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案例頻道 （中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）任宏偉
任宏偉（1983-）男，甘肅酒泉人，畢業于吉林大學，目前從事水中兵器及海洋勘探測試儀器研究。
摘要：本文給出了一種簡單且易于實現的低功耗自動增益電路，該設計已成功應用于電纜深度控制器接收機中，并能明顯的改善通信效果。
關鍵詞：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據采集系統是目前海洋石油勘探的主要設備，該數據采集系統通過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，通常拖曳纜長達6000m，因此每條拖曳纜上將放置多達30套電纜深度控制器，以達到拖曳纜能在水下設定深度穩定。
由于信號隨著線纜的延長將逐漸衰減，因此，對于線纜上不同節點的電纜深度控制器接收到的信號強度將會不一致。電纜深度控制器的接收機如何能夠保證解調不同強度的信號呢針對這個問題，本文設計了一種簡單低功耗的自動增益電路，該電路能針對不同信號自動改變增益，使得解調輸入前的信號幅度保持在最佳解調幅度以內。
1 自動增益控制電路的設計與實現
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，使增益發生變化，典型的是采用雙柵場效應管，通過改變其中某一柵的直流偏置電壓使增益發生變化；另一種是在放大器級間插入可變衰減器，控制衰減量，使增益發生變化，典型的是各種集成的可變增益放大器。這兩種增益的改變通常都需配合A/D采樣，單片機處理后輸出控制電壓來改變增益，實現起來較為繁瑣，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大，不適合于電纜深度控制器使用。因此本文設計出一種簡單而又易于實現的低功耗自動增益控制電路，該電路只需通用的運算放大器、比較器和多路模擬開關組合即可實現。電路原理框圖如圖1所示。
圖1 自動增益控制電路框圖
電纜深度控制器接收機接收到控制器的指令信號后，經過低通濾波器濾除高頻成分噪聲信號，信號經兩級放大后，由絕對值檢波電路檢波，經RC濾波后得到信號的有效值，該有效值與比較器的參考電壓進行比較后輸出電平，通過比較器輸出的電平數字組合，控制多路模擬開關的不同開關導通，從而改變二級放大器的輸入電阻發生變化來改變放大器的增益。
本設計具體應用于電纜深度控制器調制解調板的前置放大電路中，可變增益分別為G=1，2，4，8，16，各模塊設計電路如圖2至圖4所示。
圖2 絕對值電路原理圖
圖3 比較器電路原理圖
圖4 增益選擇開關電路原理圖
反饋信號經絕對值檢波電路檢波輸出后，經RC濾波輸出信號的有效值。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Vinrms〉1.2V時，4路比較器輸出為1111，此時選通16路模擬開關ADG426的S16，此時放大器實現了跟隨器的作用，Vout=Vin。當0.6V<Vinrms<1.2V時，4路比較輸出為0111，此時選通16路模擬開關ADG426的S15，使得R95接地，因此增益G=2；當0.3V< Vinrms<0.6V時,比較器輸出0011，此時選通ADG426的S13，使得R96接地，因此增益G=4；當0.15V< Vinrms<0.3V時，比較器輸出0001，使得R97接地，此時選通ADG426的S9，增益G=8；當Vinrms<0.15V時，比較器輸出0000，使得R98接地，此時選通ADG426的S1，增益G=16。比較器的參考電壓可以根據實際的需求作出相應調整，使放大輸出信號幅度保持在最佳解調范圍內。
2 應用結果
本文所給出的電路設計是在先期產品試驗暴露的問題上提出的改進方案，在未采用自動增益控制電路時，電纜深度控制器接收機只是做了固定增益放大，考慮到信號需逐級放大，單級放大增益不能過大，否則會發生信號畸變。接收機信號放大增益分別為一級增益G1=5，二級增益G2=4，三級增益G3=5，總的增益為100。前期接收機試驗發現，由于電纜深度控制器在不同距離的節點接收到的下發指令信號的衰減不一樣，最前端的信號最強，信號可達到1V左右，最尾端的信號強度最弱，信號可接近2.5mV左右，因此經過固定增益放大后，信號在0.25V～10V（放大器采用±5V供電滿幅值輸出信號畸變），經過限幅處理后，進入解調單元的信號在0.25V～1V左右，其信號強度差異較大。對于解調單元芯片，其最佳解調的信號在0.5V-1V之間，對于這種信號強度跳躍大的，解調脈沖寬度容易出現較大差異，從而導致解調誤碼數據，出現部分電纜深度控制器通信效果差。由于該系統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導致整個系統工作通信成功率低。因此提出改進前置放大自動增益控制的方案，改進后的增益控制電路，能夠根據節點的信號強度在25～400之間自動調整增益大小，始終保持當前節點的信號強度處于1V左右幅值范圍內，極大的提高了通信成功率。
為驗證自動增益電路的可行性，采用標準信號源將26kHz正弦信號輸入到接收機的前置放大電路，從1mV～10V改變信號的幅值大小，通過示波表觀察自動增益放大電路輸出波形，可以發現輸出信號幅值始終處于1V左右，很好的驗證了自動增益電路的可行性。接收機改進前通過湖上試驗的結果表明，經常有部分電纜深度控制器通信數據丟失，系統通信成功率始終無法突破70%。通過改進此增益控制電路，經過多次湖上試驗和多次海上驗證試驗表明，系統通信成功率已達到90%，通信效果明顯改善。
3 結束語
本設計已成功應用于電纜深度控制器接收機中，并能很好實現自動增益控制，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，根據實際使用檢測結果，該電路的設計功耗只有2mA左右。因此該自動增益控制電路非常適合采用電池供電的設備使用。
參考文獻：
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摘自《自動化博覽》2010年第七期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號