CN102868386B - 低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路及控制方法。一种低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路，它包括可变增益放大电路、加法器电路、采样保持电路、主控单元模块，主控单元模块包括微控制模块，微控制模块内部集成有模数转换模块、触发电路、数模转换模块。一种基于上述低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路的控制方法，加法器电路将多路可变增益放大器输出信号幅度合成为一路信号，主控单元模块中微控制模块判断加法器电路输出信号幅度，并调整数模转换模块输出电压变化，使电压控制型可变增益放大器的增益作出相应变化，控制加法器电路输出脉冲信号幅度，使之稳定于设定数值，从而缩小可变增益放大器输出动态范围。

Description

低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光探测器中的混合集成电路及控制方法，尤其涉及一种低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路及控制方法。

背景技术

对于一些使用低占空比窄脉冲信号的多通道信号处理系统，如多通道激光探测器，由于输出信号动态范围达到40dB，脉冲宽度为几百纳秒到几个微秒，周期长达几毫秒至几十毫秒，必须利用可变增益放大器将信号放大到合适的幅度后才能便于后续模块处理。但是，由于接受到的信号幅度动态范围达40dB，如采用增益分段控制办法，增益分段级数少，则达不到目的，增益分段级数多，则放大器结构复杂，控制困难，也不利于系统组装。

现有的AGC放大器，由于其闭环控制系统采用多周期积分方式获取输出信号幅度，无法准确及时获取多通道低占空比窄脉冲信号的幅度，也就不能准确调整多通道信号传输增益，因此，不适于多通道低占空比窄脉冲信号放大。

另外，由于是多通道信号放大电路，各个通道输出信号幅度不一致，增益要求是一致的，如果以其中某一路输出幅度为参考，控制其它通道的增益，会导致其他通道出现输出信号幅度饱和现象，因此，必须采取措施获取多通道综合输出信号幅度作为参考信号，以便产生增益控制信号，控制多通道放大器的传输增益。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于针对普通放大器难以对多通道低占空比窄脉冲大动态信号进行增益可控放大的难题，研制一种可以准确判断多通道低占空比脉冲信号输出幅度，快速准确控制多通道窄脉冲信号传输增益，减小输出信号幅度变化范围达40dB的AGC放大器。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路，它包括

可变增益放大电路，可变增益放大电路包括多路并联的电压控制型的可变增益放大器；

加法器电路，多路可变增益放大器的输出端相并联并与加法器电路的输入端相连接；

采样保持电路，采样保持电路的输入端与加法器电路的输出端相连接；

主控单元模块，主控单元模块包括微控制模块，微控制模块内部集成有输入端与采样保持电路的输出端相连接的模数转换模块、输入端与加法器的输出端相连接的触发电路、输出端分别与多路可变增益放大器的增益控制输入端分别相连接的数模转换模块。

本发明所提供的另一技术方案为：一种基于上述的低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路的控制方法，加法器电路将多路可变增益放大器输出信号幅度合成为一路信号，主控单元模块中的微控制模块判断加法器电路输出信号幅度，并调整数模转换模块输出电压变化，使电压控制型可变增益放大器的增益作出相应变化，控制加法器电路输出脉冲信号幅度，使之稳定于设定的数值，从而缩小可变增益放大器输出动态范围。

进一步地，低占空比窄脉冲信号的多通道信号控制方法，它包括以下步骤：

上电初始化后，可变增益放大器设定初始增益，然后等待脉冲到来，如果等待一段时间后仍无脉冲信号到来，则判断数模转换模块输出电压是否为增益放大电路允许的最大值，若不是最大值，增大数模转换模块输出电压，继续等待；如果数模转换模块已经为最大值，则可以判定没有脉冲信号输入，继续等待；

检测到脉冲信号后，判断模数转换输出数值是否为满量程值，如果已经是满量程值，则数模转换模块输出电压减小ΔV _da ，设可变增益放大器的增益变化速度为1dB/ν _x V，设模数转换模块的满量程电压为V _ad ，触发电路门限电压为V _ga ，ΔV _da =ν _x ×20lg（V _ad /V _ga ），电压单位为V。为了确保减小增益后的脉冲信号能够超出触发电路的门限电压，有效触发模数转换，计算式中的V _ga 以V _ga +0.1替代；

如果判断模数转换输出数值比其满量程小，则按以下算法计算数模输出电压：

设多路可变增益放大器输出信号之和的目标幅度为V _m ，当前采样获取的综合输出信号幅度为V _s ，当前数模转换模块输出电压为V _das ，需要计算的下一次数模转换模块的输出电压为V _da ，则：

V _da =V _das +ν _x ×20lg（V _m /V _s ）；

主控单元模块将计算出来的V _da 数值转换成数模控制字，输送到数模转换模块，改变数模转换模块输出电压，调整压控可变增益放大器传输增益，使加法器电路输出信号幅度稳定在设定目标值，减小多路可变增益放大器输出信号幅度变化范围。

