CN113364418A - 一种程控增益放大电路及信号控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种程控增益放大电路及信号控制方法，该电路包括放大器电路模块、信号调理电路模块、模数转换电路模块以及数字信号处理模块，数字信号处理模块通过对模数转换后的信号幅度进行判别，决定增益放大档位，对场效应管的通断进行控制，从而实现对放大器的反馈回路控制，最终实现对放大电路的增益控制。本发明可替代电压比较电路，实现硬件电路精简，同时获得可重构的参考电压值；比较判断输出路数不再受硬件电路限制；判断检测门限及控制放大增益，有利于对特定时间特定信号的专用设置，特别适用于对脉冲信号等低占空比信号的增益控制；同时，本发明电路简单，更易于在芯片中集成本发明电路，从而实现微小型化系统设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种程控增益放大电路及信号控制方法。
背景技术
当前，在传感器信号检测中，输入的信号幅度范围一般很大，而在信号处理端，希望输入的信号幅值在一定范围内，因此希望对弱小信号进行较大增益放大，对强信号进行较小增益放大甚至限幅。为了满足这些要求，在传感器信号检测电路中，一般会引入自动增益控制电路，用于调节输入信号幅度范围。
发明专利“一种自动增益放大器电路”(申请号：201611186431.7)中描述了一种自动增益放大器电路，包括可变增益放大器1、信号幅度判断器2、自动增益控制器3三部分,其中：可变增益放大器1对输入信号幅度进行放大，可变增益放大器1的增益由自动增益控制器3控制；信号幅度判断器2对输入信号幅度进行判断，并将判断结果输出到自动增益控制器3；自动增益控制器3对信号幅度判断器2的输出值进行检测并根据检测结果将可变增益放大器1配置到相应的增益；自动增益控制器3将可变增益放大器1的增益初始值配置为最大增益值，一帧信号的第一个信号脉冲期间对信号幅度判断器2的输出值进行检测，并根据检测结果将可变增益放大器的配置到相应的增益，然后对该增益进行锁存，直到停止接收本帧数据，然后将增益复位到最大增益值。该技术方案在信号幅度判断器中引入了电压比较器组，随着比较器数量的增加，电路复杂度将急剧增加；同时，信号幅度判断门限，即电压比较器电路中的参考电压值，基于硬件电路完成，一旦完成硬件电路板生产，更改不便，灵活性不足。
发明专利“一种自动增益控制电路及其系统以及自动增益控制方法”(申请号：200680056657.3)中描述了一种自动增益控制电路，包括：可变增益放大器11，所述可变增益放大器11适应于接收一个接收信号R并输出一个放大信号A到一个模数转换器20，以及增益控制器12，所述增益控制器12被连接到所述可变增益放大器11，并用于接收所述放大信号A以及控制所述可变增益放大器11的增益，其中，所述增益控制器12适应于：每当所述放大信号A达到一预定门限时，确定门限事件的发生；-每当出现门限事件时，减小所述可变增益放大器11的所述增益；测量从上一次门限事件起始的一时延；如果所述时延大于一个指定时延值，并且所述可变增益放大器11的增益不是最大值时，增加所述可变增益放大器11的增益。该技术方案在增益控制电路中设计了比较器硬件电路，电路复杂；增益判读、处理采用了独立的逻辑芯片，增加了系统复杂度；放大器反馈电阻采用数字电位器实现，增加了硬件电路开支，不利于实现低成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种程控增益放大电路及信号控制方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种程控增益放大电路，包括放大器电路模块、信号调理电路模块、模数转换电路模块以及数字信号处理模块，其中信号调理电路模块与模数转换电路模块连接，模数转换电路模块与数字信号处理模块连接；所述放大器电路模块包括电阻R1-R4、放大器UA、电容C1以及场效应管Q1-Q2，所述电阻R4一端连接信号输入端，另一端与电容C1电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端以及放大器UA的负输入端连接，放大器UA的正输入端接地；所述电阻R2的另一端与场效应管Q1的漏极连接，电阻R3与场效应管Q2的漏极连接；所述电容C1的另一端、电阻R1的另一端、场效应管Q1的源极以及场效应管Q2的源极均与放大器UA的输出端连接后连接至信号调理电路模块；所述场效应管Q1以及场效应管Q2的栅极均与数字信号处理模块连接。
