一种数字自动增益控制放大电路的制作方法

本实用新型属于电子电路技术领域，涉及数字自动增益，尤其是一种数字自动增益控制放大电路。

背景技术：

通常，在仪器仪表等信号检测的装置中都设置有用来调整接收信号增益的自动增益控制(Automatic Gain Control，以下简称“AGC”)放大电路。因为，仪器仪表装置通常检测的原始信号的幅值小，且变化范围宽，必须采用自动增益控制放大电路将信号的幅值放大并稳定在一个设定的电平或一个误差范围内，从而为后级的功能电路模块提供一个稳定的输入信号，这样就可以大大提高仪器仪表装置的准确度。

现有技术中的AGC放大电路，基本都采用了程控增益放大电路级联比例放大电路的这种结构，其中比例放大电路多采用数字电位器或模拟开关匹配电阻的方式实现。专利说明书CN 106230398 A就采用了数字电位器放大电路的形式，这种电路能够实现的放大倍数取决于电位器的级数，目前最多256级，所以这种电路结构的放大倍数范围只能达到1～256，而且受限于数字电位器的带宽，这种电路结构仅能对低频信号进行放大；专利说明书CN 204190708 U采用了模拟开关匹配电阻的放大电路级联的形式，能够实现的放大倍数仅有8级。由此可见，这种电路结构无法做到放大倍数的精细调节，而且放大倍数调整范围也很有限。

其次，现有技术的AGC放大电路都采用了模拟反馈控制的方式，利用峰值检测电路、比较电路、误差放大电路等硬件电路进行增益的自动控制，电路结构复杂，灵活性不高而硬件成本偏高。专利说明书CN106571787就采用了这种技术形式。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种数字自动增益控制放大电路，其能够实现放大倍数的宽范围、连续、自动调整，而且具有高的带宽。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型的数字自动增益控制放大电路，包括自动增益控制电路以及与自动增益控制电路连接的三级放大电路；所述自动增益控制电路包括ADC采样电路和MCU；所述三级放大电路包括程控增益放大电路、第一级DAC放大电路和第二级DAC放大电路；所述程控增益放大电路的输出端连接至第一级DAC放大电路的输入端，第一级DAC放大电路的输出端连接至第二级DAC放大电路的输入端，所述第二级DAC放大电路的输出端连接至ADC采样电路的输入端，所述ADC采样电路的输出端连接至MCU；所述MCU分别连接至程控增益放大电路、第一级DAC放大电路和第二级DAC放大电路。

进一步，上述程控增益放大电路包括可编程增益放大器，所述可编程增益放大器连接有电源。

进一步，上述可编程增益放大电路为具有1倍、10倍、100倍和1000倍共四级的程控增益放大器。

进一步，上述第一级DAC放大电路和第二级DAC放大电路均是由电流输出型DAC和运算放大器构成的反向放大电路。

进一步，上述反向放大电路的输入信号连接至所述电流输出型DAC的反馈信号引脚；所述运算放大器的正向输入端连接至信号地、运算放大器的输出端连接至电流输出型DAC的参考电压输入引脚作为反向放大电路的输出。

进一步，上述电流输出型DAC由倒T型R-2R电阻网络构成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用了三级放大，实现了宽范围的增益调节。其中第一级为程控增益放大电路，用来进行增益的粗调，而且可以提高信号的信噪比，相较于传统结构的放大电路，大大的降低了电路的复杂度。本实用新型的第二级和第三级放大均为DAC放大电路，进一步扩大了增益调节范围，更重要的是实现了放大倍数的精细调整。不同于传统的依靠模拟开关匹配电阻或者电位器实现放大倍数切换的比例放大电路，DAC放大电路的增益控制精细度更高，带宽也更宽。

进一步，本实用新型经过三级增益调节之后，ADC采样电路和MCU进行信号幅值的数字闭环反馈，使得信号的幅值稳定在设定值Vset上，省去了模拟反馈控制电路，简化了设计、降低了成本，而且具有更高的灵活性。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图；

图2为DAC放大电路示意图；

图3为DAC内部结构图；

图4为DAC放大电路的数字量与放大倍数关系曲线图。

其中：4.1为程控增益放大电路；4.2为第一级DAC放大电路；4.3为第二级DAC放大电路；4.4为ADC采样电路；4.5为MCU。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释，并不用以限制本实用新型。