通过采用以上技术方案，本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路及控制方法具有以下特点：可以实现对占空比低达0.0001%、动态范围达40dB的多通道窄脉冲信号的自动增益控制放大，使动态范围为40dB的窄脉冲信号放大后以较为稳定的幅度输出。其优点是对低占空比脉冲信号的增益自动调整响应速度快，增益控制精确，能够使多通道输出信号幅度变化范围缩小40dB，另外控制回路元器件少，便于混合集成。

附图说明

图1是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路的原理框图。

图2是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中四路可变增益放大电路1中第一路可变增益放大器的电路图。

图3是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中四路可变增益放大电路1中第二路可变增益放大器的电路图。

图4是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中四路可变增益放大电路1中第三路可变增益放大器的电路图。

图5是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中四路可变增益放大电路1中第四路可变增益放大器的电路图。

图6是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中加法器电路2的电路图。

图7是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中采样保持电路3的电路图。

图8是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路中主控制单元4的电路图。

图9 是本发明低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路控制程序流程图。

其中：

1、可变增益放大电路；2、加法器电路；3、采样保持电路；4、主控单元模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如附图1至附图9所示，本实施例一种低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路，它包括

可变增益放大电路1，可变增益放大电路包括多路电压控制型的可变增益放大电路，由附图1所示的本实施例中的低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路包括四路40dB可变增益放大器，四路可变增益放大器的四路输入为本实施例的四路输入信号，四路可变增益放大器的四路输出为本发明的四路输出信号；

加法器电路2，四路可变增益放大器的输出端相并联并与加法器电路2的输入端相连接，加法器电路2将四路可变增益放大器的四路输出进行求和处理；

采样保持电路3，保持采样电路3的输入端与加法器电路2的输出端相连接；

主控单元模块4，主控单元模块4包括微控制模块，微控制模块内部集成有输入端与采样保持电路3的输出端相连接的模数转换模块、输入端与加法器2的输出端相连接的触发电路、输出端分别与多路可变增益放大器的输入端分别相连接的数模转换模块。

加法器电路2处理后的求和信号仍为窄脉冲信号，因此必须利用采样保持电路将此和脉冲信号展宽后，主控制单元中的模数转换器才能采集到。采样保持电路的输出信号传输到主控制单元中的模数转换模块，由模数转换模块转换成数字信号后由微处理模块进行运算。主控制单元中的触发电路先触发微控制模块，由微控制模块发出模数转换模块开始转换信号，模数转换模块转换结束后，微控制模块读取模数转换的结果，然后发出放电信号到图6的VG输入端，释放采样电容存储的电量，撤消触发信号，等待下一次触发。微控制模块根据本发明的算法对模数转换模块的结果进行运算处理，根据处理结果调整数模转换模块的输出电压变化，使四路电压控制型可变增益放大器的增益作出相应变化，最终使四路输出脉冲和信号幅度稳定于设定的数值，缩小四路可变增益放大器输出动态范围。

结合图2说明可变增益放大电路1中的第一路可变增益放大器：输入信号VIN1由电阻R25和电阻R14分压后接入放大器N1的引脚13，N1的引脚14接地，N1的引脚11接电容C19的一端，C19的另一端接地，N1的引脚11同时接微控制模块中数模转换模块的输出VC，N1的引脚12接电容C30的一端，C30的另一端接地，N1的引脚12同时接电容C2、电阻R3和R4的一端，C2的另一端接地，R3的另一端接地，R4的另一端接R5，R5的另一端接地，N1的引脚16接负电源，N1的引脚16同时接两个滤波电容C17和C18的一端，C17和C18的另一端接地，N1的引脚17为第一路可变增益放大器的输出OUT1，N1引脚17同时接电阻R15，电阻R15的另一端接N1引脚15，R15的电阻值决定可变增益放大器的增益调整范围，N1引脚18接正电源，N1引脚18同时接两个滤波电容C15和C16的一端，C15和C16的另一端接地。

结合图3，说明可变增益放大电路1中的第二路可变增益放大器：输入信号VIN2由电阻R26和R16分压后接入放大器N2的引脚23，N2的引脚24接地，N2的引脚21接电容C24的一端，C24的另一端接地，N2的引脚21同时接微控制模块中数模转换模块的输出VC，N2的引脚22接电容C31的一端，C31的另一端接地，N2的引脚22同时接电容C2，电阻R3和R4的一端，C2的另一端接地，R3的另一端接地，R4的另一端接R5，R5的另一端接地，N2引脚26接负电源，N2的引脚26同时接两个滤波电容C22和C23的一端，C22和C23的另一端接地，N2的引脚27为第二路可变增益放大器的输出OUT2，N2的引脚27同时接电阻R17，电阻R17的另一端接N2的引脚25，R17的电阻值决定可变增益放大器的增益调整范围，N2的引脚28接正电源，N2的引脚28同时接两个滤波电容C20和C21的一端，C20和C21的另一端接地。

