0 引言

    在零中頻雷達(dá)接收系統(tǒng)中，回波信號(hào)與本振信號(hào)混頻之后得到中頻信號(hào)。通常，中頻信號(hào)的大小與回波信號(hào)的強(qiáng)弱有直接關(guān)系，回波信號(hào)強(qiáng)，中頻信號(hào)的幅值就大，回波小則中頻信號(hào)的幅值就小^[1]。通常中頻信號(hào)會(huì)使用ADC進(jìn)行采集，將模擬信號(hào)采集為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理^[2]。對(duì)于多普勒測(cè)速雷達(dá)來說，系統(tǒng)要求信號(hào)幅度應(yīng)盡量平穩(wěn)，處理起來就會(huì)精度變高，如果信號(hào)幅值變化不均勻，有用信號(hào)太小的部分就會(huì)被視為噪聲處理^[3-4]，從而對(duì)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(dòng)增益控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)該系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，即目標(biāo)信號(hào)的輸出幅值。當(dāng)信號(hào)幅值大小超過目標(biāo)點(diǎn)就可以減小系統(tǒng)的放大倍數(shù)；反之，當(dāng)輸出信號(hào)幅值小于目標(biāo)信號(hào)幅值時(shí)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(jì)所用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原理框圖，信號(hào)輸入之后通過可變?cè)鲆娣糯笃鬟M(jìn)行放大，然后通過整流濾波之后得到一個(gè)直流信號(hào)，將直流信號(hào)再反饋到可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆婵刂贫危瑢?shí)現(xiàn)負(fù)反饋。

2 電路設(shè)計(jì)

    電路設(shè)計(jì)分為精密全波整流、自動(dòng)增益控制和反饋系統(tǒng)三個(gè)部分，通過這三個(gè)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)30 mV～4 V，100 kHz～500 kHz小信號(hào)的調(diào)理。

2.1 精密全波整流

    整流即把交流信號(hào)變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)信號(hào)，如果能把微弱的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)信號(hào)，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(gè)二極管組成的橋堆進(jìn)行全波整流，如圖2所示。

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

其中I_S是二極管反向飽和電流，V_T是一個(gè)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(hào)通過二極管后會(huì)有高次諧波的產(chǎn)生，對(duì)后級(jí)信號(hào)處理會(huì)存在影響；此外，二極管的導(dǎo)通壓降會(huì)使信號(hào)在幅值小于導(dǎo)通壓降時(shí)出現(xiàn)截?cái)嗟那闆r，從而出現(xiàn)新的頻率成分，對(duì)信號(hào)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。

    使用LMC6482進(jìn)行精密整流，LMC6482是一款雙運(yùn)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(jí)運(yùn)放，前一級(jí)用作電壓跟隨器，后一級(jí)作為運(yùn)算放大器。前一級(jí)的輸出即為半波整流的結(jié)果，當(dāng)信號(hào)輸入為正電平時(shí)，前級(jí)輸出與輸入相同，當(dāng)信號(hào)輸入為負(fù)電平時(shí)輸出為0。后一級(jí)用作加法器，加法器的表達(dá)式如式(2)所示：

其中U_-與前級(jí)跟隨器的輸入相同，U_O為后級(jí)輸出信號(hào)，U_P為前級(jí)跟隨器信號(hào)輸出。整個(gè)無二極管精密整流電路的表達(dá)式如式(3)所示：

    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(hào)不會(huì)有損耗。

2.2 自動(dòng)增益控制

    自動(dòng)增益控制是整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路中最重要的一環(huán)，特別是對(duì)于信號(hào)變化范圍較大的信號(hào)。幅度較小的信號(hào)不太方便采集，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，將信號(hào)放大到合適的幅值再進(jìn)行采樣。而幅值較大的信號(hào)則需要將信號(hào)衰減到合適的幅值之后再進(jìn)行采集。對(duì)于本設(shè)計(jì)，需要采集的信號(hào)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(jì)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?cè)鲆娴倪\(yùn)放對(duì)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，可變?cè)鲆娣糯笃魍ǔ７譃殡妷嚎刂瓶勺冊(cè)鲆孢\(yùn)算放大器、程控可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器以及有具體擋位的運(yùn)算放大器。本設(shè)計(jì)選用AD603作為壓控可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器，這是一款低噪聲線性分貝增益運(yùn)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(jí)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(hào)進(jìn)行相應(yīng)衰減再將信號(hào)傳至第二級(jí)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(shí)，運(yùn)放可提供增益-11 dB，在反饋電阻為無窮大時(shí)，增益為31 dB；在9 MHz帶寬下，增益為9 dB～51 dB^[7]。

