基于MC34063負(fù)反饋支路自動增益控制電路設(shè)計(jì)

張?zhí)煳?，李廷?/p>

(電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610054)

0 引言

自動增益控制電路(AGC)廣泛應(yīng)用于無線通信[1]、工業(yè)電力系統(tǒng)[2-3]、儀表測量[4]、信號處理[5-6]等領(lǐng)域。電子系統(tǒng)中，信號在傳輸過程中受地勢、溫度、竄擾信號的影響幅度產(chǎn)生波動，因此需要設(shè)計(jì)一款時變增益放大器，根據(jù)輸入信號高低調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)使得輸出信號幅度穩(wěn)定。目前AGC環(huán)路多采用輸出信號峰值檢測、A/D采集、比較器和環(huán)路濾波器產(chǎn)生控制信號[7]，控制可變電壓增益放大器(VGA)增益，閉環(huán)調(diào)節(jié)時間長，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高。文獻(xiàn)[8]提出一種利用憶阻器實(shí)現(xiàn)自動增益控制的方法；文獻(xiàn)[9]采用數(shù)字A/D采集，經(jīng)微控制器處理控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)放大器負(fù)反饋電阻改變放大增益。

本文設(shè)計(jì)一款基于MC34063負(fù)反饋支路的自動增益控制電路，將電源技術(shù)引入自動控制領(lǐng)域，巧妙利用開關(guān)電源芯片的基準(zhǔn)電壓，控制AD603增益；閉環(huán)負(fù)反饋支路由精密整流電路、積分器、運(yùn)算器和MC34063組成，取代傳統(tǒng)比較器和環(huán)路濾波器，設(shè)計(jì)簡易可行，并且可通過AD603的多級級聯(lián)實(shí)現(xiàn)增益的拓寬。該方法可替代傳統(tǒng)的負(fù)反饋支路環(huán)節(jié)，電路簡單，成本低，響應(yīng)速度較快。

1 系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)前向通路核心為VGA芯片AD603，AD603根據(jù)輸入幅度波動調(diào)整放大增益；輸出接負(fù)反饋支路，該支路由精密整流電路、積分器、運(yùn)算器和MC34063組成；前向通路AD603的放大增益由負(fù)反饋支路MC34063控制。

該系統(tǒng)控制過程如下：

(1)輸入信號幅度增大；

圖1 系統(tǒng)框圖

(2)輸出信號幅度增大；

(3)經(jīng)過峰值檢測整流器、積分器和運(yùn)算器產(chǎn)生的直流峰值電壓增大；

(4)MC34063基準(zhǔn)電壓增大，而MC34063基準(zhǔn)電壓必須維持穩(wěn)定；

(5)MC34063輸出PWM占空比減?。?/p>

(6)占空比減小的PWM經(jīng)過電感、肖特基二極管和電容DC-DC變換器轉(zhuǎn)換所得增益控制電壓減小；

(7)該增益控制電壓接前向通路AD603增益電壓控制端；

(8)AD603放大增益減?。?/p>

(9)輸出信號幅度減小。

反之亦然，動態(tài)調(diào)節(jié)使輸出幅度維持穩(wěn)定。該環(huán)路控制方式類似于溫度控制系統(tǒng)中的PID控制過程[10]。

2 系統(tǒng)電路原理圖

2.1 AD603可變增益放大器

AD603是一款低噪聲、電壓控制放大增益VGA芯片，帶寬最大可達(dá)90 MHz，廣泛應(yīng)用于射頻(RF)等領(lǐng)域，AD603內(nèi)部基于R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可變增益；AD603有3種工作模式，本系統(tǒng)采用其最大帶寬模式(VOUT和FDBK短接)[11]。

AD603可變增益放大器如圖2所示。由于AD603輸入VIN≤1.4 V，為避免輸入損壞芯片，設(shè)計(jì)二極管電位鉗制電路；再通過電壓跟隨器隔離進(jìn)入AD603的輸入端；為使工作穩(wěn)定引腳4和2分別對地接0 Ω(R4=R5=0 Ω)；引腳1為增益控制電壓端GPOS，當(dāng)該端口電壓VG變化時，AD603的放大增益發(fā)生改變，VG與增益G的關(guān)系如下(單位：dB)：

G=40VG+10

(1)

圖2 AD603可變增益放大器

當(dāng)工作于最大帶寬模式時，G的范圍為-11.09～+31.05 dB，G與VG成線性關(guān)系，因此增益控制電壓VG的范圍為-500～500 mV；VG不能超出該范圍，否則不成線性關(guān)系，導(dǎo)致調(diào)節(jié)混亂。

2.2 峰值檢測精密整流器

用于峰值檢測的整流器常用二極管半波或全波整流，但當(dāng)輸入信號的峰值小于二極管的導(dǎo)通壓降，便不能實(shí)現(xiàn)峰值檢測。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種峰值檢測精密整流器，如圖3所示。

圖3 峰值檢測精密整流器

該峰值檢測器由全波整流器和積分器組成。全波整流器巧妙利用運(yùn)放和二極管D6、D7在正負(fù)周期的工作方式不同，避免了二極管導(dǎo)通壓降0.7 V的影響，精密全波整流器工作模式框圖如圖4所示。工作在正周期時，兩個運(yùn)放均起比例放大作用，合成放大倍數(shù)為1；工作在負(fù)周期時，一個運(yùn)放為放大倍數(shù)為-1的比例放大器，一個為電壓跟隨，因此輸出波形反向翻轉(zhuǎn)上去，形成全波整流。

