一種隨機采樣技術在自動增益控制放大器中的應用

劉哲豪

（山東省煙臺市青華中學，山東煙臺，264000）

0 引言

自從麥克斯韋預言了電磁波的存在并總結了電磁波的存在和傳播規律之后，一大批的科學家投身入無線通信研究中，無線通信技術日新月異。無線通信在人類的歷史發展進程中占有著不可替代的作用。直到今天，各類無線通信技術還在飛速發展。一個典型的無線通信系統如圖1所示[1]。

圖1 射頻前端結構框圖

圖2 傳統AGC架構

電磁波從發射機發射后經過無線傳播，由于在傳播過程中受環境條件變化影響，發射機或接收機的位置、方向變化等因素導致到達接收及天線的電磁波信號強弱無法確定，這就需要自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)放大器來對接收信號的強度進行控制。

自動增益控制(AGC)，顧名思義，就是根據輸入信號的強度不同來自動調節放大器的增益，當輸入信號過大時降低增益，當輸入信號過小時提高增益，使得輸出信號強度保持為一個固定值，方便后級電路對信號進行統一處理。自動增益控制放大器在收發系統鏈路中有著舉足輕重的地位。

傳統的AGC框架如圖2所示[2]，核心部件為一個可控增益放大器，其增益受一個直流電壓控制，增益隨著這個直流控制電壓的變化而變化，所以可以通過給改放大器預置一個合適的直流電壓來使得放大器達到想要的增益值，這個直流電壓可以通過單片機控制DAC來產生。輸入信號經過其放大后，從其輸出信號取樣通過整流電路進行整流，將雙極性信號轉化為單極性信號，然后經過一個低通濾波電路，將整流后的信號過濾平滑后變成直流信號，該直流信號幅度大小與放大器輸出的交流信號的平均值成正比，然后通過AD采樣這個直流信號就可以換算出輸出的交流信號大小。在單片機內部將這個信號大小與所需要的輸出信號強度值進行比較，如果比預期偏大，則單片機控制DA輸出電壓使得放大器增益降低，以達到降低輸出信號的目的，反之亦然。這樣就形成了一個閉環的負反饋系統，輸出信號始終能保持在一個預期的目標值。可以在反饋鏈路中加入PID控制，以加快系統的調節速度、降低調節誤差、改善系統的動態性能[3]，這不是本文將要重點討論的。

1 隨機采樣技術分析

在傳統的AGC鏈路中，整流濾波電路似乎是一個必不可少的部分，而且這一部分電路的性能好壞將決定輸出信號控制的準確度與反應速度，設計過程需要進行仔細調節。本文就提出了一種不需要這部分整流濾波功能的AGC電路，反饋信號直接輸入到ADC管腳進行采樣，由于不需要恢復出原始信號，所以在這里AD的采樣率與輸出信號的頻率并不需要滿足奈奎斯特采樣定律，使用一個比信號頻率低得多的采樣率即可，這就對AD芯片的性能降低了要求，使用單片機自帶的ADC即可滿足一般應用要求。這樣省去了整理濾波部分的元件成本、減小了PCB占用空間，也減少了整個系統的設計調試時間，大大降低了AGC系統的成本。

改進后的AGC系統鏈路如圖3所示，本系統由基于寬帶低噪聲放大器OPA820的固定增益放大電路、以寬帶壓控增益放大器VCA821為核心的可控增益放大電路、基于THS3091的功率放大電路、基于MSP430G2553的單片機控制模塊四部分組成；其中VCA821增益控制端電壓由單片機控制高精度數/模轉換器（DAC）TLV5618產生。由單片機內置的模數轉換器（ADC）對輸出電壓采樣并進行比例/積分（PI）控制后,實現在10mVpp到1Vpp輸入下，輸出電壓保持5V不變；并可以數字顯示輸入電壓和輸出電壓。

