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自动增益控制电路设计文章
摘要
本设计以程控增益衰减器TLV5616为核心，通过单片机STC89C52控制各模块，实现电压增益连续可调，输出电压在2Vpp基本恒定，并且通过程序设定使输出电压在1-3Vpp范围内可变。
系统由五个模块组成：
信号调理模块，程控增益衰减器模块，放大器模块，峰值检测模块，控制与显示模块。
将输入信号通过信号调理电路送入程控增益衰减器，然后再将信号按要求放大输出，通过峰值检测电路检测输入TLV5616的电压情况，并送给STC89C52单片机采样。
此时，经过单片机的控制处理后，再与理想输出信号数值进行比较，若有偏差，则通过程序设定调整TLV5616的增益控制电压，调整放大倍数，从而实现信号的稳定输出。
关键词：
TLV5616；STC89C51;程控增益衰减器；峰值检测
1方案论证与比较
1.1信号调理模块方案
方案一：
由TLV5616的使用手册可得，其最大输入参考电压VREF为2.25V,故采用函数信号发生器产生0.1V-5VVpp的正弦信号，再通过两级反向比例电路使输出电压小于2.25V。
如图1.1a所示。
图1.1a反向比例调理电路
方案二：
由于TLV5616的输入参考电压VREF不能为负值，故在电路输入端进行直流偏置，产生一个3V左右的直流电压Vf，使交流电压负半周电压值向上抬升，最后通过同向比例电路再经过电阻分压使输出电压小于2.25V。
另外，为了起到保护和隔离的作用，在直流偏置后面添加了一个电压跟随器。
如图1.1b
所示。
图1.1b同向比例调理电路
综上：
方案一的反向比例电路输入阻抗较大，需要运放具有较高的共模抑制比，且电路不简洁。
方案二相比之下可行性更高，电路容易实现。
加入直流偏置后能够避免信号在负轴出现，电压跟随器也起到了很好的保护和隔离的作用。
故我们选择方案二。
1.2程控增益衰减模块方案
方案一：
采用纯硬件电路实现。
由TLV5616和运放构成的电压比较器和减法电路实现。
把实际差值和理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为TLV5616的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。
方案二：
采用TLV5616和STC89C52单片机结合，通过当采样信号VRFE进入单片机后，由单片机对TLV5616的控制信号CODE的处理，得到一个关于输入参考电压VREF与输出电压VOUT的线性关系，最后再与理论输出电压比较，若有偏差，则继续调整，即实现了增益的自动控制。
综上：
方案一理论低端，精度不够，通用性不好，方案二控制准确，自控速度较快，系统可移植性强，功能改变和增加容易，为后期改善和提升电路性能有益。
故我们选用方案二。
1.3放大器模块方案
当信号通过TLV5616后，为了滤掉信号调理部分添加的直流信号，我们采用RC低通滤波器进行滤波，再利用一个同相比例放大电路对输出信号作进一步调整。
在这里，我们选用单运放NE5534，它具有高效低噪声且高单位增益的特点。
1.4峰值检测模块方案
方案一：
如图1.4a所示，当初始电容电压Uc=0时，当Ui
0时，由于运放U3充当跟随器，故Ui=Uo,二极管D2导通，电容C2充电，直至电容C2上的电压Uc等于输入电压Ui的峰值；只要输入电压Ui
Uc，二极管就截止，电容上的电压Uc保持不变，即电容Uc保持之前检测到的输入信号的峰值。
图1.4a峰值检测电路
方案二：
如图1.4b所示小信号峰值检测电路。
二极管D1置于两个反馈回路之中，运放U2A构成电压跟随器，使峰值检测电路与后面的电路隔离。
当正极性电压Ui输入时，D1导通，D2截止，电容C1充电，直至电容C1上的电压等于输入电压Ui的峰值；当负极性电压Ui输入时，D2导通，D1截止，连接两级运放之间的电路断开，电容Uc上的电压保持之前的输入峰值不变，当正极性电压再次输入时，电容继续被充电，即实现了峰值的连续检测。
图1.4b峰值检测电路
综上：
方案一中当输入小信号的峰值小于二极管D2的正向导通电压时，二极管将截止，峰值检测电路不能工作。
在方案二中小信号输入时，即使信号的峰值很小，由于运放U1A的增益Av很大,其输出Uo1=Uin
Av，足以使二极管D1导通，迫使运放U2A处于跟随状态，从而能实现对输入小信号峰值的检测。
且该电路设置了负反馈回路，提高了电路的稳定性，且有效的减轻了噪声的影响。
因此选择方案二更为合理。
1.5控制与显示模块方案
方案一：
采用MSP430F149芯片和数码管。
MSP430F149芯片是一类具有16位总线的带FLASH的单片机,具有1.8V-3.6V超宽供电电压，两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、自带看门狗、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟.可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。
图1.5aMSP430F149引脚图
方案二：
采用STC89C52单片机控制处理和数码管显示。