结合图4说明可变增益放大电路1中的第三路可变增益放大器：输入信号VIN3由电阻R27和R18分压后接入放大器N3的引脚33，N3的引脚34接地，N3的引脚31接电容C27的一端，C27的另一端接地，N3的引脚31同时接微控制模块中数模转换模块的输出VC，N3的引脚32接电容C32的一端，C32的另一端接地，N3的引脚32同时接电容C2、电阻R3和R4的一端，C2的另一端接地，R3的另一端接地，R4的另一端接R5，R5的另一端接地，N3的引脚36接负电源，N3的引脚36同时接两个滤波电容C28和C29的一端，C28和C29的另一端接地，N3的引脚37为第三路可变增益放大器的输出OUT3，N3的引脚37同时接电阻R19，电阻R19的另一端接N3的引脚35，R19的电阻值决定可变增益放大器的增益调整范围，N3的引脚38接正电源，N3的引脚38同时接两个滤波电容C25和C26的一端，C25和C26的另一端接地。

结合图5说明可变增益放大电路1中的第四路可变增益放大器：输入信号VIN4由电阻R28和R1分压后接入放大器N4的引脚43，N4的引脚44接地，N4的引脚41接电容C1的一端，C1的另一端接地，电阻R2与C1并联，N4的引脚41同时接微控制模块中数模转换模块的输出VC，N4的引脚42接电容C2，电阻R3和R4的一端，C2的另一端接地，R3的另一端接地，R4的另一端接R5，R5的另一端接地，N4的引脚46接负电源，N4的引脚46同时接两个滤波电容C5和C6的一端，C5和C6的另一端接地，N4的引脚47为第四路可变增益放大器的输出OUT4，N4的引脚47同时接电阻R13，电阻R13的另一端接N4的引脚45， R13的电阻值决定可变增益放大器的增益调整范围，N4的引脚48接正电源，N4的引脚48同时接两个滤波电容C3和C4的一端，C3和C4的另一端接地。

本实施例中四路可变增益放大器的增益控制是由微控制模块同步调整，所以，放大器N1的引脚11、放大器N2的引脚21、放大器N3的引脚31和放大器N4的引脚41短接，放大器N1的引脚12、放大器N2的引脚22、放大器N3的引脚32和放大器N4的引脚42短接。

结合图6，说明本实施例加法器电路的结构，四路可变增益放大器的输出OUT1接R20的一端，OUT2接R21的一端，OUT3接R22的一端，OUT4接R6的一端，R20、R21、R22、R6的另一端短接后接N5的引脚52，同时，N5的引脚52接R7一端，R7另一端接N5的引脚56，N5的引脚56为加法器电路的输出U2，N5的引脚53接R8一端，R8另一端接地，N5的引脚54接负电源，同时，N5的引脚54接滤波电容C9一端，C9另一端接地，N5的引脚57接正电源，同时，N5的引脚57接滤波电器容C10一端，C10另一端接地。

结合图7，说明本实施例采样保持电路的结构，采样保持电路是由二极管V1、电容C12、开关三极管V2和缓冲器N6构成的。加法器电路2的输出信号U2接采样保持电路中二极管V1的阳极，V1的阴极接缓冲器N6的引脚63和开关三极管V2的发射极，主控单元模块中微控制模块引脚716发出放电信号VG，VG接电阻R10的一端，R10的另一端接开关三极管V2的基极，受控开关三极管V2关断时，允许脉冲电压信号通过二极管V1为电容C12充电，保存脉冲信号的峰值电压，缓冲器N6将此峰值电压传输给后级电路采集。受控开关三极管V2导通时，释放电容C12中保存的电量，使采样保持电路恢复到采样充电前状态，缓冲器N6的引脚62接反馈二极管V3的阴极，缓冲器N6的引脚66接反馈二极管V3的阳极，此二极管引入的目的是补偿二极管V1引起的压降，缓冲器N6的引脚66输出信号VS。

结合图8，说明主控单元模块4的结构，主控单元模块主要由微控制模块及外围的复位电路及时钟电路组成，微控制模块采用AVR单片机，AVR单片机中内含模数转换模块、数模转换模块和触发电路，触发电路采用模拟比较器实现。微控制模块的引脚725产生VC信号与分别与四路可变增益放大器的引脚11、引脚21、引脚31、引脚41相连，微控制模块的引脚716产生VG信号与采样保持电路3中的VG输入端相连，微控制模块的引脚722和引脚718与采样保持电路的输出端VS相连。

