基于增益自動控制的精密信號檢測電路探析

丁瑞昕

摘要：本文主要研究分析一種精準信號偵測電路設計，該電路核心依賴于自動增益調控機制。這一電路設計不僅針對微弱信號可以實現高敏感度的偵測能力，而且嵌入自適應的增益調節特性，從而能夠靈活應對多樣化的輸入信號強度。詳盡介紹該電路從概念構思到實現過程、性能驗證，以及其在實際中的應用案例等各個層面內容，以供參考。

關鍵詞：精密信號；檢測；自動控制；電路設計

DOI：10.12433/zgkjtz.20240917

基金項目：廣州市現代產業學院項目——智能裝備制造現代產業學院

項目編號：2023XDCY005

隨著科技的進步和創新，高精度信號檢測技術在多個領域中得到廣泛的運用。特別是在醫療、通信、航天航空等領域，對信號的精確度和穩定性的需求日益增強。因此，研究人員研發和構建一種具有高靈敏度、高穩定性的精密信號檢測電路，顯得尤為關鍵。

一、系統硬件總體設計

AD轉換器是檢測系統中的關鍵組件，由于涉及精密信號檢測，所以對系統中的數字模擬轉換器（AD轉換器）有特殊的要求。下文將論證微處理器的選擇方案，以確定總體方案。

方案：選擇內置A/D轉換功能的微處理器，這樣能實現數據的采集、完成A/D轉換，縮小設備的體積、大大降低了成本，提高系統的可靠性和電氣性能指標。

在方案中，有多種微處理器可供選擇。通常，AD轉換器在8～10位，這樣的分辨率對于一般目的地檢測和普通的控制領域能夠滿足要求，但對高精度的檢測顯然不夠。

二、總體框圖

該檢測系統具備對兩種類型的信號——交流和直流信號進行監測的功能。交流信號在經過專用放大器和精密整流電路的處理之后，以及直流信號在通過放大器處理之后，均會輸入到AD轉換器中。

在系統中提供大容量的外部數據存儲能力，提供鍵盤和數碼顯示功能，方便系統進行參數設置和結果的實時顯示。總體設計框架如圖1所示。

三、ADuC834介紹

（一）ADuC834的組成

ADuC834包括雙路Σ-△ADC、溫度傳感器、可編程的增益放大器。

內部包括兩個主通道和兩個輔助通道。一個溫感及一個放大倍數可編程的放大器，對于一些微弱信號可直接測量。內核8052選用智能轉換器，它與8051指令集兼容。機器周期是12個內核時鐘周期，由內核工作頻率確定。數據RAM片豐富，具備擴展各種字節的存儲空間能力，廣泛應用在數據采集和記錄儀器設備內部。

片內通過UART可串行下載或調試模式，可利用EA引腳引入單引腳模式競爭。ADuC834同時支持各種升級系統或低成本的軟硬件。

ADuC834的功能框圖及引腳定義，如圖2所示。

RESET引腳的功能：復位輸入。振蕩器工作，若持續保持16個主時鐘周期的高電平信號，器件復位。在設計過程中，為了實現ADuC834與8255A的同步復位，將ADuC834的復位引腳與8255A的復位引腳相連。

RXD引腳的功能：UART串行口接收數據。

TXD引腳的功能：UART串行口發送數據。

WR引腳的功能：寫控制信號，用于將來自P0口的數據字節鎖存入外設中。

RD引腳的功能：讀控制信號，用于將外設中的數據讀取到P0口中。

T0引腳的功能：定時器/計數器0的輸入。

T1引腳的功能：定時器/計數器1的輸入。

ALE引腳的功能：作為邏輯輸出的地址鎖存允許輸入信號。如果正常工作，其輸出可將地址的低字節或24位地址空間訪問中的中字節全部鎖存進入外部存儲器。此外，在期間內，ALE被激活需要至少6個振蕩器周期。

在設計中，通過ALE管腳在ADuC834外設一個鎖存器（本設計鎖存器采用的是74HC573），實現地址的鎖存。AIN0-AIN78個管腳為模擬輸入管腳，其輸入電壓范圍為0～VREF，本設計中模擬參考電源的范圍是0～2.5V。因而輸入到模數轉換器的信號幅度不應該超過0～2.5V，采用精密整流的方法，使得交流電的電壓范圍達到要求。