圖4 精密全波整流器模型

該全波整流器在Multisim中進(jìn)行仿真，其仿真輸出結(jié)果如圖5所示，輸入為2 V、1 kHz正弦波，輸出正弦波負(fù)半周期成功實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，并且未受二極管導(dǎo)通壓降的影響。該全波信號經(jīng)過積分器R12、R13、C3將交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號，通過該3項(xiàng)參數(shù)理論推導(dǎo)進(jìn)行合理設(shè)置，輸出信號和信號的峰值具有如下的線性關(guān)系：

Vfeedback=2Vpeak/π

(2)

式中：Vpeak為輸出信號的幅度；Vfeedback為峰值檢測輸出信號。

圖5 精密全波整流器仿真結(jié)果

2.3 運(yùn)算器

運(yùn)算器如圖6所示，峰值檢測輸出信號Vfeedback經(jīng)過電壓跟隨B隔離輸入到下一級運(yùn)放A；運(yùn)放A為加法器，實(shí)現(xiàn)加法關(guān)系如下：

VD=VDC+(π/2)Vfeedback=VDC+Vpeak

(3)

式中：VDC為直流偏置電壓；VD為MC34035基準(zhǔn)電壓。

圖6 運(yùn)算器

通過放大器電阻的選擇還原信號的峰值，輸出信號為信號峰值與一個直流電壓之和，該輸出D接下級MC34063的基準(zhǔn)電壓端，因此VD恒定不變，VDC的設(shè)置可以改變整個系統(tǒng)輸出信號幅度的穩(wěn)定值；本電路設(shè)計(jì)VD=5 V，因此整個電路的輸出信號幅度為5-VDC(詳細(xì)解釋見下部分)。該電路巧妙利用加法器實(shí)現(xiàn)對輸出信號幅度的可調(diào)，可進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

2.4 MC34063 DC-DC變換器

MC34063是一款雙極性開關(guān)電源芯片，廣泛地應(yīng)用于DC-DC變換領(lǐng)域，連接較少的外圍電路能夠?qū)崿F(xiàn)降壓和升壓，工作頻率為100 Hz～100 kHz[12]。該部分電路如圖7所示。

圖7 MC34063 DC-DC變換器

典型應(yīng)用電路將D和GPOS連接，MC34063引腳-VIN對地基準(zhǔn)電壓為1.25 V，對地接電阻R2=1.2 kΩ，D經(jīng)電阻R1=3.6 kΩ接入，根據(jù)分壓比VD=5 V，當(dāng)VD增大時，基準(zhǔn)電壓增大，MC34063的開關(guān)頻率降低，輸出電壓GPOS降低，因此D降低，直至VD=5 V。源自該開關(guān)電源典型電路的靈感，可將GPOS接圖2的AD603的增益控制電壓端，動態(tài)控制AD603的放大增益，經(jīng)過峰值檢測器，將峰值輸入MC34063的輸入端，從而維持輸出幅度穩(wěn)定。傳統(tǒng)方案一般采用A/D采集輸出電壓，再經(jīng)過DSP芯片處理，輸出D/A給AD603等，成本較高，數(shù)字芯片的上升和下降建立時間長，且相對要進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，復(fù)雜程度高；而本電路全部采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，利用反應(yīng)靈敏的電源芯片MC34063負(fù)反饋動態(tài)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)簡單，成本低，響應(yīng)速度較快。

由于AD603的線性增益控制電壓VG的范圍為-500～500 mV，而MC34063的輸出電壓較大，因此采用電阻分壓和電壓-5 V進(jìn)行調(diào)節(jié)控制GPOS處的電壓在-500～500 mV之間。

2.5 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)供電電路如圖8所示，采用變壓器線性穩(wěn)壓供電，變壓器降壓經(jīng)LM781、LM7912分別產(chǎn)生+12 V、-12 V，再經(jīng)LM7805、LM7905分別產(chǎn)生+5 V、-5 V。

圖8 系統(tǒng)供電

3 測試結(jié)果

該自動增益控制電路輸入接測試正弦信號(UTG900C信號發(fā)生器)，信號幅度手動調(diào)節(jié)，輸出接UTD2052CL示波器，圖6中DC接一個可調(diào)電壓源。表1為測試數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)輸入正弦信號的幅度，AD603根據(jù)輸入的不同調(diào)節(jié)電壓放大增益，從而輸出信號不受輸入的影響，幅度穩(wěn)定在5-VDC，測試結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案可行。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果 V

4 結(jié)束語

本自動增益控制電路采用MC34063開關(guān)電源芯片作為負(fù)反饋調(diào)節(jié)支路，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，取代傳統(tǒng)復(fù)雜的AGC環(huán)路負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)簡單；且通過運(yùn)算器，加入一個DC電壓，利用加法器實(shí)現(xiàn)輸出信號幅度的可調(diào)，設(shè)計(jì)簡單，成本低，響應(yīng)速度快。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需求選用不同的開關(guān)電源芯片，均可實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)定，在無線通信、工業(yè)自動控制等領(lǐng)域具有一定的開發(fā)前景。