基于增益自动控制的精密信号检测电路探析

丁瑞昕

摘要：本文主要研究分析一种精准信号侦测电路设计，该电路核心依赖于自动增益调控机制。这一电路设计不仅针对微弱信号可以实现高敏感度的侦测能力，而且嵌入自适应的增益调节特性，从而能够灵活应对多样化的输入信号强度。详尽介绍该电路从概念构思到实现过程、性能验证，以及其在实际中的应用案例等各个层面内容，以供参考。

关键词：精密信号；检测；自动控制；电路设计

DOI：10.12433/zgkjtz.20240917

基金项目：广州市现代产业学院项目——智能装备制造现代产业学院

项目编号：2023XDCY005

随着科技的进步和创新，高精度信号检测技术在多个领域中得到广泛的运用。特别是在医疗、通信、航天航空等领域，对信号的精确度和稳定性的需求日益增强。因此，研究人员研发和构建一种具有高灵敏度、高稳定性的精密信号检测电路，显得尤为关键。

一、系统硬件总体设计

AD转换器是检测系统中的关键组件，由于涉及精密信号检测，所以对系统中的数字模拟转换器（AD转换器）有特殊的要求。下文将论证微处理器的选择方案，以确定总体方案。

方案：选择内置A/D转换功能的微处理器，这样能实现数据的采集、完成A/D转换，缩小设备的体积、大大降低了成本，提高系统的可靠性和电气性能指标。

在方案中，有多种微处理器可供选择。通常，AD转换器在8～10位，这样的分辨率对于一般目的地检测和普通的控制领域能够满足要求，但对高精度的检测显然不够。

二、总体框图

该检测系统具备对两种类型的信号——交流和直流信号进行监测的功能。交流信号在经过专用放大器和精密整流电路的处理之后，以及直流信号在通过放大器处理之后，均会输入到AD转换器中。

在系统中提供大容量的外部数据存储能力，提供键盘和数码显示功能，方便系统进行参数设置和结果的实时显示。总体设计框架如图1所示。

三、ADuC834介绍

（一）ADuC834的组成

ADuC834包括双路Σ-△ADC、温度传感器、可编程的增益放大器。

内部包括两个主通道和两个辅助通道。一个温感及一个放大倍数可编程的放大器，对于一些微弱信号可直接测量。内核8052选用智能转换器，它与8051指令集兼容。机器周期是12个内核时钟周期，由内核工作频率确定。数据RAM片丰富，具备扩展各种字节的存储空间能力，广泛应用在数据采集和记录仪器设备内部。

片内通过UART可串行下载或调试模式，可利用EA引脚引入单引脚模式竞争。ADuC834同时支持各种升级系统或低成本的软硬件。

ADuC834的功能框图及引脚定义，如图2所示。

RESET引脚的功能：复位输入。振荡器工作，若持续保持16个主时钟周期的高电平信号，器件复位。在设计过程中，为了实现ADuC834与8255A的同步复位，将ADuC834的复位引脚与8255A的复位引脚相连。

RXD引脚的功能：UART串行口接收数据。

TXD引脚的功能：UART串行口发送数据。

WR引脚的功能：写控制信号，用于将来自P0口的数据字节锁存入外设中。

RD引脚的功能：读控制信号，用于将外设中的数据读取到P0口中。

T0引脚的功能：定时器/计数器0的输入。

T1引脚的功能：定时器/计数器1的输入。

ALE引脚的功能：作为逻辑输出的地址锁存允许输入信号。如果正常工作，其输出可将地址的低字节或24位地址空间访问中的中字节全部锁存进入外部存储器。此外，在期间内，ALE被激活需要至少6个振荡器周期。

在设计中，通过ALE管脚在ADuC834外设一个锁存器（本设计锁存器采用的是74HC573），实现地址的锁存。AIN0-AIN78个管脚为模拟输入管脚，其输入电压范围为0～VREF，本设计中模拟参考电源的范围是0～2.5V。因而输入到模数转换器的信号幅度不应该超过0～2.5V，采用精密整流的方法，使得交流电的电压范围达到要求。