（二）AD采樣原理以及片內AD轉換器

A/D轉換技術將連續的一個模擬輸入信號轉換成若干位的二進制數字信號輸出。因其具有靈活性，A/D可實現多種高級自適應的算法模式，并完成許多模擬電路難以實現的任務。這種優勢導致數字技術逐漸替代了傳統的模擬信號處理方法。∑–△轉換器（也稱為過采樣ADC）具有相對簡單的結構，又稱為過采樣轉換器。這種轉換器不僅支持雙通道操作，降低了成本，而且還提供了高分辨率的模數轉換能力，這些特點使其在多通道數據處理應用中非常有價值。采用∑–△結構實現A/D轉換，使得在噪聲環境下，器件工作也能免受干擾，因此它廣泛應用于工業控制。同時，它具有能改變的增益放大倍數，和精準的數字濾波器，其校準選項也比較精確。

1.∑–△ADC技術

當使用分辨率很高時傳統的ADC時，無論采用積分型或逐次比較型或閃爍型等，過程中都會出現一系列問題，如使用了抗混疊濾波器或采用誤差小的采樣保持電路，因為需要放置在前端，實現難度極大。∑–△ADC它使用了例如過采樣技術、量化噪聲波形分析技術、精準的數字濾波器、隨機采樣抽取等若干項技術，才能實現分辨率的提高。具體工作工程先以極高的采樣速率將模擬量轉化成高速數據流，再對ADC輸出量進行隨機采樣抽取和量化噪聲波形分析，從而得到采樣速率正常下的A/D轉換。它的優點集中在可與數字信號處理系統單片集成化，無須采用誤差小的采樣保持電路，對放置前端的輸入抗混疊濾波器要求不高很易實現。

2.過采樣技術

在對3位單極性ADC的理想模型進行分析時，注意到在模擬電壓達到1/2最小有效位（LSB）閾值時，首個數字碼變化發生。隨后，每增加1LSB的模擬電壓，數字輸出便會經歷一次跳變。鑒于模擬連續輸入可以任意，而對數字輸出要求必須量化，這直接使模擬輸入和數字輸出間存在很大的量化誤差。如對交流信號進行采樣，量化誤差會直接放大轉化為量化噪聲。

現在，將使用的ADC加一個恒定的直流輸入電壓，然后對該模擬量進行多次采樣，數字輸出結果基本一致，其精度也會有很小的量化誤差。所以，如果在該直流信號的基礎上再疊加一個交流信號，并且采用遠高于此交流頻率的采樣率來進行數據采集，此時數字輸出肯定會有所變化。分析計算以上采樣數據的平均值來作為ADC轉換的結果，可以使采樣分辨率顯著提升，所采用的技術稱為過采樣技術。如果本身輸入的模擬電壓就是交流信號，那無須額外疊加，直接使用采樣頻率遠高于輸入信號頻率的高采樣率方法，再利用平均值作為結果，同樣可以提高ADC分辨率。

3.過采樣技術在數模轉換中的優勢

（1）提高信號重建的真實性：通過以高于奈奎斯特頻率的采樣率對信號進行采樣，有助于更真實地重建原始信號。

（2）增強采樣分辨率：利用采樣和相應的數字信號處理技術，提升ADC的采樣分辨率，使得系統能夠檢測到更微小的信號變化。

（3）減少混疊失真：當采樣頻率高于信號最高頻率的兩倍時，即遵循奈奎斯特采樣定理，可以有效避免因欠采樣導致的信號混疊問題。

4.改善信噪比

過采樣提高信號的信噪比（SNR），量化噪聲功率在更寬的頻帶內分布，從而降低在感興趣頻帶內的噪聲水平。

（三）電路設計與仿真

本設計的核心單片機ADuC812輸入電壓范圍為0～2.5V。交流信號經過精密整流電路后，轉變為與交流信號幅度成比例的直流信號進行檢測。

精密信號檢測電路主要包括放大電路、濾波電路、A/D轉換電路和自動增益控制電路等部分。其中，自動增益控制電路是整個系統的核心部分，它根據輸入信號的強度和穩定性自動調整放大器的增益，從而實現對不同信號的高靈敏度檢測。精密整流電路原理如圖3所示。

精密整流電路的分析：

設Vin處電壓為Vi，out1處電壓為Vo1，out處電壓為Vo2。

當Vi＞0時，Vo1=-2ViVo2=-（-2Vi+Vi）=Vi;

