基于FPGA的中頻AGC電路設(shè)計(jì)

鄭隆浩，彭艷云

（1.華東師范大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 上海 200241；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410114）

大多數(shù)動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都需要調(diào)整輸入信號(hào)的電平，以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital-Converter,ADC）的要求。比如通信數(shù)字接收機(jī)中，輸入信號(hào)從μV到m V級(jí)別范圍變化[1]。

ADC的典型輸入電壓范圍是1～5 V。為了適應(yīng)數(shù)字接收機(jī)ADC采集電平要求和精度，自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control,AGC）電路作為主要的輔助電路廣泛的應(yīng)用在接收機(jī)中，傳統(tǒng)數(shù)字AGC電路使用ADC采集信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)得到的信號(hào)幅值信息調(diào)整增益，其對(duì)ADC采樣率要求較高，為從離散的信號(hào)中得到準(zhǔn)確幅值信息還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定算法的處理[2]。

文中提出一種采用高速比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC)與高速數(shù)字處理單元（FPGA/CPLD）對(duì)信號(hào)就行峰值檢測(cè)，通過(guò)數(shù)字處理單元對(duì)可變?cè)鲆娣糯笃鬟M(jìn)行控制，達(dá)到對(duì)信號(hào)的自動(dòng)增益控制，該電路降低了對(duì)ADC芯片采樣率與后端信號(hào)處理算法的要求。

1 AGC電路原理與方案

自動(dòng)增益控制，即在信號(hào)變化范圍較大情況下，電路自動(dòng)調(diào)整放大增益，使輸出信號(hào)幅度保持不變或在較小波動(dòng)范圍內(nèi)[3]。文中所采用的數(shù)字AGC電路方案如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，電路需要一個(gè)電壓（有效值或峰值）或功率檢測(cè)器、程控放大器，前者得到幅值信息，后者實(shí)現(xiàn)增益控制。由于所采用的高速比較器是單電源供電的TLV3501，而輸出信號(hào)Sout有正有負(fù)，需將Sout抬高到TLV3501工作范圍內(nèi)。文中的峰值檢測(cè)原理與逐次比較ADC采集原理類(lèi)似。DAC產(chǎn)生一個(gè)從高到低的掃描信號(hào)，如果Sout的峰值比某個(gè)時(shí)段的掃描電壓高，比較器便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，控制單元收到比較器輸出的脈沖信號(hào)便可知信號(hào)的峰值，反之不會(huì)產(chǎn)生脈沖。理論上峰值在上次的掃描電壓和該次掃描電壓之間。

圖1 數(shù)字AGC電路方案圖Fig.1 Schematic diagram of the digital AGC circuit

圖2 峰值檢測(cè)過(guò)程示意圖Fig.2 Principle diagram of peak detection

控制單元得到峰值信息后通過(guò)DAC控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆娴胶线m值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。上述過(guò)程中，需保證掃描電壓的保持時(shí)間大于信號(hào)的周期時(shí)間，例如為確定一個(gè)頻率大于40 MHz的信號(hào)峰值是否比4.000 V大，掃描電壓4.000 V至少需保持25 ns，這樣才能保證信號(hào)一周期內(nèi)所有電壓值都參與這次掃描電壓的比較。峰值檢測(cè)過(guò)程如圖2所示。

2 AGC電路設(shè)計(jì)

AGC電路模擬部分主要分程控增益放大器與峰值檢測(cè)電路兩個(gè)部分。由于該AGC電路工作在中頻段，電路設(shè)計(jì)時(shí)需選取高帶寬、低噪聲器件。前級(jí)的可變?cè)鲆娣糯笃魇褂脤拵?、大?0 dB調(diào)節(jié)范圍、增益隨控制電壓dB線性變化的VCA821[4]。其后的固定增益放大器采用超寬帶電流反饋運(yùn)算放大器OPA695，高速比較器采用4.5 ns 軌至軌高速比較器TLV3501,控制與掃描使用的DAC芯片是TLV5638（1 μs，12位，采用內(nèi)部2.048 V參考電壓，但是最大輸出為兩倍參考電壓[5]），這四款芯片均系德州儀器生產(chǎn)?？刂茊卧捎肍PGA及其內(nèi)嵌的NIOS II軟核。設(shè)計(jì)目標(biāo)，將信號(hào)峰值值穩(wěn)定在2.048±0.200 V，可控增益范圍30 dB。

