一種單電源供電數(shù)字自動增益控制方法

我們經(jīng)常看到很多非常經(jīng)典的運算放大器應用圖集，但是這些應用都建立在雙電源的基礎上，很多時候，電路的設計者必須用單電源供電，但是他們不知道該如何將雙電源的電路轉(zhuǎn)換成單電源電路。在設計單電源電路時需要比雙電源電路更加小心，設計者必須要完全理解這篇文章中所述的內(nèi)容。

所有的運算放大器都有兩個電源引腳，一般在資料中，它們的標識是VCC+和VCC-，但是有些時候它們的標識是VCC+和GND。這是因為有些數(shù)據(jù)手冊的作者企圖將這種標識的差異作為單電源運放和雙電源運放的區(qū)別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用――他們可能可以工作在其他的電壓下。在運放不是按默認電壓供電的時候，需要參考運放的數(shù)據(jù)手冊，特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動說明。

絕大多數(shù)的模擬電路設計者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運算放大器，比如圖一左邊的那個電路，一個雙電源是由一個正電源和一個相等電壓的負電源組成。一般是正負15V，正負12V和正負5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負電壓的擺動幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。

單電源供電的電路(圖一中右)運放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC+，地或者VCC-引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運放的輸入引腳上，這時運放的輸出電壓也是該虛地電壓，運放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內(nèi)。

有一些新的運放有兩個不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運放的數(shù)據(jù)手冊中會特別分別指明Voh 和Vol 。需要特別注意的是有不少的設計者會很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設計者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。

在儀器儀表設備的電子電路中，尤其是用于傳感器信號采集的電路中，通常都設置有采用正負電源供電，用來調(diào)整輸入信號增益的自動增益控制(automaticgaincontrol，以下簡稱“agc”)放大電路。

目前，由于絕大部分傳感器輸出為雙極性交流模擬信號，且輸出信號幅度小，動態(tài)范圍寬。只有采用雙電源供電的自動增益控制放大電路，才可以為后端數(shù)據(jù)采集模塊提供滿足其輸入范圍要求且完整的傳感器信號，才可以實現(xiàn)對模擬物理量的數(shù)字化處理。

上述采用雙電源供電的自動增益控制放大電路，在系統(tǒng)其他電路無負電源需求時，還要單獨為該電路配置負電源電路，導致系統(tǒng)的電源電路復雜、硬件成本增高、可靠性降低。同時，由于負電源變換電路的效率一般都低于正電源變換電路，因此增加的負電源電路還會導致電路功耗增加，在電池供電的設備中功耗體現(xiàn)尤為明顯。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路及其控制方法，解決雙電源供電自動增益放大電路帶來的系統(tǒng)復雜、功耗增大、硬件成本增高、系統(tǒng)可靠性降低等缺點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路，包括自動增益控制電路，與所述自動增益控制電路連接的程控增益放大電路、dac放大電路，所述程控增益放大電路的同向輸入端與直流偏置電路連接，所述程控增益放大電路的反向輸入端通過電容接地;所述程控增益放大電路的輸出端連接至dac放大電路的輸入端，所述dac放大電路的輸出端連接至自動增益控制電路的adc采樣電路的輸入端，所述adc采樣電路集成于mcu的內(nèi)部。

進一步，所述mcu的spi接口與程控增益放大電路的spi接口相連，用于控制程控增益放大電路的增益;所述mcu通過gpio與dac放大電路的讀寫控制端口和數(shù)據(jù)端口相連，用于控制dac放大電路的增益，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

進一步，所述自動增益控制電路包括集成adc功能的mcu電路、電源電路及時鐘電路，其中電源電路采用單電源供電，輸入信號必須為交流信號，兩級放大電路增益只對輸入交流信號有效，對直流偏置電路提供的偏置電壓無增益效果。

進一步，所述電源電路分別與直流偏置電路、程控增益放大電路、dac放大電路及自動增益控制電路的正電源相連，所述直流偏置電路、程控增益放大電路、dac放大電路及自動增益控制電路的負電源接地。

進一步，所述直流偏置電路由電阻、電容和并聯(lián)型電壓基準組成，被測信號由電容一端輸入，在電容另一端通過電阻連接至并聯(lián)型電壓基準，對被測信號進行直流加偏后輸出到程控增益放大電路。

