多路AGC放大器閉環控制系統設計

高加林，薛海英，楊翠俠，楊　侃

(北方通用電子集團有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163)

多路AGC放大器閉環控制系統設計

高加林，薛海英，楊翠俠，楊侃

(北方通用電子集團有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163)

摘要：針對現有多路光電探測器配置的多級增益控制方式的缺點進行了分析，提出采用AGC放大方案克服多級增益變化所帶來的缺點的思路。針對光電探測器輸出的多路低占空比和窄脈沖信號特點，設計采用加權法獲取多路信號之和，利用采樣保持電路和A/D轉換器獲取加權后的和脈沖信號幅度，并經微控制器計算得到增益反饋控制量，最后反饋到電壓控制型可變增益放大器的控制端，調整光電探測器輸出信號的幅度，從而提高探測器的探測精度和穩定性。

關鍵詞：多路探測器；AGC放大器；閉環控制；窄脈沖

在一些聲、光、力等換能測量方面，經常用到多個傳感器同時對同一物體進行感測，并通過換能器將被感測能量信號轉換成窄脈沖電信號進行放大和處理，最終實現自動控制的情況。當被測能量強度變換范圍很大時，一般采用多級增益控制方法進行放大，使最終的電信號處于放大器的線性區內，以便于后級計算和處理。這種利用分級衰減調整增益的方法在要求不高的場合下勉強可以滿足使用要求，但是在被測量信號連續變化時，會導致增益切換前后產生電信號的劇烈變化，可能出現信號太小或放大器飽和等問題，使后級無法判斷和控制，嚴重時出現系統失控等較為嚴重的問題。

本文通過對自對準移動控制系統光電信號放大器及其輸出信號幅度對探測誤差的影響進行了研究，并對現有多級增益控制方法的缺點進行了分析，設計了一種AGC放大器閉環控制方法，提高了多路探測器的探測精度和穩定性。

1現有探測器信號放大電路增益控制方法及其缺點

一般自對準移動控制系統中采用多個光敏單元對目標位置進行感測的光電探測器[1]，受路徑和環境的影響，光電信號幅度變化接近60 dB，如果采用固定增益放大器，在輸出信號幅度變化很大時，有可能出現小信號丟失和大信號輸出飽和。目前，實用的光電探測器采用4級左右分段增益的控制辦法，每級衰減10～20 dB，盡可能將輸出信號幅度控制在允許的范圍內。由于采用多級增益分段控制，其存在如下缺點：1)增益控制電路復雜；2)增益切換起伏大。

光電傳感器在移動過程中，接收到的信號幅度是逐漸增大時，若采用多級分段增益控制，則放大器的增益隨著距離的減少而減小。由于采用多級分段增益控制，放大器的級數不可能很多，每級增益變化量較大，切換前、后增益變化也較大。若接收到的光電信號幅度變化速度較慢，則達到增益切換閾值時，切換前輸出信號幅度較大，而切換后輸出信號幅度又變得很小，因此可能導致后級電路難以采集到信號，最終使系統失控。

由于上述缺點，在要求較高的場合下應用光電傳感器就必須采用AGC放大器進行增益連續變化的控制方法，避免增益切換帶來輸出信號大幅度跳變而影響探測精度和穩定性。

2多路探測器增益閉環控制系統設計

由于多路探測器的各路輸出信號幅度是隨機變化且不一定相同，不能以任何一路的輸出為基準來控制其他路的輸出增益。所以設計了一種控制方法，將探測器輸出的多路電壓幅度進行加權，利用加權信號作為控制的目標信號，這樣可以避免任一通道信號輸出幅度飽和或偏小。

多路探測器增益閉環控制原理框圖如圖1所示。

圖1　多路探測器增益閉環控制原理框圖

圖1中虛線框內是增益控制反饋回路，增益控制反饋回路與可變增益放大器組成自動增益放大器，替代多級控制系統中的多級放大器。下述說明AGC放大器的主要電路結構和控制計算方法。

2.1可變增益放大器的選擇

一般光電探測器自帶20 dB或更多的增益可調范圍，而光電信號處理電路中，可變增益放大器的帶寬太大，容易產生自激和過沖等現象，所以這里選用增益可調范圍為40 dB且易于調試的電壓控制型可變增益放大器，并設計帶寬為30 MHz，這樣與光電接收器組成60 dB增益調整范圍，從而滿足系統需要的增益變化。

2.2信號采集電路

信號采集電路由采樣保持電路和模數轉換電路組成。一般光敏單元接收到的光電信號是寬度不足2 μs的窄脈沖信號，利用加法器獲取多路信號的和信號仍然是一個窄脈沖信號，因此應利用采樣保持電路將此和脈沖信號展寬，這樣模數轉換器才能采集到信號。采樣保持電路如圖2所示。

圖2　采樣保持電路

圖2中，Vin是來自可變增益放大器的輸出信號；VG是采樣電容放電信號；Vs是采樣保持輸出電平信號，Vs被送到模數轉換電路。電路中V1和Rt用來補償V3導通壓降。

采樣保持電路的輸出信號傳輸到模數轉換電路，由模數轉換電路轉換成數字信號后由微控制器進行運算。增益控制回路中的模數轉換器采樣分辨率取8位，滿量程電壓一般采用5 V左右即可，采樣周期在300 μs以內即可以滿足系統工作周期需要。

