專利名稱：超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲測(cè)距系統(tǒng)回聲信號(hào)自動(dòng)控制技術(shù)。特別是涉及一種適用于工業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)基于超聲的距離測(cè)量，也可用于移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)避障或自主車輛導(dǎo)航等的超聲測(cè)距 用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路。
背景技術(shù)：
在空氣介質(zhì)中，聲波沿其傳播路徑受到反射、散射、吸收等因素的影響，其強(qiáng)度將 隨傳播距離的增大而迅速衰減。因此，障礙物距離超聲換能器較遠(yuǎn)時(shí)，回聲信號(hào)很微弱， 障礙物距離超聲換能器較近時(shí)，回聲信號(hào)幅度大，這種回聲信號(hào)幅度的波動(dòng)會(huì)給回聲信 號(hào)的接收以及后續(xù)處理帶來(lái)不確定性，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差產(chǎn)生，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果。 因此，通常在超聲測(cè)距系統(tǒng)的回聲信號(hào)接收電路中配置自動(dòng)增益控制電路。
自動(dòng)增益控制電路能自動(dòng)調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)，在信號(hào)輸入微弱時(shí)，放大倍數(shù)增大； 同樣在輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，放大倍數(shù)變小；此增益控制電路在輸入信號(hào)幅度不同的情況下， 輸出信號(hào)幅值相同且波形不失真。
圖1描述了超聲測(cè)距系統(tǒng)的原理框圖。下面將說(shuō)明超聲測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。 如圖1所示，系統(tǒng)上電后開(kāi)始工作，由FPGA的發(fā)射序列模塊101產(chǎn)生發(fā)射序列，該發(fā) 射序列通過(guò)功率放大模塊102放大為高壓信號(hào)，該高壓信號(hào)激勵(lì)超聲換能器103發(fā)射出 超聲波，超聲波遇到障礙物104后返回，返回的回聲信號(hào)被超聲換能器103接收，接收 到的回聲信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路105后送往自動(dòng)增益控制電路106放大到預(yù)定值以保證回聲 信號(hào)波形的幅值不隨測(cè)量距離的變化而變化，放大后的回聲信號(hào)送往整形電路107轉(zhuǎn)換 為二值信號(hào)，將該二值信號(hào)送入FPGA的回聲信號(hào)處理及距離計(jì)算模塊108計(jì)算換能器與 障礙物的距離。
國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)分析-
文獻(xiàn)"自動(dòng)增益電路在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究"(測(cè)控技術(shù)，2005年第24 巻第7期，華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系，曾祥進(jìn)，王敏，黃心漢)應(yīng)用場(chǎng)效應(yīng)管的
可變電阻功能，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)增益電路來(lái)對(duì)超聲波的聲波衰減進(jìn)行補(bǔ)償。該文獻(xiàn)根據(jù) 聲波在空氣中傳播時(shí)聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減的特性，設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益補(bǔ)償電路的放大倍數(shù) 呈指數(shù)規(guī)律變化。
文獻(xiàn)"提高超聲波測(cè)距精度方法的研究"(現(xiàn)代電子技術(shù)，2007年第15期，中國(guó)計(jì) 量學(xué)院，張珂，劉鋼海)采用時(shí)間增益補(bǔ)償技術(shù)，補(bǔ)償超聲波在空氣中的衰減，減少回 波信號(hào)的起伏。該文獻(xiàn)根據(jù)時(shí)間增益補(bǔ)償回聲信號(hào)的衰減，即時(shí)間上較早到達(dá)的回聲信號(hào)的放大倍數(shù)較小。
文獻(xiàn)"大動(dòng)態(tài)范圍高線性JFET壓控電阻"(南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2001年第 34巻第4期，南開(kāi)大學(xué)微電子科學(xué)系，宋樹(shù)貴，柏松)擴(kuò)大了 JFET可變電阻區(qū)的動(dòng)態(tài)范 圍，并能實(shí)現(xiàn)壓控正電阻和壓控負(fù)電阻。該文獻(xiàn)只討論了如何擴(kuò)大JFET可變電阻區(qū)的動(dòng) 態(tài)范圍，不涉及自動(dòng)增益控制電路的設(shè)計(jì)。
