多路AGC放大器闭环控制系统设计

高加林，薛海英，杨翠侠，杨　侃

(北方通用电子集团有限公司 微电子部，江苏 苏州 215163)

多路AGC放大器闭环控制系统设计

高加林，薛海英，杨翠侠，杨侃

(北方通用电子集团有限公司 微电子部，江苏 苏州 215163)

摘要：针对现有多路光电探测器配置的多级增益控制方式的缺点进行了分析，提出采用AGC放大方案克服多级增益变化所带来的缺点的思路。针对光电探测器输出的多路低占空比和窄脉冲信号特点，设计采用加权法获取多路信号之和，利用采样保持电路和A/D转换器获取加权后的和脉冲信号幅度，并经微控制器计算得到增益反馈控制量，最后反馈到电压控制型可变增益放大器的控制端，调整光电探测器输出信号的幅度，从而提高探测器的探测精度和稳定性。

关键词：多路探测器；AGC放大器；闭环控制；窄脉冲

在一些声、光、力等换能测量方面，经常用到多个传感器同时对同一物体进行感测，并通过换能器将被感测能量信号转换成窄脉冲电信号进行放大和处理，最终实现自动控制的情况。当被测能量强度变换范围很大时，一般采用多级增益控制方法进行放大，使最终的电信号处于放大器的线性区内，以便于后级计算和处理。这种利用分级衰减调整增益的方法在要求不高的场合下勉强可以满足使用要求，但是在被测量信号连续变化时，会导致增益切换前后产生电信号的剧烈变化，可能出现信号太小或放大器饱和等问题，使后级无法判断和控制，严重时出现系统失控等较为严重的问题。

本文通过对自对准移动控制系统光电信号放大器及其输出信号幅度对探测误差的影响进行了研究，并对现有多级增益控制方法的缺点进行了分析，设计了一种AGC放大器闭环控制方法，提高了多路探测器的探测精度和稳定性。

1现有探测器信号放大电路增益控制方法及其缺点

一般自对准移动控制系统中采用多个光敏单元对目标位置进行感测的光电探测器[1]，受路径和环境的影响，光电信号幅度变化接近60 dB，如果采用固定增益放大器，在输出信号幅度变化很大时，有可能出现小信号丢失和大信号输出饱和。目前，实用的光电探测器采用4级左右分段增益的控制办法，每级衰减10～20 dB，尽可能将输出信号幅度控制在允许的范围内。由于采用多级增益分段控制，其存在如下缺点：1)增益控制电路复杂；2)增益切换起伏大。

光电传感器在移动过程中，接收到的信号幅度是逐渐增大时，若采用多级分段增益控制，则放大器的增益随着距离的减少而减小。由于采用多级分段增益控制，放大器的级数不可能很多，每级增益变化量较大，切换前、后增益变化也较大。若接收到的光电信号幅度变化速度较慢，则达到增益切换阈值时，切换前输出信号幅度较大，而切换后输出信号幅度又变得很小，因此可能导致后级电路难以采集到信号，最终使系统失控。

由于上述缺点，在要求较高的场合下应用光电传感器就必须采用AGC放大器进行增益连续变化的控制方法，避免增益切换带来输出信号大幅度跳变而影响探测精度和稳定性。

2多路探测器增益闭环控制系统设计

由于多路探测器的各路输出信号幅度是随机变化且不一定相同，不能以任何一路的输出为基准来控制其他路的输出增益。所以设计了一种控制方法，将探测器输出的多路电压幅度进行加权，利用加权信号作为控制的目标信号，这样可以避免任一通道信号输出幅度饱和或偏小。

多路探测器增益闭环控制原理框图如图1所示。

图1　多路探测器增益闭环控制原理框图

图1中虚线框内是增益控制反馈回路，增益控制反馈回路与可变增益放大器组成自动增益放大器，替代多级控制系统中的多级放大器。下述说明AGC放大器的主要电路结构和控制计算方法。

2.1可变增益放大器的选择

一般光电探测器自带20 dB或更多的增益可调范围，而光电信号处理电路中，可变增益放大器的带宽太大，容易产生自激和过冲等现象，所以这里选用增益可调范围为40 dB且易于调试的电压控制型可变增益放大器，并设计带宽为30 MHz，这样与光电接收器组成60 dB增益调整范围，从而满足系统需要的增益变化。

2.2信号采集电路

信号采集电路由采样保持电路和模数转换电路组成。一般光敏单元接收到的光电信号是宽度不足2 μs的窄脉冲信号，利用加法器获取多路信号的和信号仍然是一个窄脉冲信号，因此应利用采样保持电路将此和脉冲信号展宽，这样模数转换器才能采集到信号。采样保持电路如图2所示。