STC89C52单片机是单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰对的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但是速度快8-12倍。
供电电压为3.5V～5.5V,内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S,即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。
综上所述，本系统中只需进行简单编程，STC89C52单片机足以满足要求。
STC89C52单片机供电电压范围为3.5V到5.5V，可以减低电路的冗杂,提高效率。
因此，选择方案二。
2理论分析与计算
2.1前级信号调理
本模块采用NE5532P构成电压跟随器和同相比例运算电路，另外，再采用电阻分压可实现信号的放大与衰减。
图2.1信号调理电路
偏置电压：
Uf=
输出电压：
Uo2=
Ui+
Uf）
输入参考电压：
UREF=
（1+
）
输入电阻：
Rin=R3+R4
2.2程控增益衰减器
本系统中采用TLV5616构成程控衰减器，使输入信号在0.1-5VVpp变化时，能够稳定输出2VVpp,且输出信号可以通过程序设定在1-3VVpp变化，即增益的自动控制。
TLV5616的管脚图如图2.2a所示。
图2.2aTLV5616管脚图图2.2bTLV5616连线图
TLV5616的输出电压为：
UO=2
UREF
如果要调整衰减器的衰减倍数，只需改变字码即可。
因此，此程控衰减器的放大倍数为0～2倍。
2.3放大器
后级放大电路采用运放NE5534构成同向比例电路，且为了隔离直流信号，在同相比例电路的输入端设置RC低通滤波器。
Vi1
Vo
图2.3后级放大电路
输出电压Uo=
）Vi1
下限频率:
f=
2.4峰值检测
如电路图所示，由于二极管的单向导电性，应该选择具有更快开源速度的二极管，本系统选用了1N6000B；对运放的频带宽度为了满足要求，选用了高性能低噪声的NE5532P；对时间常数
，
越小，在低频阶段下降明显，
增大，输出相应时间变慢，而
越大，下降速率越慢，
越大，下降速率越快，为了满足要求，本系统选用了3.3
电容和100
的电容。
图2.4峰值检测电路
2.5控制器
是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
其管脚图及外围电路如图2.5所示。
图2.5STC89C52单片机
3系统硬件设计
3.1总体设计思路
本系统由分立元件与集成元件搭建而成，以TLV5616为自动增益控制核心，以STC89C52单片机为核心处理器。
本系统由信号调理电路，程控衰减器，放大器，峰值检测电路和控制器组成。
系统总体设计框图如下图所示
图3.1系统总体框图
3.2总体电路设计
当输入信号最大为5VVpp时，通过信号调理电路后，为TLV5616提供一个最大的输入参考电压，由于后级放大电路的增益已经固定，即TLV5616的输出信号幅度已经确定。
为了满足输出2VVpp的要求，我们通过改变CODE的值，来实现程控衰减器的增益改变。
通过计算，此时的CODE在允许范围内；当输入信号最小为0.1VVpp时，通过信号调理电路后，为TLV5616提供一个最小的输入参考电压，同样的，我们通过改变CODE的值，来实现增益的改变。
当最大和最小输入电压均能使CODE在规定范围内改变时，即能实现输出2VVpp恒定不变。
而峰值检测电路则用来检测当输入电压改变时VREF的电压，然后通过AD转换送给单片机，通过单片机的控制处理来改变CODE的值，从而满足输出信号的要求。
最后，为了满足输出信号的幅度从原来的固定2.0Vpp，变成1.0~3.0Vpp可调，且步进不大于0.1Vpp，可以通过程序设定改变CODE的值，从而改变TLV5616的输出电压，来实现增益的自动调整。
图3.2系统总体硬件电路图
4系统软件设计
5系统调试与误差分析
5.1测试仪器
1）直流稳压电源DF1731SLL3A：
一台
2）数字合成信号发生器DF1405：
一台
3）交流毫伏表DF2170A：
一台
4）示波器DS1102CA：
一台
5）万用表VC830L：
一台
5.2测试结果及分析
测试的数据表如表1所示：
表1数据测试表
Ui（v）
（vpp）
Fi（Hz）
0.1
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
20
50
100
500
1k
5k
10k
50k
100k
数据分析：
6总结
参考文献
[1]BruceCarter著.运算放大器权威指南（第三版）.人民邮电出版社,2010
[2]谭浩强著.C语言程序设计（第三版）.清华大学出版社,2005.
[3]黄争著.运算放大器应用手册基础知识篇.电子工艺出版社,2009.
[4]邱关源.电路（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2006
[5]马建明.数据采集与处理技术（第三版）[M].西安：
西安交通大学出版社，2012
[6]李朝青著.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,2005.
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