一種隨機(jī)采樣技術(shù)在自動(dòng)增益控制放大器中的應(yīng)用

劉哲豪

（山東省煙臺(tái)市青華中學(xué)，山東煙臺(tái)，264000）

0 引言

自從麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在并總結(jié)了電磁波的存在和傳播規(guī)律之后，一大批的科學(xué)家投身入無(wú)線通信研究中，無(wú)線通信技術(shù)日新月異。無(wú)線通信在人類的歷史發(fā)展進(jìn)程中占有著不可替代的作用。直到今天，各類無(wú)線通信技術(shù)還在飛速發(fā)展。一個(gè)典型的無(wú)線通信系統(tǒng)如圖1所示[1]。

圖1 射頻前端結(jié)構(gòu)框圖

圖2 傳統(tǒng)AGC架構(gòu)

電磁波從發(fā)射機(jī)發(fā)射后經(jīng)過(guò)無(wú)線傳播，由于在傳播過(guò)程中受環(huán)境條件變化影響，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的位置、方向變化等因素導(dǎo)致到達(dá)接收及天線的電磁波信號(hào)強(qiáng)弱無(wú)法確定，這就需要自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control,AGC)放大器來(lái)對(duì)接收信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行控制。

自動(dòng)增益控制(AGC)，顧名思義，就是根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)度不同來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器的增益，當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)大時(shí)降低增益，當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)小時(shí)提高增益，使得輸出信號(hào)強(qiáng)度保持為一個(gè)固定值，方便后級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理。自動(dòng)增益控制放大器在收發(fā)系統(tǒng)鏈路中有著舉足輕重的地位。

傳統(tǒng)的AGC框架如圖2所示[2]，核心部件為一個(gè)可控增益放大器，其增益受一個(gè)直流電壓控制，增益隨著這個(gè)直流控制電壓的變化而變化，所以可以通過(guò)給改放大器預(yù)置一個(gè)合適的直流電壓來(lái)使得放大器達(dá)到想要的增益值，這個(gè)直流電壓可以通過(guò)單片機(jī)控制DAC來(lái)產(chǎn)生。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)其放大后，從其輸出信號(hào)取樣通過(guò)整流電路進(jìn)行整流，將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波電路，將整流后的信號(hào)過(guò)濾平滑后變成直流信號(hào)，該直流信號(hào)幅度大小與放大器輸出的交流信號(hào)的平均值成正比，然后通過(guò)AD采樣這個(gè)直流信號(hào)就可以換算出輸出的交流信號(hào)大小。在單片機(jī)內(nèi)部將這個(gè)信號(hào)大小與所需要的輸出信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行比較，如果比預(yù)期偏大，則單片機(jī)控制DA輸出電壓使得放大器增益降低，以達(dá)到降低輸出信號(hào)的目的，反之亦然。這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)，輸出信號(hào)始終能保持在一個(gè)預(yù)期的目標(biāo)值。可以在反饋鏈路中加入PID控制，以加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度、降低調(diào)節(jié)誤差、改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[3]，這不是本文將要重點(diǎn)討論的。

1 隨機(jī)采樣技術(shù)分析

在傳統(tǒng)的AGC鏈路中，整流濾波電路似乎是一個(gè)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(hào)控制的準(zhǔn)確度與反應(yīng)速度，設(shè)計(jì)過(guò)程需要進(jìn)行仔細(xì)調(diào)節(jié)。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(hào)直接輸入到ADC管腳進(jìn)行采樣，由于不需要恢復(fù)出原始信號(hào)，所以在這里AD的采樣率與輸出信號(hào)的頻率并不需要滿足奈奎斯特采樣定律，使用一個(gè)比信號(hào)頻率低得多的采樣率即可，這就對(duì)AD芯片的性能降低了要求，使用單片機(jī)自帶的ADC即可滿足一般應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)間，大大降低了AGC系統(tǒng)的成本。

改進(jìn)后的AGC系統(tǒng)鏈路如圖3所示，本系統(tǒng)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(jī)控制模塊四部分組成；其中VCA821增益控制端電壓由單片機(jī)控制高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）TLV5618產(chǎn)生。由單片機(jī)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)輸出電壓采樣并進(jìn)行比例/積分（PI）控制后,實(shí)現(xiàn)在10mVpp到1Vpp輸入下，輸出電壓保持5V不變；并可以數(shù)字顯示輸入電壓和輸出電壓。

圖3 改進(jìn)后的AGC系統(tǒng)鏈路

可以看出，與傳統(tǒng)的AGC架構(gòu)相比，本系統(tǒng)省略了輸出信號(hào)到ADC之間復(fù)雜的整流濾波電路，而是只有兩個(gè)電阻分壓后經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器，用來(lái)將雙極性信號(hào)加上一個(gè)直流電壓，以匹配ADC的輸入范圍。

