一种单电源供电数字自动增益控制方法

我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上，很多时候，电路的设计者必须用单电源供电，但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心，设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。

所有的运算放大器都有两个电源引脚，一般在资料中，它们的标识是VCC+和VCC-，但是有些时候它们的标识是VCC+和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考运放的数据手册，特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。

绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器，比如图一左边的那个电路，一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V，正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的，还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。

单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC+，地或者VCC-引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的输出电压也是该虚地电压，运放的输出电压以虚地为中心，摆幅在Vom 之内。

有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压，但在大部分应用中，输入和输出是参考电源地的，所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。

在仪器仪表设备的电子电路中，尤其是用于传感器信号采集的电路中，通常都设置有采用正负电源供电，用来调整输入信号增益的自动增益控制(automaticgaincontrol，以下简称“agc”)放大电路。

目前，由于绝大部分传感器输出为双极性交流模拟信号，且输出信号幅度小，动态范围宽。只有采用双电源供电的自动增益控制放大电路，才可以为后端数据采集模块提供满足其输入范围要求且完整的传感器信号，才可以实现对模拟物理量的数字化处理。

上述采用双电源供电的自动增益控制放大电路，在系统其他电路无负电源需求时，还要单独为该电路配置负电源电路，导致系统的电源电路复杂、硬件成本增高、可靠性降低。同时，由于负电源变换电路的效率一般都低于正电源变换电路，因此增加的负电源电路还会导致电路功耗增加，在电池供电的设备中功耗体现尤为明显。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种单电源供电数字自动增益控制放大电路及其控制方法，解决双电源供电自动增益放大电路带来的系统复杂、功耗增大、硬件成本增高、系统可靠性降低等缺点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种单电源供电数字自动增益控制放大电路，包括自动增益控制电路，与所述自动增益控制电路连接的程控增益放大电路、dac放大电路，所述程控增益放大电路的同向输入端与直流偏置电路连接，所述程控增益放大电路的反向输入端通过电容接地;所述程控增益放大电路的输出端连接至dac放大电路的输入端，所述dac放大电路的输出端连接至自动增益控制电路的adc采样电路的输入端，所述adc采样电路集成于mcu的内部。

进一步，所述mcu的spi接口与程控增益放大电路的spi接口相连，用于控制程控增益放大电路的增益;所述mcu通过gpio与dac放大电路的读写控制端口和数据端口相连，用于控制dac放大电路的增益，从而实现闭环控制。

进一步，所述自动增益控制电路包括集成adc功能的mcu电路、电源电路及时钟电路，其中电源电路采用单电源供电，输入信号必须为交流信号，两级放大电路增益只对输入交流信号有效，对直流偏置电路提供的偏置电压无增益效果。

进一步，所述电源电路分别与直流偏置电路、程控增益放大电路、dac放大电路及自动增益控制电路的正电源相连，所述直流偏置电路、程控增益放大电路、dac放大电路及自动增益控制电路的负电源接地。

进一步，所述直流偏置电路由电阻、电容和并联型电压基准组成，被测信号由电容一端输入，在电容另一端通过电阻连接至并联型电压基准，对被测信号进行直流加偏后输出到程控增益放大电路。

进一步，所述程控增益放大电路包括八级增益，分别为1、2、5、10、20、50、100和200倍。

进一步，所述dac放大电路的数量为多个。

进一步，所述dac放大电路由电流输出型dac和运算放大器构成同向放大电路;其中，

所述程控增益放大电路的输出信号由运算放大器的同向端输入dac放大电路，所述运算放大器的反向输入端连接至电流输出型dac的电流输出端iout1;

所述运算放大器的输出端连接电流输出型dac的参考输入端vref作为dac放大电路的输出，连接至adc采样电路的输入端;

所述电流输出型dac的反馈电阻rfb引脚通过电容接地，所述电流输出型dac的并行数字端口连接至mcu的gpio。

进一步，所述电流输出型dac由倒t型r-2r电阻网络构成。

另一方面，本发明还提供了一种单电源供电数字自动增益控制放大电路的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1、adc采样电路实时采集、量化dac放大电路的输出信号，mcu通过内部apb总线访问adc采样电路，获取adc采样电路的量化值;

步骤2、所述mcu对adc采样电路采集的数据进行分析，通过峰值检测算法获得当前dac放大电路输出信号的峰值;

步骤3、将所述峰值与设定的期望峰值比较，并计算当前峰值与期望峰值的比例关系，获得当前增益状态下各放大电路需要调整的增益倍数;

