《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于負(fù)反饋理論的信號調(diào)理電路設(shè)計
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
江潤東,,姚金杰,王 閩,王瑞瑞
中北大學(xué) 中北大學(xué)信息探測與處理山西省重點實驗室,山西 太原030051
摘要: 零中頻多普勒雷達(dá)的接收信號幅度通常會有較大的動態(tài)范圍,而這較大的動態(tài)范圍給信號采集帶來了不便,。針對這種接收信號具有較大動態(tài)范圍的情況,從負(fù)反饋思想的角度出發(fā),設(shè)計出了一個信號調(diào)理電路,,該電路包含了低噪聲放大模塊、自動增益控制模塊,、無二極管精密整流模塊和減法運算放大電路模塊,,實現(xiàn)了自動增益控制的功能。在經(jīng)過計算機軟件仿真之后制作硬件電路,,經(jīng)過調(diào)試電路功能達(dá)到要求,。
中圖分類號: TN722
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191004
中文引用格式: 江潤東,姚金杰,,王閩,,等. 基于負(fù)反饋理論的信號調(diào)理電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,46(1):119-122.
英文引用格式: Jiang Rundong,,Yao Jinjie,,Wang Min,et al. Signal conditioning circuit design based on negative feedback theory[J]. Application of Electronic Technique,,2020,,46(1):119-122.
Signal conditioning circuit design based on negative feedback theory
Jiang Rundong,Yao Jinjie,,Wang Min,,Wang Ruirui
Shanxi Key Laboratory of Signal Capturing & Process,North University of China,,Taiyuan 030051,,China
Abstract: The received signal amplitude of zero-IF Doppler radar usually has a large dynamic range, and this large dynamic range brings inconvenience to signal acquisition. In view of the large dynamic range of this received signal, this paper designs a signal conditioning circuit from the perspective of negative feedback, which includes low noise amplification module, automatic gain control module, non-diode precision rectifier module and subtraction amplifier circuit module; it realizes the function of automatic gain control. After the computer software is simulated, the hardware circuit is fabricated, and the function of the debugging circuit meets the requirements.
Key words : signal conditioning; negative feedback; auto gain control

0 引言

    在零中頻雷達(dá)接收系統(tǒng)中,回波信號與本振信號混頻之后得到中頻信號,。通常,,中頻信號的大小與回波信號的強弱有直接關(guān)系,回波信號強,,中頻信號的幅值就大,,回波小則中頻信號的幅值就小[1]。通常中頻信號會使用ADC進(jìn)行采集,,將模擬信號采集為數(shù)字信號,,再進(jìn)行數(shù)字信號處理[2]。對于多普勒測速雷達(dá)來說,,系統(tǒng)要求信號幅度應(yīng)盡量平穩(wěn),,處理起來就會精度變高,如果信號幅值變化不均勻,,有用信號太小的部分就會被視為噪聲處理[3-4],,從而對處理結(jié)果產(chǎn)生影響。本文從負(fù)反饋的角度出發(fā),,采用AD603進(jìn)行自動增益控制,,實現(xiàn)信號調(diào)理的功能。

1 負(fù)反饋

    反饋可分為負(fù)反饋和正反饋,。負(fù)反饋是系統(tǒng)的輸出通過某種方式對輸入產(chǎn)生作用,,使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)的誤差減小,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,;而正反饋則相反,,正反饋使輸出起到與輸入相似的作用,使系統(tǒng)偏差不斷增大,使系統(tǒng)振蕩,,可以放大控制作用,。在電路中,正反饋通常用于頻率的產(chǎn)生,;負(fù)反饋用于提高系統(tǒng)穩(wěn)定度,,拓寬放大器通頻帶。

    自動增益控制要求系統(tǒng)的增益能夠穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),,而負(fù)反饋能夠滿足該要求,。在自動增益控制系統(tǒng)中,如果使用壓控增益的放大器,,首先需要在使用過程中對該系統(tǒng)設(shè)置一個目標(biāo)點,,即目標(biāo)信號的輸出幅值。當(dāng)信號幅值大小超過目標(biāo)點就可以減小系統(tǒng)的放大倍數(shù),;反之,當(dāng)輸出信號幅值小于目標(biāo)信號幅值時則增加系統(tǒng)的放大倍數(shù),。這就是負(fù)反饋的思想,,負(fù)反饋是系統(tǒng)通過不斷地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)從而使輸出盡可能穩(wěn)定地保持在所設(shè)置的目標(biāo)值周圍。

    圖1為本設(shè)計所用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原理框圖,,信號輸入之后通過可變增益放大器進(jìn)行放大,,然后通過整流濾波之后得到一個直流信號,將直流信號再反饋到可變增益放大器的增益控制段,,實現(xiàn)負(fù)反饋,。