2.1 程控增益放大器電路

所謂程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA），是指一類(lèi)可以通過(guò)直流電壓或者數(shù)字輸入端來(lái)調(diào)整增益的放大器，文中采用DAC（TLV5638）產(chǎn)生直流電壓來(lái)控制增益，控制的直流電壓不同，PGA增益不同。設(shè)計(jì)中的VCA821是一款寬頻帶壓控增益放大器，該器件增益可調(diào)整范圍大于40 dB，增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定。VCA821的-3 dB帶寬為 710 MHz，壓擺率為 2 500 V/μs，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的帶寬和壓擺率要求。程控增益放大器電路原理如圖3所示。電路輸入使用SMA接頭，50 Ω電阻R2進(jìn)行阻抗匹配，由于VCA821存在毫伏級(jí)的失調(diào)電壓，在反相輸入端加入校正電路。其中反饋電阻Rf會(huì)影響帶寬和通帶起伏，電阻取太大會(huì)影響帶寬（一般不取大于1 kΩ的電阻），太小會(huì)增加功耗并影響放大器穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)Rf取 600 Ω，Rg取 120 Ω，Rf/Rg=5，VCA821的最大增益為2*Rf/Rg，即最大增益為10倍（20 dB）。在外邊電阻確定情況下，增益隨控制電壓dB線性增加。如需增大帶寬，可在Rf/Rg比值不變情況下，Rf取400 Ω，Rg取80 Ω，根據(jù)芯片手冊(cè)描述，該取值下放大器的-3 dB帶寬可達(dá)710 MHz。

為了提高電路輸出幅度，在程控放大器后增加一級(jí)采用高速電流反饋型運(yùn)放OPA695的固定增益放大電路。OPA695是一款超寬帶電流反饋運(yùn)算放大器，增益為2V/V時(shí)帶寬1600 MHz，增益為8 V/V時(shí)帶寬450 MHz，壓擺率高達(dá)2 900 V/μs，最大輸出電流120 mA，具有低噪聲、低失調(diào)電路、低溫漂、高三階截取的特點(diǎn)[6]。運(yùn)放采用同相放大形式，反饋電阻Rf參考芯片手冊(cè)取800 Ω，放大倍數(shù)取5倍。輸出電阻50 Ω，以便下級(jí)阻抗匹配。

2.2 峰值檢測(cè)電路

文中的自動(dòng)增益控制的所需幅值信息由峰值檢測(cè)電路提供，峰值檢測(cè)電路由高速運(yùn)放與數(shù)字控制單元組成。峰值檢測(cè)電路模擬部分原理圖如圖4所示。

其中高速比較器的同相端輸入的是數(shù)字控制單元控制DAC(TLV5638)產(chǎn)生的掃頻電壓，信號(hào)Sout抬高2 V后(由于TLV3501是單電源供電)接至高速比較器反相端。

如果信號(hào)的峰值大于掃描電壓，比較器便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，否則保持高電平，控制單元接收到下降沿后便知掃描電壓小于被測(cè)信號(hào)峰值。為了保證輸出脈沖的質(zhì)量及低電平時(shí)間寬度，比較器采用遲滯形式，遲滯電壓設(shè)置為50 mV。另外實(shí)測(cè)電路在信號(hào)頻率大于70 MHz以上時(shí)，輸出脈沖信號(hào)質(zhì)量較差，這是受比較器速度限制，TLV3501的傳輸延時(shí)最低為4.5 ns[7]。如需工作在更高頻段可選用如傳輸延時(shí)低至150 ps的ADCMP573等。