进一步的，所述放大器UA的电源正负端分别与电源的正负极相连。
进一步的，还包括电容C2，所述电容C2一端与放大器UA的电源正极相连，另一端接地。
进一步的，还包括电容C3，所述电容C3的一端与放大器UA的电源负极相连，另一端与放大器UA的正输入端相连。
进一步的，所述电阻R4的另一端还可连接至放大器UA的正输入端，此时，放大器UA的负输入端接地。
进一步的，所述电阻R1、电阻R2以及电阻R3的大小关系为电阻R1＞电阻R2＞电阻R3或电阻R1＞电阻R3＞电阻R2中的任意一种。
进一步的，所述电阻R1、电阻R2以及电阻R3中，任意两相邻电阻值大小的电阻之间阻值相差为5-10倍。
如上任一所述程控增益放大电路的信号控制方法，包括以下步骤：
S1，初始化，设定比较基准电压数量及门限值，设定放大增益为中档；
S2，放大器电路模块接收来自输入端的信号，经过初次放大处理后再经信号调理电路模块处理后对信号进行模数转换，随后发送至数字信号处理模块；
S3，数字信号处理模块对信号幅度是否超过模数转换模块的输入范围的x％进行判断，若不超过则进入下一步骤；若超过则进行累积判定，连续m次中不少于n次信号幅度超过x％，则数字信号处理模块将放大器模块切换至低增益档后进入步骤S5，若连续m次中少于n次信号幅度超过x％，则直接进入步骤S5；
S4，数字信号处理模块对信号幅度是否低于模数转换模块的输入范围的y％进行判断，若不低于则进入下一步骤，若低于则进行累积判定，连续m次中不少于n次信号幅度低于y％，则数字信号处理模块将放大器模块切换至高增益档后进入步骤S5，若连续m次中少于n次信号幅度低于y％，则直接进入步骤S5；
S5，数字信号处理模块执行预定信号处理，当本帧数据处理完成后返回至S1接收下一信号，直至全部信号处理完成。
进一步的，所述x取值为85-95，y取值为85-95，m取值为3-5，n取值为2-3。
进一步的，所述x取值为90，y取值为90，m取值为4，n取值为2。
本发明的有益效果在于：通过本发明的实施，信号幅值判断由数字信号处理模块完成，精简了硬件电路，且比较判断输出路数不再受硬件电路限制；信号幅值判断电压门限可由数字信号处理模块中设定，门限值在数字信号处理器计数范围内可连续设置，更改灵活；判断检测门限及控制放大增益，有利于对特定时间特定信号的专用设置，特别适用于对脉冲信号等低占空比信号的增益控制；本发明电路简单，更易于在芯片中集成本发明电路，从而实现微小型化系统设计。
附图说明
图1是本发明的电路组成示意图；
图2是本发明的程控增益放大电路控制方法流程图；
图中：1-放大器电路模块，2-信号调理电路模块，3-模数转换电路模块，4-数字信号处理模块。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示，一种程控增益放大电路，包括放大器电路模块1、信号调理电路模块2、模数转换电路模块3以及数字信号处理模块4，其中信号调理电路模块2与模数转换电路模块3连接，模数转换电路模块3与数字信号处理模块4连接；放大器电路模块1包括电阻R1-R4、放大器UA、电容C1以及场效应管Q1-Q2，电阻R4一端连接信号输入端，另一端与电容C1电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端以及放大器UA的负输入端连接，放大器UA的正输入端接地；电阻R2的另一端与场效应管Q1的漏极连接，电阻R3与场效应管Q2的漏极连接；电容C1的另一端、电阻R1的另一端、场效应管Q1的源极以及场效应管Q2的源极均与放大器UA的输出端连接后连接至信号调理电路模块2；场效应管Q1以及场效应管Q2的栅极均与数字信号处理模块4连接。电容C1用于对输入信号进行滤波，以降低输入信号中的噪声，C1取值范围为0.5pF-1000pF。