進一步，所述程控增益放大電路包括八級增益，分別為1、2、5、10、20、50、100和200倍。

進一步，所述dac放大電路的數(shù)量為多個。

進一步，所述dac放大電路由電流輸出型dac和運算放大器構(gòu)成同向放大電路;其中，

所述程控增益放大電路的輸出信號由運算放大器的同向端輸入dac放大電路，所述運算放大器的反向輸入端連接至電流輸出型dac的電流輸出端iout1;

所述運算放大器的輸出端連接電流輸出型dac的參考輸入端vref作為dac放大電路的輸出，連接至adc采樣電路的輸入端;

所述電流輸出型dac的反饋電阻rfb引腳通過電容接地，所述電流輸出型dac的并行數(shù)字端口連接至mcu的gpio。

進一步，所述電流輸出型dac由倒t型r-2r電阻網(wǎng)絡構(gòu)成。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路的控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1、adc采樣電路實時采集、量化dac放大電路的輸出信號，mcu通過內(nèi)部apb總線訪問adc采樣電路，獲取adc采樣電路的量化值;

步驟2、所述mcu對adc采樣電路采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過峰值檢測算法獲得當前dac放大電路輸出信號的峰值;

步驟3、將所述峰值與設定的期望峰值比較，并計算當前峰值與期望峰值的比例關系，獲得當前增益狀態(tài)下各放大電路需要調(diào)整的增益倍數(shù);

步驟4、所述mcu通過spi接口優(yōu)先調(diào)節(jié)程控增益放大電路的增益，當程控增益放大電路的增益無法滿足當前需要的設定值時，再通過gpio調(diào)整dac放大電路的輸出值，完成對電路增益的調(diào)整。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的技術方案包括以下有益效果：通過采用單電源供電及直流偏置電路的設計，直流偏置電路通過對前級交流信號的直流成分隔離，為后級電路提供合適的直流偏置，且程控增益放大電路及dac放大電路這兩級放大電路只對輸入的交流信號進行放大，對偏置電路提供的偏置電壓并沒有增益效果;同時，將adc采樣電路集成于mcu的內(nèi)部，在保證各自功能正常的同時，實現(xiàn)了電路結(jié)構(gòu)的簡化;該自動增益控制放大電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低的優(yōu)點，解決了雙電源供電自動增益放大電路帶來的系統(tǒng)復雜、功耗增大、硬件成本增高、系統(tǒng)可靠性降低等缺點。

此外，mcu的spi接口與程控增益放大電路的spi接口相連，用于控制程控增益放大電路增益;mcu通過gpio與dac放大電路的讀寫控制端口和數(shù)據(jù)端口相連，用于控制dac放大電路增益，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為本發(fā)明提供的直流偏置電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為本發(fā)明提供的程控增益放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖4為本發(fā)明提供的dac放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖5為本發(fā)明提供的dac放大電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖;

圖6為本發(fā)明提供的dac放大電路的數(shù)字量與放大倍數(shù)關系曲線圖。

其中：1為自動增益控制電路;2為程控增益放大電路;3為dac放大電路;4為直流偏置電路;5為adc采樣電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋，并不用以限制本發(fā)明。

實施例：

參見圖1所示，本發(fā)明提供了一種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路，包括自動增益控制電路1，與自動增益控制電路1連接的程控增益放大電路2、dac放大電路3，程控增益放大電路2的同向輸入端與直流偏置電路4連接，程控增益放大電路2的反向輸入端通過電容接地;程控增益放大電路2的輸出端連接至dac放大電路3的輸入端，dac放大電路3的輸出端連接至自動增益控制電路1的adc采樣電路5的輸入端，adc采樣電路5集成于mcu的內(nèi)部。

進一步地，mcu的spi接口與程控增益放大電路2的spi接口相連，用于控制程控增益放大電路的增益;mcu通過gpio口與dac放大電路3的讀寫控制端口和數(shù)據(jù)端口相連，用于控制dac放大電路的增益，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