2.3 峰值檢測(cè)與自動(dòng)增益控制算法

電路的峰值檢測(cè)原理如圖2所示，但圖2中示意的逼近辦法是線性逼近，效率較低，文中采用二分搜索法逼近，提高效率。文中的自動(dòng)增益控制程序如圖5所示，初始化時(shí)，將增益設(shè)置為0 dB，掃描電壓為最高的4.095 V（相應(yīng)控制字為0x7ff），然后檢測(cè)峰值是否大于3.1 V（2 V抬高電壓+1 V峰值+0.1 V容差）。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試采用示波器結(jié)合信號(hào)源的靜態(tài)掃描方式。示波器使用泰克TDS2022B，其帶寬為200 MHz，實(shí)時(shí)取樣速率為2 GS/s ；信號(hào)源采用普源F120，其輸出阻抗50 Ω，最高可以產(chǎn)生120 MHz信號(hào)。示波器、信號(hào)源與電路板連接均采用BNC轉(zhuǎn)SMA線。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。其中Vin為電路板輸入信號(hào)峰峰值，f為輸入信號(hào)頻率。

圖3 數(shù)字AGC電路方案圖Fig.3 Schematic diagram of the digital AGC circuit

圖4 峰值檢測(cè)過(guò)程示意圖Fig.4 Principle diagram of peak detection

圖5 自動(dòng)增益控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of AGC

由表1可知，輸入0.05V時(shí)，輸出未穩(wěn)定在2.0 V左右，這是因?yàn)樾盘?hào)源與前級(jí)放大器阻抗匹配而損失一半增益，而電路最大增益是5*10 V/V，算上匹配損失的一半增益，最大增益為25V/V。從其他數(shù)據(jù)可知，電路達(dá)到了將峰峰值穩(wěn)定在2±0.2 V的設(shè)計(jì)指標(biāo)。電路高頻段略有衰減，其原因一可能為示波器本身衰減，二可能電路的衰減，另外受噪聲影響，高頻時(shí)，示波器讀數(shù)顯示不穩(wěn)定，難以讀值，限于測(cè)試條件，未能找到真正原因。本電路只是采用單級(jí)40 dB可控范圍的可變?cè)鲆娣糯笃?，在?shí)際應(yīng)用中可采用2級(jí)或3級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃骷?jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍AGC，以滿(mǎn)足數(shù)字接收機(jī)輸入μV級(jí)到mV級(jí)變化要求。

表1 AGC電路測(cè)試輸出V out(V pp)表Tab. 1 Test result of the AGC circuit’s output(V pp)

4 結(jié)束語(yǔ)

文中研究并設(shè)計(jì)一種采用高速比較器與高速數(shù)字器件進(jìn)行峰值檢測(cè)并自動(dòng)增益控制的電路。經(jīng)實(shí)測(cè)，電路可以在1 ～60 MHz對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制，可以將峰峰值穩(wěn)定在2±0.2 V范圍，該方法可以降低數(shù)字AGC電路對(duì)AD芯片采樣率和后級(jí)信號(hào)處理算法要求。另外為提高更大增益范圍的控制和更寬工作頻段，可以采用多級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃骷?jí)聯(lián)、使用更高速的比較器，為提高逼近效率，使用更高速DAC芯片、采用多個(gè)比較器同時(shí)和不同掃描電壓進(jìn)行比較，提高響應(yīng)時(shí)間。

[1]蔡凌云，方振和，李銘祥,等.自動(dòng)增益控制技術(shù)應(yīng)用[J].電子工程師，2002(4)：22-23,37.CAI Ling-yun,FANG Zhen-he,LI Ming-xiang.Application of AGC technique[J].Electronic Engineer,2002(4)：22-23,37.

[2]李?lèi)傷?，薛?guó)義 .雷達(dá)數(shù)字AGC技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師，2004(12)：15-17.LI Yue-li.XUE Guo-yi.The engineering realization of radar digital AGC technology[J].Electronic Engineer,2009,30(12):15-17.

[3]賀欣.寬帶大動(dòng)態(tài)AGC電路設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2012(8) ：167-170.HE Xin.Optimal design of broadband and large dynamic AGC circuit[J].Electronic Design Engineering,2012(8):167-170.

[4]TexasInstruments. VCA821 Data sheet [EB/OL].(2008).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ vca821.pdf .

[5]TexasInstruments.TLV5638 Data sheet [EB/OL].(2004).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlv5638.pdf .

[6]TexasInstruments.OPA695 Data sheet [EB/OL].(2009).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa695.pdf.

[7]TexasInstruments.TLV3501 Data sheet [EB/OL].(2005).http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ tlv3501.pdf .