步骤4、所述mcu通过spi接口优先调节程控增益放大电路的增益，当程控增益放大电路的增益无法满足当前需要的设定值时，再通过gpio调整dac放大电路的输出值，完成对电路增益的调整。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过采用单电源供电及直流偏置电路的设计，直流偏置电路通过对前级交流信号的直流成分隔离，为后级电路提供合适的直流偏置，且程控增益放大电路及dac放大电路这两级放大电路只对输入的交流信号进行放大，对偏置电路提供的偏置电压并没有增益效果;同时，将adc采样电路集成于mcu的内部，在保证各自功能正常的同时，实现了电路结构的简化;该自动增益控制放大电路，具有结构简单、功耗低、成本低的优点，解决了双电源供电自动增益放大电路带来的系统复杂、功耗增大、硬件成本增高、系统可靠性降低等缺点。

此外，mcu的spi接口与程控增益放大电路的spi接口相连，用于控制程控增益放大电路增益;mcu通过gpio与dac放大电路的读写控制端口和数据端口相连，用于控制dac放大电路增益，从而实现闭环控制。

附图说明

图1为本发明提供的单电源供电数字自动增益控制放大电路的结构示意图;

图2为本发明提供的直流偏置电路的结构示意图;

图3为本发明提供的程控增益放大电路的结构示意图;

图4为本发明提供的dac放大电路的结构示意图;

图5为本发明提供的dac放大电路的内部结构图;

图6为本发明提供的dac放大电路的数字量与放大倍数关系曲线图。

其中：1为自动增益控制电路;2为程控增益放大电路;3为dac放大电路;4为直流偏置电路;5为adc采样电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释，并不用以限制本发明。

实施例：

参见图1所示，本发明提供了一种单电源供电数字自动增益控制放大电路，包括自动增益控制电路1，与自动增益控制电路1连接的程控增益放大电路2、dac放大电路3，程控增益放大电路2的同向输入端与直流偏置电路4连接，程控增益放大电路2的反向输入端通过电容接地;程控增益放大电路2的输出端连接至dac放大电路3的输入端，dac放大电路3的输出端连接至自动增益控制电路1的adc采样电路5的输入端，adc采样电路5集成于mcu的内部。

进一步地，mcu的spi接口与程控增益放大电路2的spi接口相连，用于控制程控增益放大电路的增益;mcu通过gpio口与dac放大电路3的读写控制端口和数据端口相连，用于控制dac放大电路的增益，从而实现闭环控制。

进一步地，自动增益控制电路1包括集成adc功能的mcu电路、电源电路及时钟电路，其中电源电路采用单电源供电，输入信号必须为交流信号，两级放大电路增益只对输入交流信号有效，对直流偏置电路4提供的偏置电压无增益效果。

进一步地，电源电路分别与直流偏置电路4、程控增益放大电路2、dac放大电路3及自动增益控制电路1的正电源(vdd端)相连，直流偏置电路4、程控增益放大电路2、dac放大电路3及自动增益控制电路1的负电源(vee端)接地(gnd)。

进一步地，参见图2，直流偏置电路4由电阻、电容和并联型电压基准组成，被测信号由电容一端输入，在电容另一端通过电阻连接至并联型电压基准，对被测信号进行直流加偏后输出到程控增益放大电路。其中，直流偏置电路4的输出偏置电压可根据adc采样电路的输入范围调整，一般设置为adc采样电路输入范围的二分之一。

进一步地，参见图3，程控增益放大电路2支持spi编程接口，并包括八个增益等级，分别为1、2、5、10、20、50、100和200倍，通过spi操作内部寄存器实现增益切换。程控增益放大电路2采用同向放大模式，同向端连接直流偏置电路4，反向端通过电容连接至信号地，形成交流通路，实现对交流信号的放大功能;电容隔离直流信号，从而使放大电路无法形成直流通路，对直流信号失去放大作用。程控增益放大电路2的输出端连接dac放大电路的输入端，spi接口连接mcu的spi接口，mcu通过spi接口控制程控增益放大电路的增益。

进一步地，dac放大电路3的数量为多个，在现有两级放大的基础上，还可以再次增加dac放大电路3，实现对交流信号的多级放大。

进一步地，参见图4所示，dac放大电路3由电流输出型dac和运算放大器构成同向放大电路;其中，

程控增益放大电路2的输出信号由运算放大器的同向端输入dac放大电路3，运算放大器的反向输入端连接至电流输出型dac的电流输出端iout1;

运算放大器的输出端连接电流输出型dac的参考输入端vref作为dac放大电路3的输出，连接至adc采样电路5的输入端;

电流型dac的iout2端连接直流偏置电路4，输入与运算放大器同等的直流偏置电压;

电流输出型dac的反馈电阻rfb引脚通过电容接地，电流输出型dac的并行数字端口连接至mcu的gpio，mcu通过gpio控制dac放大电路3的输出电流，从而控制dac放大电路的增益。