進一步地，自動增益控制電路1包括集成adc功能的mcu電路、電源電路及時鐘電路，其中電源電路采用單電源供電，輸入信號必須為交流信號，兩級放大電路增益只對輸入交流信號有效，對直流偏置電路4提供的偏置電壓無增益效果。

進一步地，電源電路分別與直流偏置電路4、程控增益放大電路2、dac放大電路3及自動增益控制電路1的正電源(vdd端)相連，直流偏置電路4、程控增益放大電路2、dac放大電路3及自動增益控制電路1的負電源(vee端)接地(gnd)。

進一步地，參見圖2，直流偏置電路4由電阻、電容和并聯(lián)型電壓基準組成，被測信號由電容一端輸入，在電容另一端通過電阻連接至并聯(lián)型電壓基準，對被測信號進行直流加偏后輸出到程控增益放大電路。其中，直流偏置電路4的輸出偏置電壓可根據(jù)adc采樣電路的輸入范圍調(diào)整，一般設置為adc采樣電路輸入范圍的二分之一。

進一步地，參見圖3，程控增益放大電路2支持spi編程接口，并包括八個增益等級，分別為1、2、5、10、20、50、100和200倍，通過spi操作內(nèi)部寄存器實現(xiàn)增益切換。程控增益放大電路2采用同向放大模式，同向端連接直流偏置電路4，反向端通過電容連接至信號地，形成交流通路，實現(xiàn)對交流信號的放大功能;電容隔離直流信號，從而使放大電路無法形成直流通路，對直流信號失去放大作用。程控增益放大電路2的輸出端連接dac放大電路的輸入端，spi接口連接mcu的spi接口，mcu通過spi接口控制程控增益放大電路的增益。

進一步地，dac放大電路3的數(shù)量為多個，在現(xiàn)有兩級放大的基礎上，還可以再次增加dac放大電路3，實現(xiàn)對交流信號的多級放大。

進一步地，參見圖4所示，dac放大電路3由電流輸出型dac和運算放大器構(gòu)成同向放大電路;其中，

程控增益放大電路2的輸出信號由運算放大器的同向端輸入dac放大電路3，運算放大器的反向輸入端連接至電流輸出型dac的電流輸出端iout1;

運算放大器的輸出端連接電流輸出型dac的參考輸入端vref作為dac放大電路3的輸出，連接至adc采樣電路5的輸入端;

電流型dac的iout2端連接直流偏置電路4，輸入與運算放大器同等的直流偏置電壓;

電流輸出型dac的反饋電阻rfb引腳通過電容接地，電流輸出型dac的并行數(shù)字端口連接至mcu的gpio，mcu通過gpio控制dac放大電路3的輸出電流，從而控制dac放大電路的增益。

進一步地，參見圖5所示，電流輸出型dac由倒t型r-2r電阻網(wǎng)絡構(gòu)成，利用dac內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)不同增益的放大倍數(shù)，dac的分辨率越高，則dac放大電路3的增益調(diào)整范圍越寬、增益調(diào)整精細程度越高。其中，dac放大電路3的放大倍數(shù)計算公式如下：

式(1)中，g為dac放大電路3的放大倍數(shù)、n為dac的分辨率、code為dac的設置值。以12位分辨率的dac為例，dac放大電路3的增益調(diào)整范圍可達1～212，而且code每改變一個數(shù)，dac放大電路的增益就會發(fā)生變化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)增益的精細調(diào)節(jié)。其中，dac放大電路3的數(shù)字量與放大倍數(shù)關系曲線圖參見圖6所示。

進一步地，程控增益放大電路2和dac放大電路3采用級聯(lián)方式，程控增益放大電路2實現(xiàn)增益粗調(diào)，dac放大電路3實現(xiàn)增益細調(diào)，級聯(lián)后可實現(xiàn)電路增益高動態(tài)、小步進調(diào)節(jié)，從而保證輸出信號幅度平穩(wěn)。兩級放大電路級聯(lián)后的增益為：

gp=g1*g2(2)

