（中國(guó)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(cè)試儀器研究。

    摘要：本文給出了一種簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的低功耗自動(dòng)增益電路，該設(shè)計(jì)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(guò)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(zhǎng)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(hào)隨著線纜的延長(zhǎng)將逐漸衰減，因此，對(duì)于線纜上不同節(jié)點(diǎn)的電纜深度控制器接收到的信號(hào)強(qiáng)度將會(huì)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(hào)呢針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單低功耗的自動(dòng)增益電路，該電路能針對(duì)不同信號(hào)自動(dòng)改變?cè)鲆?，使得解調(diào)輸入前的信號(hào)幅度保持在最佳解調(diào)幅度以內(nèi)。

    1 自動(dòng)增益控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)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(chǎng)效應(yīng)管，通過(guò)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(jí)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?cè)鲆娣糯笃?。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(lái)改變?cè)鲆妫瑢?shí)現(xiàn)起來(lái)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(guò)大，不適合于電纜深度控制器使用。因此本文設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單而又易于實(shí)現(xiàn)的低功耗自動(dòng)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(kāi)關(guān)組合即可實(shí)現(xiàn)。電路原理框圖如圖1所示。

                       
                                        圖1  自動(dòng)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(hào)后，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻成分噪聲信號(hào)，信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后，由絕對(duì)值檢波電路檢波，經(jīng)RC濾波后得到信號(hào)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(guò)比較器輸出的電平數(shù)字組合，控制多路模擬開(kāi)關(guān)的不同開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，從而改變二級(jí)放大器的輸入電阻發(fā)生變化來(lái)改變放大器的增益。

    本設(shè)計(jì)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?cè)鲆娣謩e為G=1，2，4，8，16，各模塊設(shè)計(jì)電路如圖2至圖4所示。

                     
                                            圖2   絕對(duì)值電路原理圖

                           
                                           圖3  比較器電路原理圖

              
                                     圖4  增益選擇開(kāi)關(guān)電路原理圖

    反饋信號(hào)經(jīng)絕對(duì)值檢波電路檢波輸出后，經(jīng)RC濾波輸出信號(hào)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(shí)，4路比較器輸出為1111，此時(shí)選通16路模擬開(kāi)關(guān)ADG426的S16，此時(shí)放大器實(shí)現(xiàn)了跟隨器的作用，Vout=Vin。當(dāng)0.6V<Vinrms<1.2V時(shí)，4路比較輸出為0111，此時(shí)選通16路模擬開(kāi)關(guān)ADG426的S15，使得R95接地，因此增益G=2；當(dāng)0.3V< Vinrms<0.6V時(shí),比較器輸出0011，此時(shí)選通ADG426的S13，使得R96接地，因此增益G=4；當(dāng)0.15V< Vinrms<0.3V時(shí)，比較器輸出0001，使得R97接地，此時(shí)選通ADG426的S9，增益G=8；當(dāng)Vinrms<0.15V時(shí)，比較器輸出0000，使得R98接地，此時(shí)選通ADG426的S1，增益G=16。比較器的參考電壓可以根據(jù)實(shí)際的需求作出相應(yīng)調(diào)整，使放大輸出信號(hào)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(jì)是在先期產(chǎn)品試驗(yàn)暴露的問(wèn)題上提出的改進(jìn)方案，在未采用自動(dòng)增益控制電路時(shí)，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(hào)需逐級(jí)放大，單級(jí)放大增益不能過(guò)大，否則會(huì)發(fā)生信號(hào)畸變。接收機(jī)信號(hào)放大增益分別為一級(jí)增益G1=5，二級(jí)增益G2=4，三級(jí)增益G3=5，總的增益為100。前期接收機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于電纜深度控制器在不同距離的節(jié)點(diǎn)接收到的下發(fā)指令信號(hào)的衰減不一樣，最前端的信號(hào)最強(qiáng)，信號(hào)可達(dá)到1V左右，最尾端的信號(hào)強(qiáng)度最弱，信號(hào)可接近2.5mV左右，因此經(jīng)過(guò)固定增益放大后，信號(hào)在0.25V～10V（放大器采用±5V供電滿幅值輸出信號(hào)畸變），經(jīng)過(guò)限幅處理后，進(jìn)入解調(diào)單元的信號(hào)在0.25V～1V左右，其信號(hào)強(qiáng)度差異較大。對(duì)于解調(diào)單元芯片，其最佳解調(diào)的信號(hào)在0.5V-1V之間，對(duì)于這種信號(hào)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作通信成功率低。因此提出改進(jìn)前置放大自動(dòng)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(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度在25～400之間自動(dòng)調(diào)整增益大小，始終保持當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信號(hào)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(yàn)證自動(dòng)增益電路的可行性，采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源將26kHz正弦信號(hào)輸入到接收機(jī)的前置放大電路，從1mV～10V改變信號(hào)的幅值大小，通過(guò)示波表觀察自動(dòng)增益放大電路輸出波形，可以發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)幅值始終處于1V左右，很好的驗(yàn)證了自動(dòng)增益電路的可行性。接收機(jī)改進(jìn)前通過(guò)湖上試驗(yàn)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(wú)法突破70%。通過(guò)改進(jìn)此增益控制電路，經(jīng)過(guò)多次湖上試驗(yàn)和多次海上驗(yàn)證試驗(yàn)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(yǔ)

    本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于電纜深度控制器接收機(jī)中，并能很好實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)際使用檢測(cè)結(jié)果，該電路的設(shè)計(jì)功耗只有2mA左右。因此該自動(dòng)增益控制電路非常適合采用電池供電的設(shè)備使用。

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    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第七期