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　　本文采用微處理器MSP430F149控制帶8位易失性存儲器的四路SPI數(shù)字電位器MCP4351組成三級級聯(lián)放大電路，實現(xiàn)了對微波檢波信號放大增益的自動控制。此方法工作效率高，適合寬動態(tài)范圍的增益控制。下邊分別從硬件電路設計、軟件設計思路及總體實現(xiàn)方法等方面進行分析。

　　1 增益自動控制系統(tǒng)框架設計

　　智能微波開關(guān)接收部分對接收到的微波檢波器輸出信號進行前置固定增益(增益約為1)放大以及濾波以后，通過三級程控放大電路放大，將信號幅值放大到要求的范圍，再由后續(xù)電路進行解調(diào)和處理。放大器級聯(lián)模型如圖1所示。

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　　為了適應寬動態(tài)范圍的應用，放大器的增益控制必須足夠的靈活。當輸入幅值特別小的時候，放大電路要能夠?qū)⑿》敌盘柗糯蟮揭蟮姆秶鷥?nèi);當輸入幅值特別大的時候，放大電路還應該能夠?qū)⒋蠓敌盘枆嚎s。因此，第一級放大電路的設計最關(guān)鍵，要求對信號既可以放大也可以壓縮。而第二級和第三級放大電路僅具有放大能力就可以滿足實際應用要求。

　　2 增益自動控制電路硬件設計

　　根據(jù)寬動態(tài)范圍檢波器輸出信號的特點(輸出信號約為500μV～2.75 V)，本文設計的第一級程控增益放大電路要適應如此寬動態(tài)范圍信號的放大，同時又能夠濾除噪聲，故采用集成運放、程控數(shù)字電位器和電容組成了反相輸入的一階低通濾波電路，同時還具有增益調(diào)節(jié)功能，微處理器可以通過程序控制此電路的增益。所設計的第一級程控增益放大部分的電路原理圖如圖2所示(其中中R11和R12為程控數(shù)字電位器R1)。

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　　對圖1進行分析，可以得到第一級程控放大電路的輸出電壓為：

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　　在實際電路中，選用的集成放大器為LM6154，它是四路高速低功耗集成運放。選用的數(shù)字電位器為MCP4351，它是帶易失性存儲器的8位四路數(shù)字電位器。其電阻調(diào)節(jié)的步長為：

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　　式中：N1為0～256之間的十進制整數(shù);Rw為電位器抽頭阻值(75 Ω)。

　　經(jīng)過計算可知：

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　　通過以上分析可以看出，第一級程控增益放大部分不僅可以將信號幅值放大也可以將信號幅值壓縮，使得微波信號幅值始終保持在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。因此需要對程控增益進行設計和控制。

　　另外，由于R10非常小，且接近于Rw，所以當剛上電時，N1取128(相當于抽頭在中點)，近似有g(shù)1=1。

　　第二級程控增益放大部分的電路原理圖如圖3所示(其中R21和R22為程控數(shù)字電位器R2)。

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　　由圖2可以得到第二級程控放大電路的輸出電壓為：

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　　由于第三級放大電路與第二級放大電路的電路形式相同，故第三級程控放大電路增益為：

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　　根據(jù)所選數(shù)字電位器MCP4351的參數(shù)，結(jié)合電路的形式，在保證信號不失真的情況下，可以得出程控放大電路各級輸出電壓范圍為：

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　　在如此寬的動態(tài)范圍內(nèi)，如何分配各級增益才能使整個放大電路的輸出信號幅值達到最佳值?在實驗中，先后采用了兩種方法分配各級增益。

　　第一種方法是三級增益同步調(diào)節(jié)(同大同小)，由于各級輸出電壓的限制，導致增益可調(diào)范圍變窄。如果同時調(diào)的過大，則總增益過大，從而將造成信號幅值太大引起失真;如果調(diào)的太小，總增益就變得很小，造成信號難以被檢測出來。

　　第二種方法是將第一級增益與后兩級增益分開調(diào)節(jié)。由于第一級增益的變化范圍大，既可以將微波檢波信號放大又可以將其壓縮，所以第一級放大電路在整個三級放大電路中起到關(guān)鍵作用。第二級和第三級電路形式完全相同，這兩級放大電路只能將信號幅值放大。因此，在總增益不變的情況下，先調(diào)節(jié)第二級和第三級增益，當這兩級增益確定后，再根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一級增益。

　　第二級和第三級放大電路的增益公式相同，為了提高調(diào)節(jié)效率，將第二級和第三級增益進行同步調(diào)節(jié)，即g3=g2。故總增益為：

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　　因此，只要先確定出g2，就可以很方便地得到g1的值。這種方法有效地解決了第一種方法中存在增益調(diào)節(jié)范圍小的缺點。

　　各級增益計算步驟為：

　　(1)將總增益G線性等分成4 096級(靈敏度A/D采樣位數(shù)為12位);

　　(2)再根據(jù)式(13)和式(14)所確定的各級增益范圍，對應每級的G確定出每級g2的值，并根據(jù)式(9)確定出第二、三級放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N2和N3;

　　(3)g2確定后，根據(jù)式(16)即可得出每級g1的值，進而根據(jù)式(4)計算出第一級放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N1。

　　3 增益自動控制軟件設計

　　制作軟件時，將計算好的各級放大器對應的比例值N21，N2和N3做成表存入處理器MSP430F149中，以備調(diào)節(jié)時由處理程序查找。系統(tǒng)工作時，通過調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕控制總增益G，當靈敏度旋鈕被調(diào)到一個值后，MSP430F149讀取靈敏度值得出對應的總增益值，通過查表方式得到各級數(shù)字電位器放大比例值N1，N2和N3，并將其輸出給MCP4351的各存儲器，MCP4351再按照存儲器中N1，N2和N3的值調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，改變反饋電阻阻值，從而實現(xiàn)增益調(diào)控。

　　4 結(jié)論

　　本文設計的三級級聯(lián)放大電路應用于智能微波開關(guān)接收部分的增益控制電路，實現(xiàn)了對微波解調(diào)信號增益的動態(tài)控制。在多級增益分配過程中，局部增益線性分配，其余按照約束方程計算，并形成增益分配表，供CPU查表控制增益。在增益自動控制的放大電路中，硬件電路實現(xiàn)簡便;適用于1～37 234寬動態(tài)范圍增益的調(diào)節(jié);又由于增益的調(diào)節(jié)是CPU通過查表方式完成的，節(jié)省了系統(tǒng)計算時間，降低了編程難度，整個系統(tǒng)工作效率高。實際應用中能夠滿足工業(yè)要求，并取得了理想的效果。