式(2)中，gp為電路總增益，g1為程控增益放大電路增益，g2為dac放大電路增益。

依照上述方案，采用單電源供電一級程控增益放大電路2與二級dac放大電路3，采用mcu集成adc的增益控制方法，可使自動增益控制電路的功耗與成本大大降低，同時使得電路的復雜度與pcb板面積消耗明顯降低。例如：一級程控增益放大器選用ti公司的pga113，二級dac放大電路3選用ti公司的opa2325與adi公司的ad5445組合實現(xiàn)，自動增益控制電路1選用st公司集成12位分辨率adc的mcu(型號stm32l151)實現(xiàn)，直流偏置電路4使用ti公司的ref3312與外圍電阻、電容器件實現(xiàn)的情況下，電路總體功耗與硬件成本以及占用pcb板面積試驗數(shù)據(jù)如下：整個電路的功耗為43.8768mw，器件成本較低，占用pcb板的面積約為20mm*40mm。

上述試驗中，如果改用傳統(tǒng)的雙電源電路和外部adc采集器件，則增加的負電源電路(如選max660，約rmb17.29)和外部adc(ad7170bcpz，約rmb19.42)器件，可使電路成本增加80%，占用pcb板面積增加30%，電路功耗增加35%以上。

綜上，本發(fā)明提供的這種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路，dac放大電路3的輸出連接至自動增益控制電路1，自動增益控制電路1主要包括集成adc功能的mcu(單片機)及其外圍電源和時鐘電路。其中，dac放大電路3的輸出信號通過mcu內(nèi)部dac量化后供mcu內(nèi)部自動增益控制算法使用，自動增益算法依據(jù)當前采集的信號幅度與期望信號幅度值比較，計算出需要調(diào)整的增益倍數(shù)，通過spi接口和gpio接口分別將增益分配至一級程控增益放大電路2和二級dac放大電路3，從而實現(xiàn)增益閉環(huán)控制，且整個電路的成本減少、功耗降低、結(jié)構(gòu)簡單。

此外，本發(fā)明還提供了一種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路的控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1、adc采樣電路5實時采集并量化dac放大電路3的輸出信號，mcu通過內(nèi)部apb總線訪問adc采樣電路5，獲取adc采樣電路5的量化值;

步驟2、mcu對adc采樣電路5采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過峰值檢測算法獲得當前dac放大電路3輸出信號的峰值;

步驟3、將峰值與設定的期望峰值比較，并計算當前峰值與期望峰值的比例關系，獲得當前增益狀態(tài)下各放大電路需要調(diào)整的增益倍數(shù);

步驟4、mcu通過spi接口優(yōu)先調(diào)節(jié)程控增益放大電路2的增益，當程控增益放大電路2的增益無法滿足當前需要的設定值時，再通過gpio調(diào)整dac放大電路3的輸出值，完成對電路增益的調(diào)整。

該方法控制實際應用如下：mcu設定期望輸入adc采樣電路5的信號峰值為2v，adc采樣電路5采集的當前信號峰值1.5v，兩級放大電路需要調(diào)整的增益倍數(shù)為2v除以1.5v，約為1.333倍。mcu依據(jù)優(yōu)先選擇調(diào)節(jié)程控增益放大電路2的原則，將需要調(diào)整的增益倍數(shù)分配到程控增益放大電路2，而程控增益放大電路的增益倍數(shù)為1、2、5、10、20、50、100、200，在當前增益基礎上，增益調(diào)節(jié)的步進為2或2.5，不滿足需要調(diào)節(jié)的1.333倍的步進要求，mcu進而選擇調(diào)節(jié)dac放大電路3的增益，dac放大電路3的增益調(diào)節(jié)計算公式為：

假設dac的數(shù)據(jù)位寬為12bit，當前設置值為2000，為實現(xiàn)1.333倍增益調(diào)整，需要調(diào)整dac的設置值n_code計算如下：

n_code=2000/1.333

計算值取整，即需要將dac的設置值調(diào)整為1504。調(diào)整后dac放大電路的輸出信號峰值將變?yōu)?v。

綜上，這種單電源供電數(shù)字自動增益控制放大電路的控制方法，通過mcu的spi接口和gpio接口分別將增益分配至一級程控增益放大電路2和二級dac放大電路3，從而實現(xiàn)增益閉環(huán)控制。

以上所述僅是本發(fā)明的具體實施方式，使本領域技術人員能夠理解或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。