放大器UA的电源正负端分别与电源的正负极相连。还包括电容C2，电容C2一端与放大器UA的电源正极相连，另一端接地。还包括电容C3，电容C3的一端与放大器UA的电源负极相连，另一端与放大器UA的正输入端相连。
电阻R4的另一端还可连接至放大器UA的正输入端，此时，放大器UA的负输入端接地。图1中放大器电路模块1使用的为反相放大方式，也可将输入信号接至放大器正端，则此时为同相放大。
电阻R1、电阻R2以及电阻R3的大小关系为电阻R1＞电阻R2＞电阻R3或电阻R1＞电阻R3＞电阻R2中的任意一种。电阻R1、电阻R2以及电阻R3中，任意两相邻电阻值大小的电阻之间阻值相差为5-10倍。电阻R1、电阻R2、电阻R3的取值为R1>R2>R3或R1>R3>R2，并且取值尽量相差5-10倍以上，以获得足够大的增益调节范围；电容C2、电容C3用于对放大器电源去耦，当-Vcc与地AGND相连时，电阻C3可去掉。
场效应管Q1与场效应管Q2均为PMOS管。
数字信号处理模块4，可为FPGA(FieldProgrammable GateArray，现场可编程门阵列)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)、PAL(ProgrammableArray Logic，可编程阵列逻辑)、DSP(Digital Signal Proceser，数字信号处理器)、MCU(Micro ControllerUnit，微控制器)以及CPU(Central Process Unit，中央处理器)，具体实施时，可对当场效应管Q1、场效应管Q2的通断进行控制从而达到对放大器电路模块1的增益模式控制。
图1中放大器电路模块1的增益计算方法为：
当场效应管Q1、场效应管Q2断开时，可得最大放大增益：
当场效应管Q1断开、场效应管Q2导通时，可得中间值放大增益：
当场效应管Q1导通、场效应管Q2断开时，可得中间值放大增益：
当场效应管Q1、场效应管Q2导通时，可得最小放大增益：
如图2所示，程控增益放大电路的信号控制方法，包括以下步骤：
S1，初始化，设定比较基准电压数量及门限值，设定放大增益为中档；
S2，放大器电路模块接收来自输入端的信号，经过初次放大处理后再经信号调理电路模块处理后对信号进行模数转换，随后发送至数字信号处理模块；
S3，数字信号处理模块对信号幅度是否超过模数转换模块的输入范围的x％进行判断，若不超过则进入下一步骤；若超过则进行累积判定，连续m次中不少于n次信号幅度超过x％，则数字信号处理模块将放大器模块切换至低增益档后进入步骤S5，若连续m次中少于n次信号幅度超过x％，则直接进入步骤S5；
S4，数字信号处理模块对信号幅度是否低于模数转换模块的输入范围的y％进行判断，若不低于则进入下一步骤，若低于则进行累积判定，连续m次中不少于n次信号幅度低于y％，则数字信号处理模块将放大器模块切换至高增益档后进入步骤S5，若连续m次中少于n次信号幅度低于y％，则直接进入步骤S5；
S5，数字信号处理模块执行预定信号处理，当本帧数据处理完成后返回至S1接收下一信号，直至全部信号处理完成。
其中x取值为90，y取值为90，m取值为4，n取值为2。
图1中，电阻R4接在光电探测器D1的后级，在初始阶段，放大器电路模块1将光电探测器D1输出信号进行放大后，经信号调理电路模块2、模数转换电路模块3后，数字信号处理模块4根据信号幅度重新进行增益设定，并对信号进行处理。由于光电探测器D1输出的信号多为窄脉冲信号，占空比低，并且起伏较大且外部干扰噪声多样，本发明能够根据所需检测的脉冲峰值设定放大器增益，并且检测时能够根据信号幅度实时调整比较参考电压，提高抗干扰能力。刚开始工作时，初始设定比较基准电压数量及门限值，设定放大增益为中档，对信号完成模数转换后，数字信号处理模块4对信号幅度进行判断，当信号幅度超过模数转换模块3输入范围x％时，x在此取90，进行累计判断，当连续m次中不少于n次信号幅度超过模数转换器输入范围x％时，调小放大增益，即将放大器切换至低增益档，m、n在此分别取4、2，能够获得较好的增益控制响应速度且不易引起振荡；当信号幅度低于模数转换器输入范围y％时，y在此取90，进行累计判断，当连续m次中不少于n次信号幅度低于模数转换器输入范围y％时，增大放大增益，即将放大器切换至高增益档，m、n在此分别取4、2，能够获得较好的增益控制响应速度且不易引起振荡。当对信号幅度判断完成并完成放大器增益重新设定后，开始按照预定流程进行信号处理，本帧数据处理完后即开始下一帧的模数转换处理并重复上述步骤。