图2　采样保持电路

图2中，Vin是来自可变增益放大器的输出信号；VG是采样电容放电信号；Vs是采样保持输出电平信号，Vs被送到模数转换电路。电路中V1和Rt用来补偿V3导通压降。

采样保持电路的输出信号传输到模数转换电路，由模数转换电路转换成数字信号后由微控制器进行运算。增益控制回路中的模数转换器采样分辨率取8位，满量程电压一般采用5 V左右即可，采样周期在300 μs以内即可以满足系统工作周期需要。

2.3触发电路

由于输入的是窄脉冲信号，模数转换器只有在脉冲信号到达时才能转换，同时为了抑制噪声干扰，应设置门限触发电路。门限触发电路由阈值门限比较器构成，直接接收采样保持电路输出的电压信号。比较器的阈值电压若设计合理，既能够保证抑制噪声，还要尽可能保证探测灵敏度，便于小信号采集。

触发电路先触发微控制器，由微控制器发出模数转换开启信号。模数转换器转换结束后，微控制器读取模数转换的结果，然后发出放电信号到如图2所示的VG输入端，释放采样电容存储的电量，撤消触发信号，等待下一次触发。

2.4目标增益的计算和处理

可变增益放大器的增益以dB为单位，其与控制电压成线性关系：1 dB/0.025 V。设可变增益放大器原增益为Gi(dB)，在此增益下获得Vi输出脉冲幅度，目标幅度为Vm，则调整后的目标增益为：

Gm=Gi+20lg(Vm/Vi)

(1)

当Vm>Vi时，20lg(Vm/Vi)值为正数，则可变增益放大器的增益增加；当Vm

式1中包含取对数运算，在微控制器里实现起来比较困难。采用快速调用数组或查表方式取得增益增加量。增益增加量与原增益相加就是下一次可变增益放大器的放大增益。

上述分析之外还有3种情况需要特殊处理：1)等待一个周期时间后没有触发信号时；2)模数转换器输出数据达到满量程时；3)可变增益放大器增益达到最小，模数转换器输出的电压仍比目标电压大时。整个AGC增益控制流程如图3所示。

图3　AGC控制流程

2.5数模转换器的设计选择

微控制器计算出来的设置增益的数据量应通过数模转换器转换成电压信号后，才能控制可变增益放大器的输出增益；因此，模数转换器的输出电压最小步长决定着可变增益放大器增益控制的最小变化量。

若要求光电脉冲和信号幅度控制在1.9～2.1 V，典型值为2.0 V，误差为-0.44～0.42 dB，则对应可变增益放大器控制增益最小变化量应<0.42 dB才能满足控制精度。设可变增益放大器增益控制电压偏置量为1 V，可变增益放大器控制电压最小为0.5 V，最大为1.5 V，考虑一定的容余量，数模转换器的输出电压应≥2 V，以满量程2 V计算，最小分辨率为0.01 V，对应的数字量为200，所以取8位分辨率的数模转换器即可满足要求。

若采用数控型可变增益放大器，则可以省去此处的模数转换器，由微处理器根据计算的数值直接控制可变增益放大器的增益。

2.6微控制器的设计选择

为了减小AGC闭环控制电路体积，设计闭环控制系统时，考虑选用集成A/D、D/A和比较器功能的微控制器。本设计选用ATMEL公司的ATMEGA16M1型单片机[2]，该单片机集成10-bit ADC、10-bit DAC和阈值检测模拟比较器，自带基准电压源，完全满足本设计需要。

综上所述，所设计的自动增益闭环控制方法有如下优点：1)可以快速响应低占空比脉冲信号幅度变化，利用前一个脉冲信号的幅度计算增益变化量，调整下一个脉冲信号的幅度，调整时间只延迟1个脉冲周期；2)自动增益启控后输出信号稳定；3)利用多功能微控制器设计闭环控制回路，AGC放大器电路结构简单，便于系统集成。

3结语

多路AGC放大器闭环控制系统利用峰值采样方法获取输出信号幅度，并利用微控制器求得闭环控制电压，反馈到电压控制型可变增益放大器的控制端，控制可变增益放大器传输增益，解决了多路探测器窄脉冲信号幅度难以控制的问题，提高了多路探测器的探测精度和稳定性。

参考文献

[1] 王永仲. 现代军用光学技术[M]. 北京：科学出版社，2004.

[2] 张军. AVR单片机应用系统开发典型实例[M]. 北京：中国电力出版社，2005.

责任编辑郑练

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

作者简介：高加林(1972-)，男，高级工程师，高级设计师，主要从事混合集成电路设计等方面的研究。

中图分类号：TP 399

文献标志码：A