CN101420209B - 一种高速大动态范围数字化自动增益控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种高速大动态范围数字化自动增益控制电路，包括可变增益放大器、高速峰值保持器、低通滤波器、A/D转换器、以及数字信号范围判断与增益控制器；外部输入的脉冲电压信号经可变增益放大器进行增益控制后送至高速峰值保持器，高速峰值保持器对传来的信号进行峰值展宽保持后送至低通滤波器进行模拟滤波，低通滤波器的输出信号经A/D转换器后送至数字信号范围判断与增益控制器，数字信号范围判断与增益控制器将传来的数字信号与预先设定的阈值进行比较，并根据比较结果控制可变增益放大器的放大倍数。本发明AGC电路结构简单、控制精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动增益控制电路，特别是一种应用于激光探测器高速大动态范围信号处理与检测装置的数字化自动增益控制电路。
背景技术
自动增益控制电路，简称为AGC电路，数字化AGC电路是目前广泛应用的一种AGC电路，其主要功能为，当输入信号电压幅度超过或低于某一门限值时，通过控制回路将输出电压调整在某一特定的范围内。具体来说，当输入信号很弱时，自动增益控制电路对增益进行提高，使放大器增益增大；当输入信号很强时，自动增益控制电路对增益进行抑制，使放大器增益减小，最终将输入信号幅度调整在某一设定的阈值范围内。
激光探测器信号处理与检测装置接收的信号一般为15ns以上、动态范围60dB以上的电压脉冲信号，输入的光电信号由可变增益放大器放大，并通过A/D转换器进行采样转换，得到的数字量再进行平均作为峰值，最后送入单片机进行数据处理。
目前，国内外研究者对集成AGC作了大量的研究，但用于激光探测器信号处理领域的AGC必须带有峰值数字化功能，而且对速度和精度要求高，以便接收和处理高速大动态范围的光电脉冲峰值信号，而带峰值数字化的集成AGC在目前的研究结果中鲜有报导。目前激光探测器处理装置中所广泛采用的AGC未包含信号峰值数字化功能，而且无法对脉冲宽度小、幅度动态范围大的信号进行有效处理，阈值检测灵敏度低，影响了控制精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可对脉冲宽度小、幅度动态范围大的信号进行有效处理的高精度数字化自动增益控制电路。
本发明的技术解决方案是：一种高速大动态范围数字化自动增益控制电路，包括可变增益放大器、高速峰值保持器、低通滤波器、A/D转换器、以及数字信号范围判断与增益控制器；外部输入的脉冲电压信号经可变增益放大器进行增益控制后送至高速峰值保持器，高速峰值保持器对传来的信号进行峰值展宽保持后送至低通滤波器进行模拟滤波，低通滤波器的输出信号经A/D转换器后送至数字信号范围判断与增益控制器，数字信号范围判断与增益控制器将传来的数字信号与预先设定的阈值进行比较，并根据比较结果控制可变增益放大器的放大倍数。
所述的可变增益放大器由耦合级联的3～4级比例放大器构成，所述的比例放大器包括运算放大器以及由电阻网络和控制开关构成的反馈结构。
所述的高速峰值保持器为差分比较电路，包括运算放大器A1和A2、二极管D0和电容C1；运算放大器A1的同向输入端接输入信号，输出端接二极管D0的正向输入端，二极管D0的输出接运算放大器A2的同向输入端；运算放大器A2的同向输入端经电容C1接参考电位，输出端、反向输入端均与运算放大器A1的反向输入端相连。
所述的数字信号范围判断与增益控制器中的初始增益由外部控制端进行设置，增益范围为0.125倍至512倍。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明AGC针对激光探测器信号处理与检测装置的应用，提出了包括可变增益放大器、高速峰值保持器、低通滤波器、A/D转换器、以及数字信号范围判断与增益控制器的总体结构，该结构增加了峰值数字化功能，采用数字化阈值判断，替代了高速高精度模拟比较器的功能，降低了设计的难度并且提高了比较精度；
2、本发明可变增益放大器采用耦合级联的3～4级比例放大器构成，该方法相比单级运算放大器具有运算放大器设计相对简单、高增益、高速度、低失真的特点；
3、峰值保持器对于脉冲宽度小于15ns的信号，本发明电路采用高速差分比较原理来实现，克服了现有技术中采用肖特基二极管和一个电容来实现峰值保持的电路结构，克服了信号必须大于肖特基结压降才能被保持、以及线性度差的缺点，提高了峰值保持器的精度和速度。
附图说明
图1为本发明数字化自动增益控制电路的结构原理框图；
图2为本发明数字化自动增益控制电路中的可变增益放大器的原理框图；
