微波檢波信號增益自動(dòng)控制方法研究與實(shí)現

摘要：在智能微波開(kāi)關(guān)信號解調電路中采用了三級程控放大電路，各級放大電路的增益由多路SPI數字電位器MCP4351控制。測量電路對靈敏度調節電位器輸出電壓進(jìn)行測量，在保證各級輸出不失真的情況下，根據約束條件分配測量結果所對應的總增益，并形成增益分配表。其中，第二、三級增益按照線(xiàn)性法分配，第一級增益按照約束方程計算得出。解調時(shí)，系統控制核心MSP430F149查增益分配表得到數字電位器的調整值，并按照調整值調節電位器的阻值，實(shí)現增益的自動(dòng)控制。該方法不需要單片機進(jìn)行大量復雜的增益計算過(guò)程，節省運行時(shí)間和程序存儲空間。
關(guān)鍵詞：解調；自動(dòng)增益控制；數字電位器；程控放大電路

0 引言
智能微波開(kāi)關(guān)是一種基于微波波束障礙法實(shí)現對物體位置實(shí)時(shí)監測的智能儀表。智能微波開(kāi)關(guān)的現場(chǎng)部分分為發(fā)射和接收兩部分，兩部分分別被安裝于垂直于物流方向的料倉或傳輸帶的兩端。發(fā)射部分發(fā)射出經(jīng)調制的高頻微波脈沖信號；接收部分接收此信號，并經(jīng)過(guò)解調、放大和濾波等一系列處理，最終將處理好的信號送入微處理器(MSP430F149)進(jìn)行判斷，從而確定被測物體的料位(或有無(wú))。
在實(shí)際工業(yè)應用中，智能微波開(kāi)關(guān)應用環(huán)境復雜，發(fā)射部分和接收部分之間相對距離的不確定性、干擾等因素造成微波檢波信號幅值動(dòng)態(tài)范圍很大。若放大電路的增益過(guò)大，將會(huì )引起信號的“削頂”失真；若放大電路的增益過(guò)小，將會(huì )使信號幅值偏低而引起誤判。這兩種情況都將使后續測量和處理電路無(wú)法正確識別信號。另外，由于微波檢波器接收到的微波信號幅值與微波開(kāi)關(guān)發(fā)射器和接收器之間的距離成指數衰減關(guān)系，因此為滿(mǎn)足不同距離的使用要求，設計時(shí)采取多級放大的方法彌補微波信號幅值的指數衰減，以保證距離變化在一定范圍內時(shí)放大后的信號幅值基本保持不變，以便于檢測。
為了保證信號檢測的準確性，在放大電路中必須合理分配各級增益，使每級均不失真，且放大信號達到最佳測量范圍，提高接收部分的靈敏度，以確保整個(gè)智能微波開(kāi)關(guān)系統的檢測正確無(wú)誤。有關(guān)增益自動(dòng)控制的方法很多，由于應用環(huán)境以及實(shí)現方法的不同而各具特色。文獻中提出了一種兩級級聯(lián)控制總增益的方法，采用兩片AD8367芯片組成放大電路，并通過(guò)合理計算和分配兩級增益，保證了輸出電壓不失真，提高了系統的線(xiàn)性性能。然而兩級放大電路的增益有限，為了滿(mǎn)足更寬增益范圍的要求，需要增加更多級聯(lián)，以保證有足夠可調節的增益。
本文采用微處理器MSP430F149控制帶8位易失性存儲器的四路SPI數字電位器MCP4351組成三級級聯(lián)放大電路，實(shí)現了對微波檢波信號放大增益的自動(dòng)控制。此方法工作效率高，適合寬動(dòng)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(shí)現方法等方面進(jìn)行分析。

1 增益自動(dòng)控制系統框架設計
智能微波開(kāi)關(guān)接收部分對接收到的微波檢波器輸出信號進(jìn)行前置固定增益(增益約為1)放大以及濾波以后，通過(guò)三級程控放大電路放大，將信號幅值放大到要求的范圍，再由后續電路進(jìn)行解調和處理。放大器級聯(lián)模型如圖1所示。

為了適應寬動(dòng)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(shí)候，放大電路要能夠將小幅值信號放大到要求的范圍內；當輸入幅值特別大的時(shí)候，放大電路還應該能夠將大幅值信號壓縮。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(mǎn)足實(shí)際應用要求。
2 增益自動(dòng)控制電路硬件設計
根據寬動(dòng)態(tài)范圍檢波器輸出信號的特點(diǎn)(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(dòng)態(tài)范圍信號的放大，同時(shí)又能夠濾除噪聲，故采用集成運放、程控數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(shí)還具有增益調節功能，微處理器可以通過(guò)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為程控數字電位器R1)。