實際應用中能夠滿足工業要求，并取得了理想的效果。

參 考 文 獻

［1］王軍旗，劉曉暉，鄒顯炳.接收射頻前段中頻放大器增益控制電路設計［J］.電子技術應用，2009(8):60-63.

［2］詹姆斯#8226;W#8226;尼爾森，蘇珊#8226;A#8226;里德爾.電路［M］.7版.北京：電子工業出版社，2005.

［3］National Semiconductor. LM6152/LM6154 dual and quad high speed/low power 75 MHz GBW Rail-to-rail I/O operational amplifiers \\. \\: National Semiconductor， 1999.

［4］Microchip Technology Inc.MCP433X/435X data sheet \\. \\: Microchip Technology Inc.， 2010.

［5］秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例［M］.武漢：中國電力出版社，2005.

［6］Texas Instruments.MSP430X1XX family user′s guide \\. America: Texas Instruments， 2006.