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案例頻道 （中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）任宏偉
任宏偉（1983-）男，甘肅酒泉人，畢業(yè)于吉林大學(xué)，目前從事水中兵器及海洋勘探測試儀器研究。
摘要：本文給出了一種簡單且易于實現(xiàn)的低功耗自動增益電路，該設(shè)計已成功應(yīng)用于電纜深度控制器接收機(jī)中，并能明顯的改善通信效果。
關(guān)鍵詞：低功耗；增益控制
Abstract: He paper describes a kind of amplifier circuit that the gain is variable.And the circuit is simple and easy to realize. The design has already been applied in the receiver of the communication system in cable depth controller,and can obviously improve correspondence effect.
Key words: Low power; variable-gain
拖曳式線列陣地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前海洋石油勘探的主要設(shè)備，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過勘探船拖曳線列陣接收地震回波。為了保持拖曳纜能夠保持在一定深度穩(wěn)定工作，在拖曳纜上需間隔200m放置一套電纜深度控制器，通常拖曳纜長達(dá)6000m，因此每條拖曳纜上將放置多達(dá)30套電纜深度控制器，以達(dá)到拖曳纜能在水下設(shè)定深度穩(wěn)定。
由于信號隨著線纜的延長將逐漸衰減，因此，對于線纜上不同節(jié)點的電纜深度控制器接收到的信號強(qiáng)度將會不一致。電纜深度控制器的接收機(jī)如何能夠保證解調(diào)不同強(qiáng)度的信號呢針對這個問題，本文設(shè)計了一種簡單低功耗的自動增益電路，該電路能針對不同信號自動改變增益，使得解調(diào)輸入前的信號幅度保持在最佳解調(diào)幅度以內(nèi)。
1 自動增益控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)
目前放大器增益的控制方法主要有兩種。一種是改變放大器本身的參數(shù)，使增益發(fā)生變化，典型的是采用雙柵場效應(yīng)管，通過改變其中某一柵的直流偏置電壓使增益發(fā)生變化；另一種是在放大器級間插入可變衰減器，控制衰減量，使增益發(fā)生變化，典型的是各種集成的可變增益放大器。這兩種增益的改變通常都需配合A/D采樣，單片機(jī)處理后輸出控制電壓來改變增益，實現(xiàn)起來較為繁瑣，且電纜深度控制器使用電池供電，以上兩種可控增益電路功耗過大，不適合于電纜深度控制器使用。因此本文設(shè)計出一種簡單而又易于實現(xiàn)的低功耗自動增益控制電路，該電路只需通用的運(yùn)算放大器、比較器和多路模擬開關(guān)組合即可實現(xiàn)。電路原理框圖如圖1所示。
圖1 自動增益控制電路框圖
電纜深度控制器接收機(jī)接收到控制器的指令信號后，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻成分噪聲信號，信號經(jīng)兩級放大后，由絕對值檢波電路檢波，經(jīng)RC濾波后得到信號的有效值，該有效值與比較器的參考電壓進(jìn)行比較后輸出電平，通過比較器輸出的電平數(shù)字組合，控制多路模擬開關(guān)的不同開關(guān)導(dǎo)通，從而改變二級放大器的輸入電阻發(fā)生變化來改變放大器的增益。
本設(shè)計具體應(yīng)用于電纜深度控制器調(diào)制解調(diào)板的前置放大電路中，可變增益分別為G=1，2，4，8，16，各模塊設(shè)計電路如圖2至圖4所示。
圖2 絕對值電路原理圖
圖3 比較器電路原理圖
圖4 增益選擇開關(guān)電路原理圖
