基于開(kāi)關(guān)電容濾波和AGC放大器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)＊

周志宇 胡 剛 劉謀榮 安志鴻

（中船重工集團(tuán)第722研究所 武漢 430079）

1 引言

低頻信號(hào)調(diào)理電路作為模擬前端，信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)范圍大，最大時(shí)可相差幾十分貝，而且為了達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)采集效果，其工作帶寬相對(duì)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(dòng)態(tài)增益控制范圍，濾波器有較高的Q值。本文針對(duì)以上特點(diǎn)，以開(kāi)關(guān)電容濾波器及電壓控制AGC放大器為核心部件，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低頻信號(hào)的調(diào)理電路，該電路能實(shí)現(xiàn)80dB的增益動(dòng)態(tài)范圍，可變中心頻率濾波。

2 開(kāi)關(guān)電容濾波器工作原理

開(kāi)關(guān)電容濾波器是一種新型的大規(guī)模集成器件，其主要特點(diǎn)是用開(kāi)關(guān)和電容來(lái)代替電路中的電阻，是數(shù)字電路和模擬電路的結(jié)合，可以將很多有源的RC 濾波器轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)電容濾波器［1～2］。與常規(guī)的RC濾波器相比，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）開(kāi)關(guān)電容濾波器的極點(diǎn)位置不再由RC 乘積來(lái)決定，而是由電容比來(lái)決定，電容比能夠精確地控制，且溫度性能好；2）開(kāi)關(guān)電容濾波器在使用時(shí)無(wú)需更換元件，只需改變時(shí)鐘頻率就可以在一定的范圍內(nèi)改變?yōu)V波器的中心頻率和Q值。因此，開(kāi)關(guān)電容濾波器獲得了廣泛的應(yīng)用。

開(kāi)關(guān)電容由模擬開(kāi)關(guān)和電容組成，開(kāi)關(guān)電容電路可以等效為一個(gè)電阻，其基本電路及時(shí)鐘信號(hào)如圖1所示，起開(kāi)關(guān)作用的MOS管T1和T2是由時(shí)鐘信號(hào)Φ和來(lái)控制的，Φ和是反相的。當(dāng)時(shí)鐘Φ為高電平時(shí)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，電容C與1-2端接通，充電電荷為Q＝CV1；當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，T2管導(dǎo)通，T1管截止，電容C與3-4端接通，充電電荷為Q＝CV2。若設(shè)電路的時(shí)鐘周期為Tc，則在此時(shí)間內(nèi)從1-2端向3-4端傳輸?shù)碾姾蔀棣＝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(kāi)關(guān)電容電路及時(shí)鐘信號(hào)

一般時(shí)鐘頻率fclk是信號(hào)頻率的幾十倍至幾百倍，此時(shí)開(kāi)關(guān)電容電路相當(dāng)于一個(gè)電阻R，其等效電阻值為R＝（V1-V2）／I＝Tc／C＝1／fclkC，由此可見(jiàn)等效電阻的值與時(shí)鐘頻率和電容的值成反比。當(dāng)然實(shí)際上，V1和V2是隨時(shí)間變化的，但只要時(shí)鐘頻率fclk與信號(hào)頻率比足夠高，就可以認(rèn)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(duì)于RC濾波器，只要用開(kāi)關(guān)電容代替電阻，就可以構(gòu)成開(kāi)關(guān)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(jiàn)圖2，可控增益放大器的放大倍數(shù)AV受控制電壓Vc的控制，閉環(huán)后系統(tǒng)對(duì)Av進(jìn)行自動(dòng)控制［3］。環(huán)路中檢波器檢測(cè)出反映信號(hào)電平的有效值，通過(guò)低通濾波器后，在比較器中與參考電平Vr相比較，產(chǎn)生控制信號(hào)Vc去控制Av。若輸入電壓幅度Vi增加或電路參數(shù)變化使增益變大而導(dǎo)致Vo增加時(shí)，環(huán)路產(chǎn)生控制信號(hào)，使Av減小；反之，在各種因素造成Vo減小時(shí)，環(huán)路也會(huì)產(chǎn)生控制電壓Vc，使Av增加。即通過(guò)環(huán)路控制作用，無(wú)論變化Vi或系統(tǒng)參數(shù)變化，輸出信號(hào)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(yīng)速度，因此，低通濾波器時(shí)間常數(shù)是整個(gè)自動(dòng)增益控制環(huán)路的重要參數(shù)。時(shí)間常數(shù)小，通帶寬，反應(yīng)速度快，即在輸入端信號(hào)起伏頻率較高時(shí)，自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的反饋支路也能及時(shí)地反應(yīng)，使輸出的信號(hào)基本保持不變。