文獻(xiàn)"一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的改進(jìn)"(電子技術(shù)應(yīng)用，2007年第4期，中南 大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，趙海鳴，王紀(jì)婢，劉軍，史春雪)提出了一種利用回波包絡(luò)、微分 和過(guò)零檢測(cè)來(lái)確定超聲波回波到達(dá)時(shí)刻的方法，在其硬件電路的設(shè)計(jì)中自動(dòng)增益電路由 可編程放大器，數(shù)字電位器結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，將在不同距離處測(cè)得的放大倍數(shù)換算成數(shù) 字電位器的抽頭位置，將位置參數(shù)固化到E2PR0M中，單片機(jī)通過(guò)中斷方式査表獲得對(duì)應(yīng) 的放大倍數(shù)，該文獻(xiàn)中的自動(dòng)增益電路所能放大的倍數(shù)有限，不能實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)無(wú)級(jí)可 調(diào)。
"自動(dòng)增益控制電路"(專利申請(qǐng)?zhí)?00310117902.5)提出了一種不需要由電阻 器和電容器構(gòu)成的積分電路的自動(dòng)增益控制電路，該方案中控制輸入信號(hào)的放大或衰減 倍數(shù)是由電壓比較器、遞增/遞減計(jì)數(shù)器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路組成，輸出信號(hào)與設(shè)定信號(hào)送 入電壓比較器，用電壓比較器的輸出信號(hào)控制遞增/遞減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，從數(shù)/模轉(zhuǎn)換 電路輸出與計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)的電壓，該電壓控制可變?cè)鲆娣糯箅娐返脑鲆嬷?。此發(fā)明不涉及 多級(jí)放大，且放大倍數(shù)不是無(wú)級(jí)可調(diào)的。
"自動(dòng)增益控制電路"(實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)?00620129766.0)提供的自動(dòng)增益 控制電路的放大倍數(shù)控制信號(hào)由比較器和積分器產(chǎn)生。
"大動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)自動(dòng)增益控制電路"(專利申請(qǐng)?zhí)?0125471.5)提出了一種大 動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)自動(dòng)增益控制電路，能夠補(bǔ)償二極管在小信號(hào)檢波時(shí)的非線性問(wèn)題，其用 兩級(jí)受控增益放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電路中的自動(dòng)增益控制能力，放大倍數(shù)的控制方法使用比 較器。
博士學(xué)位論文"大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究"(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，潘仲明，2006) 采用阻容電路的充放電規(guī)律實(shí)現(xiàn)增益按指數(shù)規(guī)律變化的自動(dòng)增益可控電路。
碩士學(xué)位論文"高精度實(shí)時(shí)超聲測(cè)距技術(shù)研究"(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，隋衛(wèi)平，2003) 采用軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)增益隨時(shí)間呈指數(shù)變化的自動(dòng)增益控制電路，微處理器通過(guò) 査表方式確定某時(shí)刻的增益，此方案中電路的放大倍數(shù)有限，不是無(wú)級(jí)可調(diào)的。
碩士學(xué)位論文"水中超聲波接收機(jī)自動(dòng)增益和信號(hào)處理技術(shù)"(南京理工大學(xué)，鄭 吉華，2007)采用數(shù)字處理方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制電路，它將信號(hào)采樣量化后通過(guò)數(shù)字 處理的方法得到增益控制參量，然后控制接收機(jī)的可增益運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)增益控制。
通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的方法主要有兩種 一種是傳統(tǒng)的+莫擬 方法，采用積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是數(shù)字方法，它將信號(hào)采樣量化后通過(guò)數(shù)字處理的 方法得到增益控制參量，然后控制接收機(jī)的可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)增益控制。這兩種方法共同的特點(diǎn)是需要事先知道信號(hào)放大倍數(shù)的規(guī)律(如超聲信號(hào)在空氣中放大倍數(shù)呈