2.3觸發電路

由于輸入的是窄脈沖信號，模數轉換器只有在脈沖信號到達時才能轉換，同時為了抑制噪聲干擾，應設置門限觸發電路。門限觸發電路由閾值門限比較器構成，直接接收采樣保持電路輸出的電壓信號。比較器的閾值電壓若設計合理，既能夠保證抑制噪聲，還要盡可能保證探測靈敏度，便于小信號采集。

觸發電路先觸發微控制器，由微控制器發出模數轉換開啟信號。模數轉換器轉換結束后，微控制器讀取模數轉換的結果，然后發出放電信號到如圖2所示的VG輸入端，釋放采樣電容存儲的電量，撤消觸發信號，等待下一次觸發。

2.4目標增益的計算和處理

可變增益放大器的增益以dB為單位，其與控制電壓成線性關系：1 dB/0.025 V。設可變增益放大器原增益為Gi(dB)，在此增益下獲得Vi輸出脈沖幅度，目標幅度為Vm，則調整后的目標增益為：

Gm=Gi+20lg(Vm/Vi)

(1)

當Vm>Vi時，20lg(Vm/Vi)值為正數，則可變增益放大器的增益增加；當Vm

式1中包含取對數運算，在微控制器里實現起來比較困難。采用快速調用數組或查表方式取得增益增加量。增益增加量與原增益相加就是下一次可變增益放大器的放大增益。

上述分析之外還有3種情況需要特殊處理：1)等待一個周期時間后沒有觸發信號時；2)模數轉換器輸出數據達到滿量程時；3)可變增益放大器增益達到最小，模數轉換器輸出的電壓仍比目標電壓大時。整個AGC增益控制流程如圖3所示。

圖3　AGC控制流程

2.5數模轉換器的設計選擇

微控制器計算出來的設置增益的數據量應通過數模轉換器轉換成電壓信號后，才能控制可變增益放大器的輸出增益；因此，模數轉換器的輸出電壓最小步長決定著可變增益放大器增益控制的最小變化量。

若要求光電脈沖和信號幅度控制在1.9～2.1 V，典型值為2.0 V，誤差為-0.44～0.42 dB，則對應可變增益放大器控制增益最小變化量應<0.42 dB才能滿足控制精度。設可變增益放大器增益控制電壓偏置量為1 V，可變增益放大器控制電壓最小為0.5 V，最大為1.5 V，考慮一定的容余量，數模轉換器的輸出電壓應≥2 V，以滿量程2 V計算，最小分辨率為0.01 V，對應的數字量為200，所以取8位分辨率的數模轉換器即可滿足要求。

若采用數控型可變增益放大器，則可以省去此處的模數轉換器，由微處理器根據計算的數值直接控制可變增益放大器的增益。

2.6微控制器的設計選擇

為了減小AGC閉環控制電路體積，設計閉環控制系統時，考慮選用集成A/D、D/A和比較器功能的微控制器。本設計選用ATMEL公司的ATMEGA16M1型單片機[2]，該單片機集成10-bit ADC、10-bit DAC和閾值檢測模擬比較器，自帶基準電壓源，完全滿足本設計需要。

綜上所述，所設計的自動增益閉環控制方法有如下優點：1)可以快速響應低占空比脈沖信號幅度變化，利用前一個脈沖信號的幅度計算增益變化量，調整下一個脈沖信號的幅度，調整時間只延遲1個脈沖周期；2)自動增益啟控后輸出信號穩定；3)利用多功能微控制器設計閉環控制回路，AGC放大器電路結構簡單，便于系統集成。

3結語

多路AGC放大器閉環控制系統利用峰值采樣方法獲取輸出信號幅度，并利用微控制器求得閉環控制電壓，反饋到電壓控制型可變增益放大器的控制端，控制可變增益放大器傳輸增益，解決了多路探測器窄脈沖信號幅度難以控制的問題，提高了多路探測器的探測精度和穩定性。

參考文獻

[1] 王永仲. 現代軍用光學技術[M]. 北京：科學出版社，2004.

[2] 張軍. AVR單片機應用系統開發典型實例[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

責任編輯鄭練

Design of Closed-loop Control System with Multi-channel AGC Amplifier

GAO Jialin, XUE Haiying, YANG Cuixia, YANG Kan

(Department of Microelectronics, North General Electronics Group Co., Ltd., Suzhou 215163, China)

Abstract:Aimed at the shortcomings of the multilevel gain control mode in the existing multi-channel optical-electronic detector, a scheme that uses automatic-gain control (AGC) was proposed to solve these shortcomings. Focused on the characteristics of the detector’s multi-channel low duty circuit and narrow pulse signal, the sum of multi-channel signals was obtained by using the weighting method and the pulse signal amplitude after weighting was obtained by using sample and hold circuit and A/D converter. Then the control quantity of gain feedback was calculated by the microcontroller. Finally, the control quantity was fed back to control end of the voltage-controlled variable gain amplifier to adjust the amplitude of the output signal for the optical-electronic detector. The objective of the above design was to improve the detection accuracy and stability of the detector.

Key words:multi-channel detector, AGC amplifier, closed-loop control, narrow pluse

收稿日期：2014-06-16

作者簡介：高加林(1972-)，男，高級工程師，高級設計師，主要從事混合集成電路設計等方面的研究。

中圖分類號：TP 399

文獻標志碼：A