4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

4.1 電路原理框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)低頻電路模擬前端的性能要求，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)輸出進(jìn)行有效值檢波，檢波結(jié)果與比較器設(shè)定好的門限值作比較，比較結(jié)果經(jīng)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(dāng)輸入信號(hào)弱時(shí)增益大，輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)增益小，使輸出端電壓幾乎不變，維持在設(shè)定好的門限值左右。為了達(dá)到系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)范圍，選用兩級(jí)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(jí)之間插入開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器；為了提高信號(hào)調(diào)理電路的靈敏度及獲得相應(yīng)的增益，在輸入端加前置放大濾波器。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理框圖

前置放大濾波器運(yùn)算放大器應(yīng)選用低噪聲運(yùn)算放大器，增益可根據(jù)要求設(shè)定，如20dB；可控增益放大器可選擇低噪聲可控AGC放大器［5］；開(kāi)關(guān)電容濾波器應(yīng)選擇中心頻率在20kHz以上的開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器。

4.2 開(kāi)關(guān)電容濾波器電路設(shè)計(jì)

本文選擇開(kāi)關(guān)電容LTC1064，它是一個(gè)低噪聲，高速開(kāi)關(guān)電容濾波器，內(nèi)部含有四個(gè)獨(dú)立、高速、低噪聲的兩階開(kāi)關(guān)電容濾波器結(jié)構(gòu)單元；每個(gè)單元通過(guò)外部時(shí)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(gè)二階濾波器的截止頻率或中心頻率取決于外部提供的時(shí)鐘頻率［6］。因此，只要通過(guò)改變輸入到LTC1064的時(shí)鐘頻率就可以靈活地改變?yōu)V波器的截止頻率或中心頻率。

本文設(shè)計(jì)的帶通開(kāi)關(guān)電容濾波電路如圖4所示［7］，其中時(shí)鐘頻率由數(shù)字電路提供，時(shí)鐘頻率為信號(hào)頻率100倍，其帶寬為中心頻率±10%。

圖4 開(kāi)關(guān)電容濾波電路

4.3 自動(dòng)增益控制電路反饋支路設(shè)計(jì)

如圖3要求，自動(dòng)增益控制電路關(guān)鍵在于反饋支路的性能，如檢波器的精度，低通濾波器的時(shí)間常數(shù)等，這樣產(chǎn)生的控制電平能準(zhǔn)確地根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)地控制可控放大器的增益，使輸出穩(wěn)定在基準(zhǔn)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(dòng)增益控制電路反饋支路原理簡(jiǎn)圖

本文中自動(dòng)增益控制電路反饋支路如圖5所示，電路輸出經(jīng)AD637檢波電路檢波后，得到其有效值，有效值與比較器的基準(zhǔn)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(hào)增益的變化，使輸出電壓穩(wěn)定在基準(zhǔn)電平左右。

5 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試及結(jié)果

本文電路在測(cè)試過(guò)程中，輸入采用信號(hào)發(fā)生器加衰減器給出單頻正弦信號(hào)，幅度范圍為-100dBv～-20dBv，輸出信號(hào)采用數(shù)字示波器觀測(cè)的方法，其最終輸出信號(hào)可穩(wěn)定在1dBV 左右；濾波特性在以3kHz為中心頻率信號(hào)輸入開(kāi)關(guān)電容濾波器測(cè)試，其在距離中心頻率±17%時(shí)，衰減量約為20dB；噪聲系數(shù)測(cè)量采用正弦波發(fā)生器法［10］，用EMI接收機(jī)在200Hz測(cè)量帶寬測(cè)量，在工作頻帶內(nèi)測(cè)量的本級(jí)等效輸入噪聲為

6 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電容濾波器可以通過(guò)改變其時(shí)鐘頻率來(lái)改變?yōu)V波器的特征頻率或中心頻率，具有較好的穩(wěn)定性，且電路體積小，非常適合低頻信號(hào)的處理。本文針對(duì)低頻信號(hào)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，設(shè)計(jì)了一種硬件AGC 增益控制電路，其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了80dB，具有較低的噪聲，具有一定的參考意義。

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