本发明可通过数字信号处理模块进行程序编程进而控制放大增益，用于设定放大增益参数的反馈信息也通过数字信号处理模块进行程序编程比较判断的方式实现，精简增益控制电路，提高产品对定制化需求应用灵活性。
Claims (10)
1.一种程控增益放大电路，其特征在于：包括放大器电路模块、信号调理电路模块、模数转换电路模块以及数字信号处理模块，其中信号调理电路模块与模数转换电路模块连接，模数转换电路模块与数字信号处理模块连接；
所述放大器电路模块包括电阻R1-R4、放大器UA、电容C1以及场效应管Q1-Q2，所述电阻R4一端连接信号输入端，另一端与电容C1电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端以及放大器UA的负输入端连接，放大器UA的正输入端接地；所述电阻R2的另一端与场效应管Q1的漏极连接，电阻R3与场效应管Q2的漏极连接；所述电容C1的另一端、电阻R1的另一端、场效应管Q1的源极以及场效应管Q2的源极均与放大器UA的输出端连接后连接至信号调理电路模块；所述场效应管Q1以及场效应管Q2的栅极均与数字信号处理模块连接。
2.如权利要求1所述的程控增益放大电路，其特征在于：所述放大器UA的电源正负端分别与电源的正负极相连。
3.如权利要求2所述的程控增益放大电路，其特征在于：还包括电容C2，所述电容C2一端与放大器UA的电源正极相连，另一端接地。
4.如权利要求2所述的程控增益放大电路，其特征在于：还包括电容C3，所述电容C3的一端与放大器UA的电源负极相连，另一端与放大器UA的正输入端相连。
5.如权利要求1所述的程控增益放大电路，其特征在于：所述电阻R4的另一端还可连接至放大器UA的正输入端，此时，放大器UA的负输入端接地。
6.如权利要求1所述的程控增益放大电路，其特征在于：所述电阻R1、电阻R2以及电阻R3的大小关系为电阻R1＞电阻R2＞电阻R3或电阻R1＞电阻R3＞电阻R2中的任意一种。
7.如权利要求6所述的程控增益放大电路，其特征在于：所述电阻R1、电阻R2以及电阻R3中，任意两相邻电阻值大小的电阻之间阻值相差为5-10倍。
8.如权利要求1-7任一项所述的程控增益放大电路的信号控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，初始化，设定比较基准电压数量及门限值，设定放大增益为中档；
S2，放大器电路模块接收来自输入端的信号，经过初次放大处理后再经信号调理电路模块处理后对信号进行模数转换，随后发送至数字信号处理模块；
S3，数字信号处理模块对信号幅度是否超过模数转换模块的输入范围的x％进行判断，若不超过则进入下一步骤；若超过则进行累积判定，连续m次中不少于n次信号幅度超过x％，则数字信号处理模块将放大器模块切换至低增益档后进入步骤S5，若连续m次中少于n次信号幅度超过x％，则直接进入步骤S5；
S4，数字信号处理模块对信号幅度是否低于模数转换模块的输入范围的y％进行判断，若不低于则进入下一步骤，若低于则进行累积判定，连续m次中不少于n次信号幅度低于y％，则数字信号处理模块将放大器模块切换至高增益档后进入步骤S5，若连续m次中少于n次信号幅度低于y％，则直接进入步骤S5；
S5，数字信号处理模块执行预定信号处理，当本帧数据处理完成后返回至S1接收下一信号，直至全部信号处理完成。
9.如权利要求8所述的程控增益放大电路的信号控制方法，其特征在于：所述x取值为85-95，y取值为85-95，m取值为3-5，n取值为2-3。
10.如权利要求8所述的程控增益放大电路的信号控制方法，其特征在于：所述x取值为90，y取值为90，m取值为4，n取值为2。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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