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(hào)，經(jīng)過全波整流之后，信號(hào)全部變成幅值為正的信號(hào)。

    全波整流后，使用電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，整流得到的信號(hào)為一個(gè)有紋波的直流信號(hào)，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(hào)被送至反相比例運(yùn)算放大電路，如圖5所示。

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

    U_O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(jì)完成。

3 仿真與調(diào)試

3.1 仿真

    在Multisim14中，對(duì)電路運(yùn)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。

    圖7可知，從輸入電壓1.4 V開始，輸出信號(hào)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(hào)出現(xiàn)失真的情況。所以還需對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行修改。

    通過在AD603信號(hào)輸入端加上衰減網(wǎng)絡(luò)之后以及對(duì)反饋電阻和反相比例運(yùn)算放大器的斜率、截距、零點(diǎn)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(jì)的元件參數(shù)，信號(hào)調(diào)理能夠使輸出信號(hào)既不失真，又能不會(huì)太小，從而方便后級(jí)ADC的采集。

3.2 實(shí)物調(diào)試

    利用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)電路，并做得實(shí)物。實(shí)物圖如圖8所示。

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

    測(cè)試環(huán)境如圖9所示，使用信號(hào)發(fā)生器作為調(diào)理的輸入信號(hào)，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(hào)波形以及AD603的增益控制電壓波形。

    使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)調(diào)幅信號(hào)作為電路的輸入，使用三角波作為調(diào)制信號(hào)，調(diào)制深度100%，調(diào)制頻率10 Hz；正弦波作為載波信號(hào)，載波信號(hào)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(hào)為輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)右邊的縱軸，菱形信號(hào)為輸入信號(hào)，對(duì)應(yīng)左邊的縱軸。從圖中可以看出，輸出信號(hào)的包絡(luò)與輸入信號(hào)并不一致，放大倍數(shù)是非線性的。相對(duì)于輸入信號(hào)，輸出信號(hào)上升迅速，當(dāng)上升到某一個(gè)值之后信號(hào)幅值變化變得緩慢，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增益控制的功能。此外，從圖中可以看出，在輸入小信號(hào)幅值緩慢上升時(shí)，輸出信號(hào)被迅速放大。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖9所示。經(jīng)過測(cè)試，自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)峰值從0 V上升到1 V所用的時(shí)間僅需要1.12 ms。

    最后對(duì)最大幅值處的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過測(cè)量，在輸入峰峰值為8 V的信號(hào)時(shí)，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。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)負(fù)反饋的思想，設(shè)計(jì)出一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，設(shè)計(jì)完成之后，使用計(jì)算機(jī)仿真軟件Multism14對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)物。最終經(jīng)過調(diào)試，電路的實(shí)際參數(shù)與仿真仍然有一定出入。對(duì)仿真經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，電路的功能達(dá)到預(yù)期，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)增益控制。

    本設(shè)計(jì)不足的地方在于增益調(diào)節(jié)所需時(shí)間較長(zhǎng)，從開始到輸出穩(wěn)定幅值的信號(hào)需要約2 ms，對(duì)于一些應(yīng)用來說該穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。例如，對(duì)于彈目交會(huì)這樣的場(chǎng)景來說，交會(huì)時(shí)間非常短，通常也就幾毫秒，在這幾毫秒中，信號(hào)將從非常微弱到非常大，使用本設(shè)計(jì)的電路可能會(huì)因?yàn)樵鲆嬲{(diào)節(jié)所需時(shí)間較長(zhǎng)造成最終信號(hào)的失真。下一步將考慮使用單片機(jī)檢波后使用DAC來控制AD603的放大倍數(shù)這樣的話響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該會(huì)相對(duì)短一點(diǎn)[8]，而且應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)更加精確的放大倍數(shù)控制。

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作者信息:

江潤(rùn)東，姚金杰，王  閩，王瑞瑞

(中北大學(xué) 中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)