基于開關電容濾波和AGC放大器的信號調理電路設計＊

周志宇 胡 剛 劉謀榮 安志鴻

（中船重工集團第722研究所 武漢 430079）

1 引言

低頻信號調理電路作為模擬前端，信號變化的動態范圍大，最大時可相差幾十分貝，而且為了達到最佳的數據采集效果，其工作帶寬相對于中心頻率往往較小，要求濾波器的Q值較高，這樣就要求電路有較大的動態增益控制范圍，濾波器有較高的Q值。本文針對以上特點，以開關電容濾波器及電壓控制AGC放大器為核心部件，設計了一種應用于低頻信號的調理電路，該電路能實現80dB的增益動態范圍，可變中心頻率濾波。

2 開關電容濾波器工作原理

開關電容濾波器是一種新型的大規模集成器件，其主要特點是用開關和電容來代替電路中的電阻，是數字電路和模擬電路的結合，可以將很多有源的RC 濾波器轉換成開關電容濾波器［1～2］。與常規的RC濾波器相比，其具有以下優點：1）開關電容濾波器的極點位置不再由RC 乘積來決定，而是由電容比來決定，電容比能夠精確地控制，且溫度性能好；2）開關電容濾波器在使用時無需更換元件，只需改變時鐘頻率就可以在一定的范圍內改變濾波器的中心頻率和Q值。因此，開關電容濾波器獲得了廣泛的應用。

開關電容由模擬開關和電容組成，開關電容電路可以等效為一個電阻，其基本電路及時鐘信號如圖1所示，起開關作用的MOS管T1和T2是由時鐘信號Φ和來控制的，Φ和是反相的。當時鐘Φ為高電平時，T1管導通，T2管截止，電容C與1-2端接通，充電電荷為Q＝CV1；當時鐘信號為高電平時，T2管導通，T1管截止，電容C與3-4端接通，充電電荷為Q＝CV2。若設電路的時鐘周期為Tc，則在此時間內從1-2端向3-4端傳輸的電荷為ΔQ＝Q1-Q2，由1-2端流向3-4端的平均電流為I＝ΔQ／Tc＝C（V1-V2）／Tc。

圖1 基本開關電容電路及時鐘信號

一般時鐘頻率fclk是信號頻率的幾十倍至幾百倍，此時開關電容電路相當于一個電阻R，其等效電阻值為R＝（V1-V2）／I＝Tc／C＝1／fclkC，由此可見等效電阻的值與時鐘頻率和電容的值成反比。當然實際上，V1和V2是隨時間變化的，但只要時鐘頻率fclk與信號頻率比足夠高，就可以認為V1（t＋T）與V2（t＋T）分別和V1（t）與V2（t）近似相等，上述等式成立。對于RC濾波器，只要用開關電容代替電阻，就可以構成開關電容濾波器。

3 電壓控制AGC放大器工作原理

圖2 電壓控制AGC放大器電路原理框圖

電壓控制AGC放大器工作原理框圖見圖2，可控增益放大器的放大倍數AV受控制電壓Vc的控制，閉環后系統對Av進行自動控制［3］。環路中檢波器檢測出反映信號電平的有效值，通過低通濾波器后，在比較器中與參考電平Vr相比較，產生控制信號Vc去控制Av。若輸入電壓幅度Vi增加或電路參數變化使增益變大而導致Vo增加時，環路產生控制信號，使Av減小；反之，在各種因素造成Vo減小時，環路也會產生控制電壓Vc，使Av增加。即通過環路控制作用，無論變化Vi或系統參數變化，輸出信號電平Vo都將保持在由Vr決定的電平上幾乎不變。圖2中，低通濾波器的作用是決定反饋支路的反應速度，因此，低通濾波器時間常數是整個自動增益控制環路的重要參數。時間常數小，通帶寬，反應速度快，即在輸入端信號起伏頻率較高時，自動增益控制系統的反饋支路也能及時地反應，使輸出的信號基本保持不變。

4 信號調理電路設計

4.1 電路原理框圖設計

根據低頻電路模擬前端的性能要求，信號調理電路的設計框圖如圖3所示，電路采用硬件AGC控制［4］。有效值檢波電路對信號輸出進行有效值檢波，檢波結果與比較器設定好的門限值作比較，比較結果經濾波后送入可控AGC的控制端，控制可控增益放大器的增益，使得當輸入信號弱時增益大，輸入信號強時增益小，使輸出端電壓幾乎不變，維持在設定好的門限值左右。為了達到系統要求的動態范圍，選用兩級可控增益放大器；為了得到較高的Q值及可變中心頻率，在兩級之間插入開關電容帶通濾波器；為了提高信號調理電路的靈敏度及獲得相應的增益，在輸入端加前置放大濾波器。

圖3 信號調理電路原理框圖

前置放大濾波器運算放大器應選用低噪聲運算放大器，增益可根據要求設定，如20dB；可控增益放大器可選擇低噪聲可控AGC放大器［5］；開關電容濾波器應選擇中心頻率在20kHz以上的開關電容帶通濾波器。

4.2 開關電容濾波器電路設計

本文選擇開關電容LTC1064，它是一個低噪聲，高速開關電容濾波器，內部含有四個獨立、高速、低噪聲的兩階開關電容濾波器結構單元；每個單元通過外部時鐘和電阻，就可以提供低通、高通、帶通和陷波器等不同種類的二階濾波器，且每個二階濾波器的截止頻率或中心頻率取決于外部提供的時鐘頻率［6］。因此，只要通過改變輸入到LTC1064的時鐘頻率就可以靈活地改變濾波器的截止頻率或中心頻率。

本文設計的帶通開關電容濾波電路如圖4所示［7］，其中時鐘頻率由數字電路提供，時鐘頻率為信號頻率100倍，其帶寬為中心頻率±10%。

圖4 開關電容濾波電路

4.3 自動增益控制電路反饋支路設計

如圖3要求，自動增益控制電路關鍵在于反饋支路的性能，如檢波器的精度，低通濾波器的時間常數等，這樣產生的控制電平能準確地根據信號的強弱實時地控制可控放大器的增益，使輸出穩定在基準電平左右［8］。本文中所選檢波器為AD 公司真有效值檢波器AD637，其精度高，帶寬8MHz，輸入電平范圍寬［9］。

圖5 自動增益控制電路反饋支路原理簡圖

本文中自動增益控制電路反饋支路如圖5所示，電路輸出經AD637檢波電路檢波后，得到其有效值，有效值與比較器的基準電壓比較，積分后得到控制電壓，控制電壓送入可控增益放大器的電壓控制端，控制輸入信號增益的變化，使輸出電壓穩定在基準電平左右。

5 動態范圍測試及結果

本文電路在測試過程中，輸入采用信號發生器加衰減器給出單頻正弦信號，幅度范圍為-100dBv～-20dBv，輸出信號采用數字示波器觀測的方法，其最終輸出信號可穩定在1dBV 左右；濾波特性在以3kHz為中心頻率信號輸入開關電容濾波器測試，其在距離中心頻率±17%時，衰減量約為20dB；噪聲系數測量采用正弦波發生器法［10］，用EMI接收機在200Hz測量帶寬測量，在工作頻帶內測量的本級等效輸入噪聲為

6 結語

開關電容濾波器可以通過改變其時鐘頻率來改變濾波器的特征頻率或中心頻率，具有較好的穩定性，且電路體積小，非常適合低頻信號的處理。本文針對低頻信號輸入信號的動態范圍，設計了一種硬件AGC 增益控制電路，其動態范圍達到了80dB，具有較低的噪聲，具有一定的參考意義。

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