参见图1，本实用新型的数字自动增益控制放大电路，包括自动增益控制电路以及与自动增益控制电路连接的三级放大电路；自动增益控制电路包括ADC采样电路4.4和MCU 4.5；三级放大电路包括程控增益放大电路4.1、第一级DAC放大电路4.2和第二级DAC放大电路4.3；程控增益放大电路4.1的输出端连接至第一级DAC放大电路4.2的输入端，第一级DAC放大电路4.2的输出端连接至第二级DAC放大电路4.3的输入端，第二级DAC放大电路4.3的输出端连接至ADC采样电路4.4的输入端，ADC采样电路4.4的输出端连接至MCU 4.5；MCU 4.5分别连接至程控增益放大电路4.1、第一级DAC放大电路4.2和第二级DAC放大电路4.3。

本实用新型的程控增益放大电路4.1包括可编程增益放大器，该可编程增益放大电路为具有1倍、10倍、100倍和1000倍共四级的可编程增益放大电路，其连接有电源。得益于可编程增益放大器的高输入阻抗和高共模抑制比，用来进行第一级放大可以大大的改善信号质量。

参见图2：本实用新型的第一级DAC放大电路4.2和第二级DAC放大电路4.3均是由电流输出型DAC和运算放大器OP构成的反向放大电路。该反向放大电路的输入信号Vin连接至所述电流输出型DAC的反馈信号引脚Rfb；运算放大器OP的正向输入端连接至信号地、运算放大器OP的输出端连接至电流输出型DAC的参考电压输入引脚Vref作为反向放大电路的输出Vout。

参见图3：本实用新型的电流输出型DAC由倒T型R-2R电阻网络构成。利用DAC内部的电阻网络，可以实现不同增益的放大倍数，DAC的分辨率越高，则DAC放大电路的增益调整范围越宽、增益调整精细程度越高。

本实用新型电路的放大倍数计算公式如下：

A＝A₁*A₂*A₃ (一)

其中，A为本实用新型电路的总放大倍数、A₁为程控增益放大电路4.1的放大倍数、A₂为第一级DAC放大电路4.2的放大倍数、A₃为第二级DAC放大电路4.3的放大倍数。

本实用新型第一级DAC放大电路4.2或第二级DAC放大电路4.3(以下简称DAC放大电路)的放大倍数计算公式如下：

其中，G为DAC放大电路的放大倍数、N为DAC的分辨率位数、Code为DAC的数字量。以10位分辨率的DAC为例，DAC放大电路的增益调整范围可达1～2¹⁰，而且Code每改变一个数，DAC放大电路的增益就会发生变化，因此可以实现增益的精细调节。

由DAC放大电路的放大倍数计算公式可以绘制出DAC的数字量和放大倍数关系曲线，如图4所示。可以看出，当数字量越靠近2¹⁰时，DAC放大电路的增益调节越精细；数字量越靠近1，增益的间隔越大。因此，在实际使用过程中应使DAC的数字量尽量靠近2¹⁰。

第二级DAC放大电路的输出连接至ADC采样电路的输入，所述ADC采样电路主要包括高速ADC及其外围电路，实现对放大后的波形进行模数转换，并将转换结果反馈至MCU。

本实用新型放大电路的工作原理如下：

MCU 4.5对ADC采样电路4.4采集的数据进行分析，检测出波形的峰值的幅值，再与设定值Vset做差比较并进行PID控制，然后计算出三级放大电路各自的放大倍数。依靠纯数字的峰值检测和闭环控制算法，可以使放大后的信号幅值稳定在设定值Vset。

对于三级放大电路各自放大倍数的控制方法，优先使用程控增益放大电路4.1实现大倍数的放大，然后利用两级的DAC放大电路实现放大倍数的补充。例如，当需要实现4000倍放大时，根据式(一)，有两种方案可选：

方案一：令程控增益放大电路4.1实现10倍放大、第一级DAC放大电路4.2实现200倍放大、第二级DAC放大电路4.3实现2倍放大；

方案二：令程控增益放大电路4.1实现1000倍放大、第一级DAC放大电路4.2实现2倍放大、第二级DAC放大电路4.3实现2倍放大。

对于方案一，由式(二)可计算出需要将第一级DAC放大电路4.2的DAC的Code设置为5.12，而DAC的Code必须为整数，因此只能设置为5，则第一级DAC放大电路4.2的放大倍数变为204.8倍，则三级放大电路总放大倍数变为4096倍，远高于所需放大倍数；

对于方案二，根据式(二)可计算出需将第一级DAC放大电路4.2的DAC的Code设置为512，恰好是整数，而且，即使将DAC的Code设置为513，第一级DAC放大电路4.2的放大倍数变为1.996，则三级放大电路总放大倍数变为3992倍，其准确度远高于方案一。

此外，以上实施案例仅表示实施本实用新型的一个事例，而非据此对本实用新型的技术范围进行限定性的解释，在实际使用中可以选择具有不同放大倍数的可编程增益放大器和不同分辨率位数的DAC，凡是依据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属本实用新型技术方案的保护范围。