微波檢波信號增益自動控制方法研究與實現(xiàn)

摘要：在智能微波開關(guān)信號解調(diào)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(shù)字電位器MCP4351控制。測量電路對靈敏度調(diào)節(jié)電位器輸出電壓進行測量，在保證各級輸出不失真的情況下，根據(jù)約束條件分配測量結(jié)果所對應(yīng)的總增益，并形成增益分配表。其中，第二、三級增益按照線性法分配，第一級增益按照約束方程計算得出。解調(diào)時，系統(tǒng)控制核心MSP430F149查增益分配表得到數(shù)字電位器的調(diào)整值，并按照調(diào)整值調(diào)節(jié)電位器的阻值，實現(xiàn)增益的自動控制。該方法不需要單片機進行大量復(fù)雜的增益計算過程，節(jié)省運行時間和程序存儲空間。
關(guān)鍵詞：解調(diào)；自動增益控制；數(shù)字電位器；程控放大電路

0 引言
智能微波開關(guān)是一種基于微波波束障礙法實現(xiàn)對物體位置實時監(jiān)測的智能儀表。智能微波開關(guān)的現(xiàn)場部分分為發(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(diào)制的高頻微波脈沖信號；接收部分接收此信號，并經(jīng)過解調(diào)、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)進行判斷，從而確定被測物體的料位(或有無)。
在實際工業(yè)應(yīng)用中，智能微波開關(guān)應(yīng)用環(huán)境復(fù)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態(tài)范圍很大。若放大電路的增益過大，將會引起信號的“削頂”失真；若放大電路的增益過小，將會使信號幅值偏低而引起誤判。這兩種情況都將使后續(xù)測量和處理電路無法正確識別信號。另外，由于微波檢波器接收到的微波信號幅值與微波開關(guān)發(fā)射器和接收器之間的距離成指數(shù)衰減關(guān)系，因此為滿足不同距離的使用要求，設(shè)計時采取多級放大的方法彌補微波信號幅值的指數(shù)衰減，以保證距離變化在一定范圍內(nèi)時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(zhǔn)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，以確保整個智能微波開關(guān)系統(tǒng)的檢測正確無誤。有關(guān)增益自動控制的方法很多，由于應(yīng)用環(huán)境以及實現(xiàn)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(tǒng)的線性性能。然而兩級放大電路的增益有限，為了滿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(diào)節(jié)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(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(shè)計、軟件設(shè)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(shè)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。

為了適應(yīng)寬動態(tài)范圍的應(yīng)用，放大器的增益控制必須足夠的靈活。當(dāng)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(dāng)輸入幅值特別大的時候，放大電路還應(yīng)該能夠?qū)⒋蠓敌盘枆嚎s。因此，第一級放大電路的設(shè)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(yīng)用要求。
2 增益自動控制電路硬件設(shè)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(shè)計的第一級程控增益放大電路要適應(yīng)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(shè)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)。