（二）AD采样原理以及片内AD转换器

A/D转换技术将连续的一个模拟输入信号转换成若干位的二进制数字信号输出。因其具有灵活性，A/D可实现多种高级自适应的算法模式，并完成许多模拟电路难以实现的任务。这种优势导致数字技术逐渐替代了传统的模拟信号处理方法。∑–△转换器（也称为过采样ADC）具有相对简单的结构，又称为过采样转换器。这种转换器不仅支持双通道操作，降低了成本，而且还提供了高分辨率的模数转换能力，这些特点使其在多通道数据处理应用中非常有价值。采用∑–△结构实现A/D转换，使得在噪声环境下，器件工作也能免受干扰，因此它广泛应用于工业控制。同时，它具有能改变的增益放大倍数，和精准的数字滤波器，其校准选项也比较精确。

1.∑–△ADC技术

当使用分辨率很高时传统的ADC时，无论采用积分型或逐次比较型或闪烁型等，过程中都会出现一系列问题，如使用了抗混叠滤波器或采用误差小的采样保持电路，因为需要放置在前端，实现难度极大。∑–△ADC它使用了例如过采样技术、量化噪声波形分析技术、精准的数字滤波器、随机采样抽取等若干项技术，才能实现分辨率的提高。具体工作工程先以极高的采样速率将模拟量转化成高速数据流，再对ADC输出量进行随机采样抽取和量化噪声波形分析，从而得到采样速率正常下的A/D转换。它的优点集中在可与数字信号处理系统单片集成化，无须采用误差小的采样保持电路，对放置前端的输入抗混叠滤波器要求不高很易实现。

2.过采样技术

在对3位单极性ADC的理想模型进行分析时，注意到在模拟电压达到1/2最小有效位（LSB）阈值时，首个数字码变化发生。随后，每增加1LSB的模拟电压，数字输出便会经历一次跳变。鉴于模拟连续输入可以任意，而对数字输出要求必须量化，这直接使模拟输入和数字输出间存在很大的量化误差。如对交流信号进行采样，量化误差会直接放大转化为量化噪声。

现在，将使用的ADC加一个恒定的直流输入电压，然后对该模拟量进行多次采样，数字输出结果基本一致，其精度也会有很小的量化误差。所以，如果在该直流信号的基础上再叠加一个交流信号，并且采用远高于此交流频率的采样率来进行数据采集，此时数字输出肯定会有所变化。分析计算以上采样数据的平均值来作为ADC转换的结果，可以使采样分辨率显著提升，所采用的技术称为过采样技术。如果本身输入的模拟电压就是交流信号，那无须额外叠加，直接使用采样频率远高于输入信号频率的高采样率方法，再利用平均值作为结果，同样可以提高ADC分辨率。

3.过采样技术在数模转换中的优势

（1）提高信号重建的真实性：通过以高于奈奎斯特频率的采样率对信号进行采样，有助于更真实地重建原始信号。

（2）增强采样分辨率：利用采样和相应的数字信号处理技术，提升ADC的采样分辨率，使得系统能够检测到更微小的信号变化。

（3）减少混叠失真：当采样频率高于信号最高频率的两倍时，即遵循奈奎斯特采样定理，可以有效避免因欠采样导致的信号混叠问题。

4.改善信噪比

过采样提高信号的信噪比（SNR），量化噪声功率在更宽的频带内分布，从而降低在感兴趣频带内的噪声水平。

（三）电路设计与仿真

本设计的核心单片机ADuC812输入电压范围为0～2.5V。交流信号经过精密整流电路后，转变为与交流信号幅度成比例的直流信号进行检测。

精密信号检测电路主要包括放大电路、滤波电路、A/D转换电路和自动增益控制电路等部分。其中，自动增益控制电路是整个系统的核心部分，它根据输入信号的强度和稳定性自动调整放大器的增益，从而实现对不同信号的高灵敏度检测。精密整流电路原理如图3所示。

精密整流电路的分析：

设Vin处电压为Vi，out1处电压为Vo1，out处电压为Vo2。

当Vi＞0时，Vo1=-2ViVo2=-（-2Vi+Vi）=Vi;

当Vi＜0时，Vo1=0Vo2=-Vi;