本实施例提供的另一技术方案为：一种基于上述的低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路的控制方法，加法器电路2将多路可变增益放大器输出信号幅度合成为一路信号，主控单元模块4中的微控制模块判断加法器电路2输出信号幅度，并调整数模转换模块输出电压变化，使电压控制型可变增益放大器的增益作出相应变化，控制加法器电路2输出脉冲信号幅度，使之稳定于设定的数值，从而缩小可变增益放大器输出动态范围。

结合图9，说明控制流程及控制算法：程序控制流程如图9所示，系统上电初始化后，可变增益放大器设定初始增益，然后等待脉冲到来，如果等待一段时间后仍无脉冲信号到来，则判断数模转换模块输出电压是否为增益放大电路允许的最大值，若不是最大值，增大数模转换模块输出电压，继续等待；如果数模转换模块已经为最大值，则可以判定没有脉冲信号输入，继续等待；

检测到脉冲信号后，判断模数转换输出数值是否为满量程值，如果已经是满量程值，则数模转换模块输出电压减小ΔV _da ，设可变增益放大器的增益变化速度为1dB/ν _x V，设模数转换模块的满量程电压为V _ad ，触发电路门限电压为V _ga ，ΔV _da =ν _x ×20lg（V _ad /V _ga ），电压单位为V。为了确保减小增益后的脉冲信号能够超出触发电路的门限电压，有效触发模数转换，计算式中的V _ga 以V _ga +0.1替代；

如果判断模数转换输出数值比其满量程小，则按以下算法计算数模输出电压：

设多路可变增益放大器输出信号之和的目标幅度为V _m ，当前采样获取的综合输出信号幅度为V _s ，当前数模转换模块输出电压为V _das ，需要计算的下一次数模转换模块的输出电压为V _da ，则：

V _da =V _das +ν _x ×20lg（V _m /V _s ）；

主控单元模块4将计算出来的V _da 数值转换成数模控制字，输送到数模转换模块，改变数模转换模块输出电压，调整压控可变增益放大器传输增益，使加法器电路2输出信号幅度稳定在设定目标值，减小多路可变增益放大器输出信号幅度变化范围。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路的控制方法，其特征在于：所述的低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路包括

可变增益放大电路（1），所述的可变增益放大电路包括多路电压控制型的可变增益放大器；

加法器电路（2），多路所述可变增益放大器的输出端相并联并与所述加法器电路（2）的输入端相连接，所述的加法器电路（2）将多路所述可变增益放大器输出信号幅度合成为一路信号；

采样保持电路（3），所述的采样保持电路（3）的输入端与所述加法器电路（2）的输出端相连接；

主控单元模块（4），所述的主控单元模块（4）包括微控制模块，所述的微控制模块内部集成有输入端与所述采样保持电路（3）的输出端相连接的模数转换模块、输入端与所述加法器电路（2）的输出端相连接的触发电路、输出端分别与多路可变增益放大器的输入端分别相连接的数模转换模块，所述的微控制模块判断加法器电路（2）输出信号幅度，并调整数模转换模块输出电压变化，使可变增益放大器的增益作出相应变化，控制加法器电路（2）输出脉冲信号幅度，使之稳定于设定的数值，从而缩小可变增益放大器输出动态范围；

基于所述的低占空比窄脉冲信号的多通道信号放大电路的控制方法包括以下步骤：

上电初始化后，可变增益放大器设定初始增益，然后等待脉冲到来，如果等待一段时间后仍无脉冲信号到来，则判断数模转换模块输出电压是否为可变增益放大电路（1）允许的最大值，若不是最大值，增大数模转换模块输出电压，继续等待；如果数模转换模块已经为最大值，则可以判定没有脉冲信号输入，继续等待；

检测到脉冲信号后，判断模数转换输出数值是否为满量程值，如果已经是满量程值，则数模转换模块输出电压减小ΔV_da，设可变增益放大器的增益变化速度为1dB/ν_xV，设模数转换模块的满量程电压为V_ad，触发电路门限电压为V_ga，ΔV_da=ν_x×20lg（V_ad/V_ga），电压单位为V；

为了确保减小增益后的脉冲信号能够超出触发电路的门限电压，有效触发模数转换，计算式中的V_ga以V_ga+0.1替代；

如果判断模数转换输出数值比其满量程小，则按以下算法计算数模输出电压：

设多路可变增益放大器输出信号之和的目标幅度为V_m，当前采样获取的综合输出信号幅度为V_s，当前数模转换模块输出电压为V_das，需要计算的下一次数模转换模块的输出电压为V_da，则：

V_da=V_das+ν_x×20lg（V_m/V_s）；

主控单元模块（4）将计算出来的V_da数值转换成数模控制字，输送到数模转换模块，改变数模转换模块输出电压，调整可变增益放大器传输增益，使加法器电路（2）输出信号幅度稳定在设定目标值，减小多路可变增益放大器输出信号幅度变化范围。