當Vi＜0時，Vo1=0Vo2=-Vi;

所以，Vo2=︱Vi︱。

故此電路也稱作絕對值電路。

精心構建并細致調校增益電路、信號濾波器以及模數轉換器等關鍵電子組件，使工作效能達到良好狀態。此外，研發人員還研發了自適應增益控制電路，并對運作效率進行了徹底的檢驗與深入的分析。精密整流電路的仿真結果如圖4所示。

（四）實際電路

在本設計中對精密整流電路的最終放大級進行調整。具體來說，在電阻R9上并聯一個2.2微法拉的電解電容，并且在輸出電阻R14之后，也對地連接一個同等容量的電解電容，以此構建一個包含積分電容的精密整流電路。

該設計的首個組成部分負責監測輸入信號的振幅。這一檢測機制將輸入信號轉換成直流電壓級別，以此來表征輸入信號的強度。然后，直流電壓被傳送到控制電路中。第二個組成部分的主要職責是根據檢測電路提供的信號強度數據來調節放大器的增益。最后，第三個部分則是根據控制電路的指令，進一步調整放大器的增益。有關詳細電路的設計，如圖5所示。

（五）該電路在實際應用場景中的限制

信號動態范圍限制：自動增益控制電路設計是為了在輸入信號幅度變化較大時，保持輸出信號幅度的穩定。然而，這種電路對于超出其設計動態范圍的信號可能無法有效調節，導致輸出信號失真或不穩定。

響應時間限制：ADC電路的響應時間是衡量其性能的重要參數。如果輸入信號的變化速度非常快，ADC電路可能無法及時調整增益，影響輸出信號的質量。

噪聲和線性度限制：在ADC電路中，為了實現增益的自動控制，會引入額外的噪聲和非線性失真，這些因素都對信號的質量產生不利影響。

復雜性和成本限制：高精度和寬動態范圍的ADC電路需要復雜的設計和高性能的組件，這會增加電路的復雜性和成本。在一些成本敏感的應用中，這是一個重要的限制因素。

（六）軟件設計

程序設計部分包括主程序，定時器中斷服務子程序和AD轉換中斷服務子程序以及鍵盤顯示子程序及部分組成。本程序在WINDOWS操作系統下，在Quickstart環境下用C51編寫。

主程序是程序設計中的核心部分，能夠從整體上體現系統進行測量和顯示的整體過程。

在本設計中，主要涉及外圍擴展接口的初始化（8255初始化/鍵盤顯示初始化），以及內部資源的初始化（定時器，AD轉換器，串行口）等。在完成初始化任務后，系統開始中斷，開始進入循環操作過程。主要的任務是監控鍵盤和LED顯示的更新，而數據采集和處理，數據傳輸和發送等在中斷服務子程序中進行，這樣不僅節省CPU時間，而且能夠保證數據采集的等間隔進行。

四、結語

本文介紹一種通用交流/直流信號精密檢測儀的設計過程，包括硬件設計和軟件設計兩部分的設計內容。設計采用新近推出的微處理器ADuC834，該處理器帶有片內的AD和DA轉換器。設計充分利用了該芯片的優勢，使得檢測儀能夠提供24bit與16bit精度的模數與前端的增益電壓控制的放大器結合能夠滿足精密測量的要求。設計的8個功能鍵和8個LED的設置能夠滿足通用檢測儀的要求，為人機交互提供便利。軟件設計采用C51語言進行設計。設計中，模擬信號的轉換控制以及AD轉換結果的讀取、存儲和傳輸安排、檢測結果的顯示在中斷服務程序中進行，而鍵盤服務作為CPU的常規任務。該電路的架構精妙地緩解了中央處理單元（CPU）的使用率和資源分配挑戰，同時確保了對高精度數據采集的需求得以滿足。經過系列實驗評估，可以觀察到，所開發的高級信號檢測電路展現出了卓越的敏感度、穩健性以及自適應增益調節能力。與傳統的信號檢測方案相比，此電路表現出更強的適應性，能夠靈活應對多樣化的應用環境和信號種類。另外，該電路在精確處理低強度信號方面顯現出較高的精準度和魯棒性，這對于涉及醫療診斷、通信系統，乃至航空航天等關鍵行業的應用而言，具有不可忽視的價值。

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