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2 電路設(shè)計

    電路設(shè)計分為精密全波整流、自動增益控制和反饋系統(tǒng)三個部分,,通過這三個部分實現(xiàn)對30 mV~4 V,,100 kHz~500 kHz小信號的調(diào)理。

2.1 精密全波整流

    整流即把交流信號變?yōu)閱蜗蛎}動信號,,如果能把微弱的交流信號轉(zhuǎn)換為單向脈動信號,,則稱為精密整流或精密檢波[2]。最常見的整流方式就是使用四個二極管組成的橋堆進(jìn)行全波整流,,如圖2所示,。

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    對于橋式整流,由于信號需要將二極管導(dǎo)通,,導(dǎo)通二極管需要以犧牲信號幅值為代價,,同時,二極管的使用會導(dǎo)致更多的噪聲引入,,由二極管的伏安方程可知:

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其中IS是二極管反向飽和電流,,VT是一個量綱為電壓的與溫度有關(guān)的物理量。

    由于二極管的非線性特性,在信號通過二極管后會有高次諧波的產(chǎn)生,,對后級信號處理會存在影響,;此外,二極管的導(dǎo)通壓降會使信號在幅值小于導(dǎo)通壓降時出現(xiàn)截斷的情況,,從而出現(xiàn)新的頻率成分,,對信號處理產(chǎn)生影響[5-6]

    因此,,選用無二極管的精密整流電路,。電路圖如圖3所示。

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    使用LMC6482進(jìn)行精密整流,,LMC6482是一款雙運放芯片,。圖3所示電路的原理是利用LMC6482單電源供電只能輸出正電平的原理,使用兩級運放,,前一級用作電壓跟隨器,,后一級作為運算放大器。前一級的輸出即為半波整流的結(jié)果,,當(dāng)信號輸入為正電平時,,前級輸出與輸入相同,當(dāng)信號輸入為負(fù)電平時輸出為0,。后一級用作加法器,,加法器的表達(dá)式如式(2)所示:

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其中U-與前級跟隨器的輸入相同,UO為后級輸出信號,,UP為前級跟隨器信號輸出,。整個無二極管精密整流電路的表達(dá)式如式(3)所示:

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    經(jīng)過仿真,無二極管精密整流電路能夠?qū)崿F(xiàn)電路功能,,且輸出信號不會有損耗,。

2.2 自動增益控制

    自動增益控制是整個信號調(diào)理電路中最重要的一環(huán),特別是對于信號變化范圍較大的信號,。幅度較小的信號不太方便采集,,所以需要對信號進(jìn)行放大,將信號放大到合適的幅值再進(jìn)行采樣,。而幅值較大的信號則需要將信號衰減到合適的幅值之后再進(jìn)行采集,。對于本設(shè)計,需要采集的信號從30 mV到5 V不等,,而現(xiàn)在的AD采集芯片通常能夠采集的電源為3.3 V,。在設(shè)計中,將目標(biāo)放大電平確定為3 V,。

    增益的改變通常使用可變增益的運放對增益進(jìn)行調(diào)節(jié),,可變增益放大器通常分為電壓控制可變增益運算放大器、程控可變增益運算放大器以及有具體擋位的運算放大器。本設(shè)計選用AD603作為壓控可變增益運算放大器,,這是一款低噪聲線性分貝增益運算放大器,。芯片內(nèi)部功能可分為兩部分,第一部分是壓控衰減部分,,第二級是固定增益放大部分,。壓控衰減部分先根據(jù)控制電壓將信號進(jìn)行相應(yīng)衰減再將信號傳至第二級進(jìn)行放大。其增益通過芯片的1,、2管腳進(jìn)行控制,,電壓控制電平為-1.2 V至2 V,其中,,在-0.5 V至0.5 V之間具有良好的線性性質(zhì),。在90 MHz帶寬下,外接反饋電阻為0時,,運放可提供增益-11 dB,,在反饋電阻為無窮大時,增益為31 dB,;在9 MHz帶寬下,,增益為9 dB~51 dB[7]

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2.3 反饋系統(tǒng)

    理想情況下AD603的輸出為峰值為3 V的信號,,經(jīng)過全波整流之后,信號全部變成幅值為正的信號,。

    全波整流后,,使用電容對信號進(jìn)行濾波,整流得到的信號為一個有紋波的直流信號,,通常情況下,,電容的容值越大,電容充放電速度越慢,,紋波也就越小,。經(jīng)過濾波后的信號被送至反相比例運算放大電路,如圖5所示,。

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    參數(shù)設(shè)置可根據(jù)實際電路進(jìn)行修改,。反相比例運算放大電路的表達(dá)式為:

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    UO與AD603的1腳相連,即增益控制段的同相輸入端,。至此,,硬件電路的設(shè)計完成。