反饋信號經(jīng)絕對值檢波電路檢波輸出后，經(jīng)RC濾波輸出信號的有效值。有效值與4路比較器的參考值REF=1.2V，0.6V，0.3V，0.15V作比較，當(dāng)Vinrms〉1.2V時，4路比較器輸出為1111，此時選通16路模擬開關(guān)ADG426的S16，此時放大器實現(xiàn)了跟隨器的作用，Vout=Vin。當(dāng)0.6V<Vinrms<1.2V時，4路比較輸出為0111，此時選通16路模擬開關(guān)ADG426的S15，使得R95接地，因此增益G=2；當(dāng)0.3V< Vinrms<0.6V時,比較器輸出0011，此時選通ADG426的S13，使得R96接地，因此增益G=4；當(dāng)0.15V< Vinrms<0.3V時，比較器輸出0001，使得R97接地，此時選通ADG426的S9，增益G=8；當(dāng)Vinrms<0.15V時，比較器輸出0000，使得R98接地，此時選通ADG426的S1，增益G=16。比較器的參考電壓可以根據(jù)實際的需求作出相應(yīng)調(diào)整，使放大輸出信號幅度保持在最佳解調(diào)范圍內(nèi)。
2 應(yīng)用結(jié)果
本文所給出的電路設(shè)計是在先期產(chǎn)品試驗暴露的問題上提出的改進(jìn)方案，在未采用自動增益控制電路時，電纜深度控制器接收機(jī)只是做了固定增益放大，考慮到信號需逐級放大，單級放大增益不能過大，否則會發(fā)生信號畸變。接收機(jī)信號放大增益分別為一級增益G1=5，二級增益G2=4，三級增益G3=5，總的增益為100。前期接收機(jī)試驗發(fā)現(xiàn)，由于電纜深度控制器在不同距離的節(jié)點接收到的下發(fā)指令信號的衰減不一樣，最前端的信號最強(qiáng)，信號可達(dá)到1V左右，最尾端的信號強(qiáng)度最弱，信號可接近2.5mV左右，因此經(jīng)過固定增益放大后，信號在0.25V～10V（放大器采用±5V供電滿幅值輸出信號畸變），經(jīng)過限幅處理后，進(jìn)入解調(diào)單元的信號在0.25V～1V左右，其信號強(qiáng)度差異較大。對于解調(diào)單元芯片，其最佳解調(diào)的信號在0.5V-1V之間，對于這種信號強(qiáng)度跳躍大的，解調(diào)脈沖寬度容易出現(xiàn)較大差異，從而導(dǎo)致解調(diào)誤碼數(shù)據(jù)，出現(xiàn)部分電纜深度控制器通信效果差。由于該系統(tǒng)通信效率為串行效率，因此部分電纜深度控制器的高誤碼率將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作通信成功率低。因此提出改進(jìn)前置放大自動增益控制的方案，改進(jìn)后的增益控制電路，能夠根據(jù)節(jié)點的信號強(qiáng)度在25～400之間自動調(diào)整增益大小，始終保持當(dāng)前節(jié)點的信號強(qiáng)度處于1V左右幅值范圍內(nèi)，極大的提高了通信成功率。
為驗證自動增益電路的可行性，采用標(biāo)準(zhǔn)信號源將26kHz正弦信號輸入到接收機(jī)的前置放大電路，從1mV～10V改變信號的幅值大小，通過示波表觀察自動增益放大電路輸出波形，可以發(fā)現(xiàn)輸出信號幅值始終處于1V左右，很好的驗證了自動增益電路的可行性。接收機(jī)改進(jìn)前通過湖上試驗的結(jié)果表明，經(jīng)常有部分電纜深度控制器通信數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)通信成功率始終無法突破70%。通過改進(jìn)此增益控制電路，經(jīng)過多次湖上試驗和多次海上驗證試驗表明，系統(tǒng)通信成功率已達(dá)到90%，通信效果明顯改善。
3 結(jié)束語
本設(shè)計已成功應(yīng)用于電纜深度控制器接收機(jī)中，并能很好實現(xiàn)自動增益控制，改善了電纜深度控制器的通信效果，提高了拖曳線列陣的通信成功率。該電路選用微功耗芯片，根據(jù)實際使用檢測結(jié)果，該電路的設(shè)計功耗只有2mA左右。因此該自動增益控制電路非常適合采用電池供電的設(shè)備使用。
參考文獻(xiàn)：
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摘自《自動化博覽》2010年第七期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號