所以，Vo2=︱Vi︱。

故此电路也称作绝对值电路。

精心构建并细致调校增益电路、信号滤波器以及模数转换器等关键电子组件，使工作效能达到良好状态。此外，研发人员还研发了自适应增益控制电路，并对运作效率进行了彻底的检验与深入的分析。精密整流电路的仿真结果如图4所示。

（四）实际电路

在本设计中对精密整流电路的最终放大级进行调整。具体来说，在电阻R9上并联一个2.2微法拉的电解电容，并且在输出电阻R14之后，也对地连接一个同等容量的电解电容，以此构建一个包含积分电容的精密整流电路。

该设计的首个组成部分负责监测输入信号的振幅。这一检测机制将输入信号转换成直流电压级别，以此来表征输入信号的强度。然后，直流电压被传送到控制电路中。第二个组成部分的主要职责是根据检测电路提供的信号强度数据来调节放大器的增益。最后，第三个部分则是根据控制电路的指令，进一步调整放大器的增益。有关详细电路的设计，如图5所示。

（五）该电路在实际应用场景中的限制

信号动态范围限制：自动增益控制电路设计是为了在输入信号幅度变化较大时，保持输出信号幅度的稳定。然而，这种电路对于超出其设计动态范围的信号可能无法有效调节，导致输出信号失真或不稳定。

响应时间限制：ADC电路的响应时间是衡量其性能的重要参数。如果输入信号的变化速度非常快，ADC电路可能无法及时调整增益，影响输出信号的质量。

噪声和线性度限制：在ADC电路中，为了实现增益的自动控制，会引入额外的噪声和非线性失真，这些因素都对信号的质量产生不利影响。

复杂性和成本限制：高精度和宽动态范围的ADC电路需要复杂的设计和高性能的组件，这会增加电路的复杂性和成本。在一些成本敏感的应用中，这是一个重要的限制因素。

（六）软件设计

程序设计部分包括主程序，定时器中断服务子程序和AD转换中断服务子程序以及键盘显示子程序及部分组成。本程序在WINDOWS操作系统下，在Quickstart环境下用C51编写。

主程序是程序设计中的核心部分，能够从整体上体现系统进行测量和显示的整体过程。

在本设计中，主要涉及外围扩展接口的初始化（8255初始化/键盘显示初始化），以及内部资源的初始化（定时器，AD转换器，串行口）等。在完成初始化任务后，系统开始中断，开始进入循环操作过程。主要的任务是监控键盘和LED显示的更新，而数据采集和处理，数据传输和发送等在中断服务子程序中进行，这样不仅节省CPU时间，而且能够保证数据采集的等间隔进行。

四、结语

本文介绍一种通用交流/直流信号精密检测仪的设计过程，包括硬件设计和软件设计两部分的设计内容。设计采用新近推出的微处理器ADuC834，该处理器带有片内的AD和DA转换器。设计充分利用了该芯片的优势，使得检测仪能够提供24bit与16bit精度的模数与前端的增益电压控制的放大器结合能够满足精密测量的要求。设计的8个功能键和8个LED的设置能够满足通用检测仪的要求，为人机交互提供便利。软件设计采用C51语言进行设计。设计中，模拟信号的转换控制以及AD转换结果的读取、存储和传输安排、检测结果的显示在中断服务程序中进行，而键盘服务作为CPU的常规任务。该电路的架构精妙地缓解了中央处理单元（CPU）的使用率和资源分配挑战，同时确保了对高精度数据采集的需求得以满足。经过系列实验评估，可以观察到，所开发的高级信号检测电路展现出了卓越的敏感度、稳健性以及自适应增益调节能力。与传统的信号检测方案相比，此电路表现出更强的适应性，能够灵活应对多样化的应用环境和信号种类。另外，该电路在精确处理低强度信号方面显现出较高的精准度和鲁棒性，这对于涉及医疗诊断、通信系统，乃至航空航天等关键行业的应用而言，具有不可忽视的价值。

参考文献：

[1]赵志刚.增益自动控制的精密信号检测电路设计[J].电子技术应用，2021，37（03）：112-115.

[2]王晓明.基于FPGA的精密信号检测电路设计[D].电子测量与仪器学报，2020.

[3]张海燕.基于CMOS技术的精密信号检测电路设计[J].微电子学，2019，49（06）：34-39.