指數(shù)規(guī)律)。而傳統(tǒng)的模擬方法采用積分電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的機(jī)理是RC充放電規(guī)律 呈指數(shù)規(guī)律，傳統(tǒng)的數(shù)字方法需將試驗(yàn)測(cè)得的一定距離處的放大倍數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)， 供實(shí)際測(cè)距時(shí)調(diào)用。由于超聲信號(hào)在空氣中傳播時(shí)受多種因素的影響，采用傳統(tǒng)方法設(shè) 計(jì)的自動(dòng)增益控制電路都有一定的局限性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種可變?cè)鲆娣秶蟆⒎€(wěn)定可靠，擴(kuò)大系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)可變范圍，且倍數(shù)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；采用PID調(diào)節(jié)電路控制放大倍數(shù)使得放大后的電壓 值穩(wěn)定在預(yù)定值的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路， 包括有依次串聯(lián)連接的n級(jí)放大電路，每一級(jí)放大電路上分別對(duì)應(yīng)連接結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管， 所述的第一級(jí)放大電路的輸入端連接輸入信號(hào)，所述的第n級(jí)放大電路的輸出構(gòu)成輸出 信號(hào)，所述的輸出信號(hào)還通過(guò)依次串聯(lián)連接的取樣電路、PID電路和限幅電路后，分別連 接各結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，所述的PID電路的信號(hào)輸入端還連接給定電路。
所述的每一級(jí)放大電路中都包括一個(gè)運(yùn)算放大器，所述的n個(gè)運(yùn)算放大器為相同結(jié) 構(gòu)，每一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端各連接一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，各 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地，其中，運(yùn)算放大器反相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極 連接限幅電路的輸出端，運(yùn)算放大器同相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極接地。
所述的取樣電路包括有將輸入的交流信號(hào)電壓整流濾波成直流信號(hào)電壓的全波整流 電路，所述的交流信號(hào)電壓與直流信號(hào)電壓幅度成正比。
所述的給定電路包括有三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片和由電阻組成的外圍電路，以及與三端穩(wěn) 壓基準(zhǔn)芯片陰、陽(yáng)極連接的電位器，所述電位器的可調(diào)端連接PID電路。
所述的PID電路包括有接收取樣電路的反饋信號(hào)電壓和給定電路的給定信號(hào)電壓并 計(jì)算出偏差電壓的加法器，以及接收偏差電壓的PID調(diào)節(jié)器。
本發(fā)明的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，采用PID調(diào)節(jié)器控制放大 倍數(shù)，無(wú)論放大倍數(shù)的規(guī)律如何，它都能使其穩(wěn)定在設(shè)定值。且采用多級(jí)放大提高其動(dòng) 態(tài)范圍，采用壓控電阻控制增益使其無(wú)級(jí)可調(diào)的。本發(fā)明的特點(diǎn)如下-
(1) 采用JFET壓控電阻控制電路的增益，實(shí)現(xiàn)增益的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
(2) 采用多個(gè)放大電路同時(shí)工作，擴(kuò)大可控制增益的動(dòng)態(tài)范圍。
(3) 因采用PID調(diào)節(jié)器控制電路的增益，使得輸出電壓穩(wěn)定，為測(cè)距系統(tǒng)的后續(xù)模 塊工作提供可靠依據(jù)，使得系統(tǒng)測(cè)距準(zhǔn)確性提高。
圖1是超聲測(cè)距系統(tǒng)原理框圖；圖2是本發(fā)明的自動(dòng)增益控制電路結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明的自動(dòng)增益控制電路原理圖4是超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果圖，其中， (a)輸入電壓3 mV; (b)輸入電壓IO mV; (c)輸入電壓50 raV;
(d)輸入電壓100 mV(e)輸入電壓500 mV (f)輸入電壓1 V
(g)輸入電壓2 V (h)輸入電壓3 V。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路做 出詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提出了一種新的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路。該電路采用 多個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)組成多級(jí)受控增益控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電路中的自動(dòng)增益控制能 力，擴(kuò)大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可變范圍。