图3为本发明数字化自动增益控制电路中的峰值保持器的原理框图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明数字化自动增益控制电路的结构原理框图，由可变增益放大器1、高速峰值保持器2、低通滤波器3、AD转换器4、数字信号范围判断与增益控制器5构成的数模混合反馈回路实现，参考电压源和电流源6为其他器件提供工作所需的电压源或电流源。另外，为易于CPU、DSP等处理器接口和操作，将自动增益后的模拟信号以及AD转换后的数字信号、增益状态均作为输出信号，通过增益状态以及AD转换串行总线接口电路7输出。
首先根据输入信号特征以及应用要求对AGC进行初始增益以及阈值的上下限的初始化设置。激光信号经过光电传感器输出的脉冲电压信号送入到该AGC电路，该电压信号经过可变增益放大器1按照初始设定增益进行相应的自适应增益控制后，一方面通过外部控制输出，一方面送入到高速峰值保持器2，对该信号进行展宽保持，起到了降低峰值信号频率的作用。对展宽后的信号通过低通滤波器3进行模拟低通滤波，再将滤波后的信号通过高精度AD转换器4进行模拟数字转换，最后转换结果送至数字信号范围判断与增益控制器5，由数字信号范围判断与增益控制器5将传来的数字信号与预设置的数字阈值进行比较，比较结果作为判断标准控制增益计数器的加减改变增益，反馈到可变增益放大器1的增益控制端。
如图2所示，为本发明数字化自动增益控制电路中的可变增益放大器的原理框图。可变增益放大器1由三级放大器级联耦合组成，放大倍数范围为0.125倍到512倍，变化单位为2倍，每级运算放大器的变化范围0.5倍至8倍共五个档。每级放大器均有由电阻与控制开关构成的反馈网络，而且每级放大器均应具有高速、高增益、低失调的特点，主要技术指标：开环增益大于98dB；单位增益带宽大于200M Hz；输出摆率大于300V/us，输入失调电压小于1mV。级间采用0.1uF的电容连接，用于消除各级放大器的失调以及对高频噪声进行抑制，Vcom为共模输入电压，用来调整各级运算放大器的工作点。
如图3所示，为本发明数字化自动增益控制电路中的高速峰值保持器3的组成原理图。图3中，采用高速低失调差分运算放大器A1、A2和二极管D0组成负反馈电路来获得理想二极管，克服了死区电压，提高了电路的灵敏度。运算放大器A1作为同相放大器工作，Va与Vin同相，且|Va|>|Vin|。当Vin>0时，Va为正值使得D0导通。根据深度负反馈条件下运放输入端虚短的原理，得到Vc≈Vin，保证了峰值信号与输入信号之间的线性关系，同时也提高了电路处理小信号的灵敏度。当输入信号下降时，Va下降，使得Va<Vc，D0截至，A1负反馈回路断开，A1处于开环状态，实现了高速峰值信号的保持，保证了系统的数字化精度。
数字信号范围判断与增益控制器5，当AD转换器4的输出超出预设范围，则对其增益进行调整，每次调整增益变化为2倍。调整方式采用计数器的加减形式来实现，例如初始增益设定为1000(二进制数)后，当输入信号经过初始放大以及峰值保持、转换后的数据若小于预先设置的阈值下限，则对初始增益加1为1001，若大于音响设定的阈值上限则对初始增益减1为0111，再进行判断，直到该转换结果在阈值上下限内并将AD转换结果以及增益状态送入到总线接口电路进行数据装订，该部分可通过Verilog语言进行逻辑综合实现。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种数字化自动增益控制电路，其特征在于包括：可变增益放大器(1)、峰值保持器(2)、低通滤波器(3)、A/D转换器(4)、以及数字信号范围判断与增益控制器(5)；外部输入的脉冲电压信号经可变增益放大器(1)进行增益控制后送至峰值保持器(2)，峰值保持器(2)对传来的信号进行峰值展宽保持后送至低通滤波器(3)进行模拟滤波，低通滤波器(3)的输出信号经A/D转换器(4)后送至数字信号范围判断与增益控制器(5)，数字信号范围判断与增益控制器(5)将传来的数字信号与预先设定的阈值进行比较，并根据比较结果控制可变增益放大器(1)的放大倍数；所述的数字信号范围判断与增益控制器(5)采用计数器加减的形式调整可变增益放大器(1)的增益，当A/D转换器(4)的输出小于预先设定的阈值下限时，则对初始增益加1，当A/D转换器(4)的输出大于预先设定的阈值上限时，则对初始增益减1，然后再进行判断，直至A/D转换器(4)的输出在预先设定的阈值范围内；所述的可变增益放大器(1)由耦合级联的3～4级比例放大器构成，级间采用电容连接，所述的比例放大器包括运算放大器以及由电阻网络和控制开关构成的反馈结构；所述的峰值保持器(2)为差分比较电路，包括运算放大器A1和A2、二极管D0和电容C1；运算放大器A1的同向输入端接输入信号，输出端接二极管D0的正向输入端，二极管D0的输出接运算放大器A2的同向输入端；运算放大器A2的同向输入端经电容C1接参考电位，输出端、反向输入端均与运算放大器A1的反向输入端相连；所述的数字信号范围判断与增益控制器(5)中的初始增益由外部控制端进行设置，增益范围为0.125倍至512倍。
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