【無線射頻電路】-微波檢波信號(hào)增益控制方案

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----微波檢波信號(hào)增益控制方法(1)本文采納微處理器MSP430F149掌握帶8位易失性存儲(chǔ)器的四路SPI數(shù)字電位器MCP4351組成三級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波檢波信號(hào)放大增益的自動(dòng)掌握。此方法工作效率高，適合寬動(dòng)態(tài)范圍的增益掌握。下邊分別從硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)思路及總體實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行分析。1增益自動(dòng)掌握系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

智能微波開關(guān)接收部分對(duì)接收到的微波檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行前置固定增益(增益約為1)放大以及濾波以后，通過三級(jí)程控放大電路放大，將信號(hào)幅值放大到要求的范圍，再由后續(xù)電路進(jìn)行解調(diào)和處理。放大器級(jí)聯(lián)模型如圖1所示。

為了適應(yīng)寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，放大器的增益掌握必需足夠的敏捷。當(dāng)輸入幅值特殊小的時(shí)候，放大電路要能夠?qū)⑿》敌盘?hào)放大到要求的范圍內(nèi);當(dāng)輸入幅值特殊大的時(shí)候，放大電路還應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒋蠓敌盘?hào)壓縮。因此，第一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵，要求對(duì)信號(hào)既可以放大也可以壓縮。而其次級(jí)和第三級(jí)放大電路僅具有放大力量就可以滿意實(shí)際應(yīng)用要求。

2增益自動(dòng)掌握電路硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)寬動(dòng)態(tài)范圍檢波器輸出信號(hào)的特點(diǎn)(輸出信號(hào)約為500μV～2.75V)，本文設(shè)計(jì)的第一級(jí)程控增益放大電路要適應(yīng)如此寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的放大，同時(shí)又能夠?yàn)V除噪聲，故采納集成運(yùn)放、程控?cái)?shù)字電位器和電容組成了反相輸入的一階低通濾波電路，同時(shí)還具有增益調(diào)整功能，微處理器可以通過程序掌握此電路的增益。所設(shè)計(jì)的第一級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖如圖2所示(其中中R11和R12為程控?cái)?shù)字電位器R1)。

對(duì)圖1進(jìn)行分析，可以得到第一級(jí)程控放大電路的輸出電壓為：

在實(shí)際電路中，選用的集成放大器為L(zhǎng)M6154，它是四路高速低功耗集成運(yùn)放。選用的數(shù)字電位器為MCP4351，它是帶易失性存儲(chǔ)器的8位四路數(shù)字電位器。其電阻調(diào)整的步長(zhǎng)為：

式中：N1為0～256之間的十進(jìn)制整數(shù);Rw為電位器抽頭阻值(75Ω)。

經(jīng)過計(jì)算可知：

通過以上分析可以看出，第一級(jí)程控增益放大部分不僅可以將信號(hào)幅值放大也可以將信號(hào)幅值壓縮，使得微波信號(hào)幅值始終保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。因此需要對(duì)程控增益進(jìn)行設(shè)計(jì)和掌握。

另外，由于R10特別小，且接近于Rw，所以當(dāng)剛上電時(shí)，N1取128(相當(dāng)于抽頭在中點(diǎn))，近似有g(shù)1=1。

其次級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖#e#其次級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖如圖3所示(其中R21和R22為程控?cái)?shù)字電位器R2)。

由圖2可以得到其次級(jí)程控放大電路的輸出電壓為：

由于第三級(jí)放大電路與其次級(jí)放大電路的電路形式相同，故第三級(jí)程控放大電路增益為：

依據(jù)所選數(shù)字電位器MCP4351的參數(shù)，結(jié)合電路的形式，在保證信號(hào)不失真的狀況下，可以得出程控放大電路各級(jí)輸出電壓范圍為：

在如此寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，如何安排各級(jí)增益才能使整個(gè)放大電路的輸出信號(hào)幅值達(dá)到最佳值?在試驗(yàn)中，先后采納了兩種方法安排各級(jí)增益。

第一種方法是三級(jí)增益同步調(diào)整(同大同小)，由于各級(jí)輸出電壓的限制，導(dǎo)致增益可調(diào)范圍變窄。假如同時(shí)調(diào)的過大，則總增益過大，從而將造成信號(hào)幅值太大引起失真;假如調(diào)的太小，總增益就變得很小，造成信號(hào)難以被檢測(cè)出來。

其次種方法是將第一級(jí)增益與后兩級(jí)增益分開調(diào)整。由于第一級(jí)增益的變化范圍大，既可以將微波檢波信號(hào)放大又可以將其壓縮，所以第一級(jí)放大電路在整個(gè)三級(jí)放大電路中起到關(guān)鍵作用。其次級(jí)和第三級(jí)電路形式完全相同，這兩級(jí)放大電路只能將信號(hào)幅值放大。因此，在總增益不變的狀況下，先調(diào)整其次級(jí)和第三級(jí)增益，當(dāng)這兩級(jí)增益確定后，再依據(jù)需要調(diào)整第一級(jí)增益。

其次級(jí)和第三級(jí)放大電路的增益公式相同，為了提高調(diào)整效率，將其次級(jí)和第三級(jí)增益進(jìn)行同步調(diào)整，即g3=g2。故總增益為：

因此，只要先確定出g2，就可以很便利地得到g1的值。這種方法有效地解決了第一種方法中存在增益調(diào)整范圍小的缺點(diǎn)。

各級(jí)增益計(jì)算步驟為：

(1)將總增益G線性等分成4096級(jí)(靈敏度A/D采樣位數(shù)為12位);

(2)再依據(jù)式(13)和式(14)所確定的各級(jí)增益范圍，對(duì)應(yīng)每級(jí)的G確定出每級(jí)g2的值，并依據(jù)式(9)確定出其次、三級(jí)放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N2和N3;

(3)g2確定后，依據(jù)式(16)即可得出每級(jí)g1的值，進(jìn)而依據(jù)式(4)計(jì)算出第一級(jí)放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N1。

3增益自動(dòng)掌握軟件設(shè)計(jì)

制作軟件時(shí)，將計(jì)算好的各級(jí)放大器對(duì)應(yīng)的比例值N21，N2和N3做成表存入處理器MSP430F149中，以備調(diào)整時(shí)由處理程序查找。系統(tǒng)工作時(shí)，通過調(diào)整靈敏度旋鈕掌握總增益G，當(dāng)靈敏度旋鈕被調(diào)到一個(gè)值后，MSP430F149讀取靈敏度值得出對(duì)應(yīng)的總增益值，通過查表方式得到各級(jí)數(shù)字電位器放大比例值N1，N2和N3，并將其輸出給MCP4351的各存儲(chǔ)器，MCP4351再根據(jù)存儲(chǔ)器中N1，N2和N3的值調(diào)整數(shù)字電位器，轉(zhuǎn)變反饋電阻阻值，從而實(shí)現(xiàn)增益調(diào)控。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的三級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路應(yīng)用于智能微波開關(guān)接收部分的增益掌握電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波解調(diào)信號(hào)增益的動(dòng)態(tài)掌握。在多級(jí)增益安排過程中，局部增益線性安排，其余根據(jù)約束方程計(jì)算，并形成增益安排表，供C