在ADC采樣時(shí)進(jìn)行隨機(jī)采樣，即以隨機(jī)的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，在采樣點(diǎn)足夠多的情況下，在眾多采集到的值中尋找最大的幾個(gè)值和最小的幾個(gè)值，對(duì)這幾個(gè)最大最小值分別求算術(shù)平均值得到Umax和Umin，則認(rèn)為輸入信號(hào)的峰峰值Upp即二者的差值。

可以看出，ADC的采樣間隔時(shí)間是隨機(jī)的，必須要保證足夠多的采樣點(diǎn)數(shù)，才能夠?qū)⒉蓸狱c(diǎn)中采到最大最小值的概率提高，點(diǎn)數(shù)越多，概率越高，控制就越準(zhǔn)確，但是過(guò)多的采樣點(diǎn)會(huì)造成采樣總時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了整個(gè)環(huán)路的反饋跟蹤速度，所以應(yīng)該在速度和精度之間進(jìn)行權(quán)衡，選擇一個(gè)合適的點(diǎn)數(shù)。之所以需要取最大和最小的幾個(gè)指分別進(jìn)行算術(shù)平均，是為了防止由于其他原因?qū)е碌牟蓸狱c(diǎn)中出現(xiàn)個(gè)別超出實(shí)際信號(hào)峰峰值的壞點(diǎn)，如果將這些壞點(diǎn)的值當(dāng)作真實(shí)信號(hào)的最大最小值，將對(duì)之后的放大器增益產(chǎn)生錯(cuò)誤的控制。取幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平均后，大大降低了輸出受個(gè)別壞點(diǎn)影響的程度，保證了對(duì)輸出信號(hào)幅度的正確采樣和控制。

2 系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)測(cè)結(jié)果

按照上一節(jié)的系統(tǒng)框架進(jìn)行原理圖繪制并制作最終的實(shí)物，對(duì)所提出的隨機(jī)采樣技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，制作調(diào)試完成的AGC放大器如圖4所示。

圖4 最終實(shí)物

設(shè)計(jì)目標(biāo)是在輸入信號(hào)從10mVpp到1Vpp范圍內(nèi)，輸出信號(hào)均保持為5Vpp，表1列出了輸入信號(hào)分別為10mVpp、200mVpp、1Vpp時(shí)，頻率從3Hz到50MHz范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在不同的輸入信號(hào)幅度時(shí)，基本都是在頻率為20Hz處開(kāi)始輸出信號(hào)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的5Vpp附近，誤差小于0.05V，隨著頻率升高，輸出信號(hào)幅度在5Vpp附近上下浮動(dòng)，在20Hz到30MHz范圍內(nèi)，浮動(dòng)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(shí)候，放大器的增益不能達(dá)到預(yù)期的值。為了防止直流漂移經(jīng)過(guò)逐級(jí)放大最后導(dǎo)致輸出信號(hào)漂出所需范圍，各級(jí)放大器之間使用了電容進(jìn)行級(jí)間耦合，阻斷直流導(dǎo)通交流信號(hào)，所以對(duì)于頻率特別低的信號(hào)不能良好地通過(guò)該耦合電容，相當(dāng)于每一級(jí)之間的電容對(duì)信號(hào)都有一個(gè)衰減，各級(jí)放大器能提供的最大增益與各級(jí)電容的衰減總量之差小于所需增益，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)整個(gè)鏈路的信號(hào)不能被放大到預(yù)期的值。

隨著頻率升高，在一段較寬的頻帶內(nèi)其輸出信號(hào)都能比較穩(wěn)定地維持在所需的值附近。但當(dāng)頻率升高到30MHz以上時(shí)，可以看出隨著頻率升高其輸出值有變大的趨勢(shì)。可能的原因是由于頻率升高以后，電路的寄生效應(yīng)逐漸呈現(xiàn)出來(lái)[4]，從輸出信號(hào)反饋到單片機(jī)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(dǎo)致反饋路徑的阻抗不連續(xù)，部分信號(hào)會(huì)反射回去，導(dǎo)致ADC采樣得到的值小于實(shí)際輸出信號(hào)值。實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，使用示波器測(cè)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(shí)際輸出電壓。

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)AGC的原理，提出了一種隨機(jī)采樣技術(shù)，應(yīng)用這種技術(shù)可以省去傳統(tǒng)架構(gòu)中的整流濾波電路，大大節(jié)省成本。然后制作了實(shí)物驗(yàn)證了提出的隨機(jī)采樣技術(shù)的可行性，制作的AGC系統(tǒng)能在在輸入信號(hào)在10mVpp到1Vpp范圍內(nèi)保證輸出信號(hào)穩(wěn)定在5Vpp，在20Hz到30MHz范圍內(nèi)保持良好的自動(dòng)增益控制性能。最后針對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果中低頻和高頻的異常結(jié)果進(jìn)行了合理的分析和驗(yàn)證。