进一步地，参见图5所示，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3的增益调整范围越宽、增益调整精细程度越高。其中，dac放大电路3的放大倍数计算公式如下：

式(1)中，g为dac放大电路3的放大倍数、n为dac的分辨率、code为dac的设置值。以12位分辨率的dac为例，dac放大电路3的增益调整范围可达1～212，而且code每改变一个数，dac放大电路的增益就会发生变化，因此能够实现增益的精细调节。其中，dac放大电路3的数字量与放大倍数关系曲线图参见图6所示。

进一步地，程控增益放大电路2和dac放大电路3采用级联方式，程控增益放大电路2实现增益粗调，dac放大电路3实现增益细调，级联后可实现电路增益高动态、小步进调节，从而保证输出信号幅度平稳。两级放大电路级联后的增益为：

gp=g1*g2(2)

式(2)中，gp为电路总增益，g1为程控增益放大电路增益，g2为dac放大电路增益。

依照上述方案，采用单电源供电一级程控增益放大电路2与二级dac放大电路3，采用mcu集成adc的增益控制方法，可使自动增益控制电路的功耗与成本大大降低，同时使得电路的复杂度与pcb板面积消耗明显降低。例如：一级程控增益放大器选用ti公司的pga113，二级dac放大电路3选用ti公司的opa2325与adi公司的ad5445组合实现，自动增益控制电路1选用st公司集成12位分辨率adc的mcu(型号stm32l151)实现，直流偏置电路4使用ti公司的ref3312与外围电阻、电容器件实现的情况下，电路总体功耗与硬件成本以及占用pcb板面积试验数据如下：整个电路的功耗为43.8768mw，器件成本较低，占用pcb板的面积约为20mm*40mm。

上述试验中，如果改用传统的双电源电路和外部adc采集器件，则增加的负电源电路(如选max660，约rmb17.29)和外部adc(ad7170bcpz，约rmb19.42)器件，可使电路成本增加80%，占用pcb板面积增加30%，电路功耗增加35%以上。

综上，本发明提供的这种单电源供电数字自动增益控制放大电路，dac放大电路3的输出连接至自动增益控制电路1，自动增益控制电路1主要包括集成adc功能的mcu(单片机)及其外围电源和时钟电路。其中，dac放大电路3的输出信号通过mcu内部dac量化后供mcu内部自动增益控制算法使用，自动增益算法依据当前采集的信号幅度与期望信号幅度值比较，计算出需要调整的增益倍数，通过spi接口和gpio接口分别将增益分配至一级程控增益放大电路2和二级dac放大电路3，从而实现增益闭环控制，且整个电路的成本减少、功耗降低、结构简单。

此外，本发明还提供了一种单电源供电数字自动增益控制放大电路的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1、adc采样电路5实时采集并量化dac放大电路3的输出信号，mcu通过内部apb总线访问adc采样电路5，获取adc采样电路5的量化值;

步骤2、mcu对adc采样电路5采集的数据进行分析，通过峰值检测算法获得当前dac放大电路3输出信号的峰值;

步骤3、将峰值与设定的期望峰值比较，并计算当前峰值与期望峰值的比例关系，获得当前增益状态下各放大电路需要调整的增益倍数;

步骤4、mcu通过spi接口优先调节程控增益放大电路2的增益，当程控增益放大电路2的增益无法满足当前需要的设定值时，再通过gpio调整dac放大电路3的输出值，完成对电路增益的调整。

该方法控制实际应用如下：mcu设定期望输入adc采样电路5的信号峰值为2v，adc采样电路5采集的当前信号峰值1.5v，两级放大电路需要调整的增益倍数为2v除以1.5v，约为1.333倍。mcu依据优先选择调节程控增益放大电路2的原则，将需要调整的增益倍数分配到程控增益放大电路2，而程控增益放大电路的增益倍数为1、2、5、10、20、50、100、200，在当前增益基础上，增益调节的步进为2或2.5，不满足需要调节的1.333倍的步进要求，mcu进而选择调节dac放大电路3的增益，dac放大电路3的增益调节计算公式为：

假设dac的数据位宽为12bit，当前设置值为2000，为实现1.333倍增益调整，需要调整dac的设置值n_code计算如下：

n_code=2000/1.333

计算值取整，即需要将dac的设置值调整为1504。调整后dac放大电路的输出信号峰值将变为2v。

综上，这种单电源供电数字自动增益控制放大电路的控制方法，通过mcu的spi接口和gpio接口分别将增益分配至一级程控增益放大电路2和二级dac放大电路3，从而实现增益闭环控制。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。