采用PID調(diào)節(jié)電路控制增益使得回聲信號(hào)的電壓值穩(wěn)定 在預(yù)定值，使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。所提方法一方面可實(shí)現(xiàn)在高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)無(wú)級(jí)控制增益調(diào) 節(jié)電壓幅值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得所設(shè)計(jì)電路的最大放大倍數(shù)約為20736倍；另一方面可實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 增益調(diào)節(jié)后的回聲信號(hào)電壓幅值穩(wěn)定且不失真，設(shè)計(jì)電路中的輸出信號(hào)峰-峰電壓穩(wěn)定在 6. 0V。
如圖2所示，本發(fā)明的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，包括有依 次串聯(lián)連接的n (n》1)級(jí)放大電路1、 2、 3、…4，每一級(jí)放大電路上分別對(duì)應(yīng)連接結(jié) 型場(chǎng)效應(yīng)管8、 7、 6、…5，所述的第一級(jí)放大電路1的輸入端連接輸入信號(hào)IN，所述的 第n級(jí)放大電路4的輸出構(gòu)成輸出信號(hào)0UT，所述的輸出信號(hào)OUT還通過(guò)依次串聯(lián)連接的 取樣電路9、 PID電路11和限幅電路12后，分別連接各結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管8、 7、 6、…5，所 述的PID電路11的信號(hào)輸入端還連接給定電路10。
本發(fā)明首先根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)給定電路10設(shè)定預(yù)期電壓值，輸入信號(hào)IN送入放大 電路1進(jìn)行一級(jí)放大， 一級(jí)放大的輸出送入放大電路2進(jìn)行二級(jí)放大，依次類推，n-l 級(jí)放大的輸出送入放大電路n進(jìn)行n級(jí)放大，經(jīng)過(guò)n級(jí)放大后輸出0UT。取樣電路9對(duì)輸 出信號(hào)OUT進(jìn)行取樣，取樣電壓和預(yù)期電壓送入PID電路ll，如果取樣電壓和預(yù)期電壓 不同，PID電路11輸出經(jīng)過(guò)限幅電路12限幅后改變結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET 8， 7, 6，…，5的電 阻值，這些電阻值控制相應(yīng)放大電路1， 2， 3，， n的放大倍數(shù)，直到取樣電壓和預(yù)期電壓 相同時(shí)，PID電路11輸出不改變結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET 8，7，6，…，5的電阻值，各級(jí)放大電 路的放大倍數(shù)保持不變，輸出信號(hào)OUT穩(wěn)定于預(yù)期電壓值。
下面結(jié)合圖3說(shuō)明具體電路構(gòu)成和原理。
所述的每一級(jí)放大電路中都包括一個(gè)運(yùn)算放大器，所述的n個(gè)運(yùn)算放大器為相同結(jié) 構(gòu)，每一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端各連接一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，各 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地，其中，運(yùn)算放大器反相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接限幅電路12的輸出端，運(yùn)算放大器同相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極接地。 首先說(shuō)明一級(jí)放大電路1的工作原理，超聲換能器接收到超聲回聲信號(hào)IN是一級(jí)放 大電路1的輸入電壓K，若此時(shí)控制電壓為K， 一級(jí)放大電路1的輸出電壓為^。輸入 電壓^通過(guò)電容C3隔直后，再通過(guò)兩個(gè)電阻R5和R6的分壓作用，將結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1， Q2的漏-源電壓f^降至0.3V以下，K控制運(yùn)算放大器U1 (型號(hào)為NE5532)反相端的結(jié) 型場(chǎng)效應(yīng)管Ql (JFET8)的柵-源電壓rra ，也就是控制了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ql (JFET8)的漏-源 電阻/ 。5，進(jìn)而控制運(yùn)算放大器U1的放大倍數(shù)來(lái)控制一級(jí)放大電路1的輸出電壓^。具 體解釋如下
當(dāng)^<^《0， ^時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。
/0=&(2(^—r,DS—r。s2) (1)
V》/ ② 其中，F(xiàn)p為夾斷電壓，/^為飽和漏電流。 當(dāng)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源電壓很小時(shí)，式(1)可近似為
l
/0 2&d&)
(3)
(4)
W為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源電阻。