3 仿真與調(diào)試

3.1 仿真

    在Multisim14中,,對電路運行仿真,,得到結(jié)果如圖6所示。圖6為系統(tǒng)輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系,可以看到,,從30 mV開始,,輸出電壓就能達(dá)到2.7 V以上。

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    圖7可知,,從輸入電壓1.4 V開始,,輸出信號就開始出現(xiàn)失真,從諧波抑制的角度來看,,1.2 V之后,,諧波抑制大大下降,如圖7所示,,意味著二次諧波的功率上升,,信號出現(xiàn)失真的情況。所以還需對電路參數(shù)進(jìn)行修改,。

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    通過在AD603信號輸入端加上衰減網(wǎng)絡(luò)之后以及對反饋電阻和反相比例運算放大器的斜率,、截距、零點等參數(shù)的修改,,通過變換電阻值的方法,,找到最適合本設(shè)計的元件參數(shù),信號調(diào)理能夠使輸出信號既不失真,,又能不會太小,,從而方便后級ADC的采集。

3.2 實物調(diào)試

    利用Altium Designer軟件設(shè)計電路,,并做得實物,。實物圖如圖8所示。

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    最初進(jìn)行測試時,,如果按照之前仿真的電路參數(shù)進(jìn)行測試,,電路將達(dá)不到要求,電路實際參數(shù)調(diào)節(jié)根據(jù)輸出信號與輸入信號的關(guān)系來進(jìn)行判斷,,然后主要調(diào)節(jié)反相比例運算放大器的斜率以及截距,,使電路達(dá)到要求。

    測試環(huán)境如圖9所示,,使用信號發(fā)生器作為調(diào)理的輸入信號,,直流電源為電路提供電壓±5 V,示波器用于觀察輸入輸出信號波形以及AD603的增益控制電壓波形,。

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    使用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個調(diào)幅信號作為電路的輸入,,使用三角波作為調(diào)制信號,調(diào)制深度100%,,調(diào)制頻率10 Hz,;正弦波作為載波信號,,載波信號幅值約為8 V峰峰值,頻率為500 kHz,。輸入和輸出波形如圖10所示,,圖中面包狀信號為輸出信號,對應(yīng)右邊的縱軸,,菱形信號為輸入信號,,對應(yīng)左邊的縱軸。從圖中可以看出,,輸出信號的包絡(luò)與輸入信號并不一致,,放大倍數(shù)是非線性的。相對于輸入信號,,輸出信號上升迅速,,當(dāng)上升到某一個值之后信號幅值變化變得緩慢,實現(xiàn)了自動增益控制的功能,。此外,,從圖中可以看出,在輸入小信號幅值緩慢上升時,,輸出信號被迅速放大,。實際測試結(jié)果如圖9所示。經(jīng)過測試,,自動增益控制系統(tǒng)的輸出信號峰值從0 V上升到1 V所用的時間僅需要1.12 ms,。

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    最后對最大幅值處的信號進(jìn)行測試,經(jīng)過測量,,在輸入峰峰值為8 V的信號時,,輸出最大峰峰值為5.09 V,而且沒有出現(xiàn)失真的情況,,如圖11所示。

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4 結(jié)論

    本文根據(jù)負(fù)反饋的思想,,設(shè)計出一個信號調(diào)理電路,,設(shè)計完成之后,使用計算機仿真軟件Multism14對電路進(jìn)行設(shè)計仿真,,然后使用Altium Designer繪制出PCB版圖,,經(jīng)過加工和焊接得到實物。最終經(jīng)過調(diào)試,,電路的實際參數(shù)與仿真仍然有一定出入,。對仿真經(jīng)過實際調(diào)試,電路的功能達(dá)到預(yù)期,,能夠?qū)崿F(xiàn)信號的自動增益控制,。

    本設(shè)計不足的地方在于增益調(diào)節(jié)所需時間較長,,從開始到輸出穩(wěn)定幅值的信號需要約2 ms,對于一些應(yīng)用來說該穩(wěn)定時間較長,。例如,,對于彈目交會這樣的場景來說,交會時間非常短,,通常也就幾毫秒,,在這幾毫秒中,信號將從非常微弱到非常大,,使用本設(shè)計的電路可能會因為增益調(diào)節(jié)所需時間較長造成最終信號的失真,。下一步將考慮使用單片機檢波后使用DAC來控制AD603的放大倍數(shù)這樣的話響應(yīng)時間應(yīng)該會相對短一點[8],而且應(yīng)該能實現(xiàn)更加精確的放大倍數(shù)控制,。

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作者信息:

江潤東,,姚金杰,,王  閩,王瑞瑞

(中北大學(xué) 中北大學(xué)信息探測與處理山西省重點實驗室,,山西 太原030051)

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