圖3 改進后的AGC系統鏈路

可以看出，與傳統的AGC架構相比，本系統省略了輸出信號到ADC之間復雜的整流濾波電路，而是只有兩個電阻分壓后經過一個簡單的加法器，用來將雙極性信號加上一個直流電壓，以匹配ADC的輸入范圍。

在ADC采樣時進行隨機采樣，即以隨機的時間間隔對信號進行采樣，在采樣點足夠多的情況下，在眾多采集到的值中尋找最大的幾個值和最小的幾個值，對這幾個最大最小值分別求算術平均值得到Umax和Umin，則認為輸入信號的峰峰值Upp即二者的差值。

可以看出，ADC的采樣間隔時間是隨機的，必須要保證足夠多的采樣點數，才能夠將采樣點中采到最大最小值的概率提高，點數越多，概率越高，控制就越準確，但是過多的采樣點會造成采樣總時間過長，降低了整個環路的反饋跟蹤速度，所以應該在速度和精度之間進行權衡，選擇一個合適的點數。之所以需要取最大和最小的幾個指分別進行算術平均，是為了防止由于其他原因導致的采樣點中出現個別超出實際信號峰峰值的壞點，如果將這些壞點的值當作真實信號的最大最小值，將對之后的放大器增益產生錯誤的控制。取幾個點進行平均后，大大降低了輸出受個別壞點影響的程度，保證了對輸出信號幅度的正確采樣和控制。

2 系統架構，實測結果

按照上一節的系統框架進行原理圖繪制并制作最終的實物，對所提出的隨機采樣技術進行驗證，制作調試完成的AGC放大器如圖4所示。

圖4 最終實物

設計目標是在輸入信號從10mVpp到1Vpp范圍內，輸出信號均保持為5Vpp，表1列出了輸入信號分別為10mVpp、200mVpp、1Vpp時，頻率從3Hz到50MHz范圍內的測量結果。

從測試結果可以看出，在不同的輸入信號幅度時，基本都是在頻率為20Hz處開始輸出信號已經達到預期的5Vpp附近，誤差小于0.05V，隨著頻率升高，輸出信號幅度在5Vpp附近上下浮動，在20Hz到30MHz范圍內，浮動誤差均小于0.1V。

3 帶寬限制分析

可以看到，在頻率特別低的時候，放大器的增益不能達到預期的值。為了防止直流漂移經過逐級放大最后導致輸出信號漂出所需范圍，各級放大器之間使用了電容進行級間耦合，阻斷直流導通交流信號，所以對于頻率特別低的信號不能良好地通過該耦合電容，相當于每一級之間的電容對信號都有一個衰減，各級放大器能提供的最大增益與各級電容的衰減總量之差小于所需增益，導致經過整個鏈路的信號不能被放大到預期的值。

隨著頻率升高，在一段較寬的頻帶內其輸出信號都能比較穩定地維持在所需的值附近。但當頻率升高到30MHz以上時，可以看出隨著頻率升高其輸出值有變大的趨勢。可能的原因是由于頻率升高以后，電路的寄生效應逐漸呈現出來[4]，從輸出信號反饋到單片機的ADC采樣管腳的路徑中，有一部分電路是手工焊接的，另一部分是50Ω的同軸線，導致反饋路徑的阻抗不連續，部分信號會反射回去，導致ADC采樣得到的值小于實際輸出信號值。實際調試過程中，使用示波器測量ADC采樣管腳上的電壓，證明了以上原因是正確的，其電壓低于放大器的實際輸出電壓。

表1 測試結果

4 結論

本文簡述了傳統AGC的原理，提出了一種隨機采樣技術，應用這種技術可以省去傳統架構中的整流濾波電路，大大節省成本。然后制作了實物驗證了提出的隨機采樣技術的可行性，制作的AGC系統能在在輸入信號在10mVpp到1Vpp范圍內保證輸出信號穩定在5Vpp，在20Hz到30MHz范圍內保持良好的自動增益控制性能。最后針對實測結果中低頻和高頻的異常結果進行了合理的分析和驗證。