可見(jiàn)，只要改變結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源電壓^就能改變結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏-源電阻的
大小
一級(jí)放大電路1中放大器輸入與輸出的關(guān)系為
W6 +尺
'Q2
1 1 1
——+--1"一
/ 5 & M
蘭
'5
(5)
當(dāng)/ 5》
^時(shí)，
尺
22
/ 1
當(dāng)朋》/^2時(shí)，
(6)
(7)
其中，^,和^2分別是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ql和Q2的漏-源電阻。/fe2wi// 6/ el為同相輸入 端的放大倍數(shù)，i l/W5為反相輸入端的放大倍數(shù)。因?yàn)榻Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ql (JFET8)的漏-源電壓^很小，/ 2,的值可認(rèn)為不受其漏-源電壓&5的影響，所以柵-源電壓p;(控制電 壓)控制/ 0的值，即控制放大器的倍數(shù)。
運(yùn)算放大器Ul同相端的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2的作用是配合運(yùn)算放大器Ul反相端的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1使其線性電阻區(qū)盡可能大，擴(kuò)展結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1的輸入電阻&,的動(dòng)態(tài)范圍， 即擴(kuò)展結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1的輸入電壓^,的動(dòng)態(tài)范圍。具體解釋如下-
由于一級(jí)放大電路1的"+"端"-"端相當(dāng)于虛短，即其"+"端"-"端的電壓基 本相等，所以當(dāng)超聲回聲信號(hào)G的幅值變大時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏-源電壓r。/變化不 大，這樣保證了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1工作在可變電阻區(qū)的條件，同時(shí)擴(kuò)大了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1 的漏-源電壓Fw端電壓的動(dòng)態(tài)范圍。具體解釋如下當(dāng)超聲回聲信號(hào)^增大時(shí)，結(jié)型場(chǎng)
效應(yīng)管Ql的p^端電壓增大，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2的&,端電壓也增大，由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 Q2的rM =0，此時(shí)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極電流/2。也隨之增大(因?yàn)榻Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ql的^ 為負(fù)壓，所以結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極電流/^增加的速度比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏極電流 /,d要大得多)，從而導(dǎo)致電阻R6兩端的電壓降也隨之增大，又有「 = ^-^x/^，所以K 幾乎維持不變。由于運(yùn)算放大器U1的"虛短"特點(diǎn)，r = ^，故結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Ql的f^端 電壓維持在小范圍，仍能滿足可變電阻區(qū)的工作條件，這樣就大大擴(kuò)展了輸入電阻電壓 的動(dòng)態(tài)范圍。
二級(jí)放大電路2的工作原理與一級(jí)放大電路1類似，一級(jí)放大電路1的輸出電壓^通 過(guò)電容C6和電阻R7濾波后，再通過(guò)兩個(gè)電阻R8和R9的分壓作用，將結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q3， Q4的漏-源電壓rw降至0.3V以下，^控制運(yùn)算放大器U2 (型號(hào)NE5532)反相端的結(jié)型 場(chǎng)效應(yīng)管Q4(JFET7)的柵-源電壓&,，也就是控制了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q4(JFET7)的漏-源電 阻~ ，進(jìn)而控制運(yùn)算放大器U2的放大倍數(shù)來(lái)控制二級(jí)放大電路2的輸出電壓r2 。
三級(jí)放大電路3的工作原理與二級(jí)放大電路2類似，二級(jí)放大電路2的輸出電壓^通 過(guò)電容C7和電阻R11濾波后，再通過(guò)兩個(gè)電阻R12和R13的分壓作用，將結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 Q5， Q6的漏-源電壓^^降至0.3V以下，^控制運(yùn)算放大器U3 (型號(hào)NE5532)反相端的 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q5 (JFET6)的柵-源電壓rra ，也就是控制了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q5 (JFET6)的漏-源電阻^ ，進(jìn)而控制運(yùn)算放大器U3的放大倍數(shù)來(lái)控制三級(jí)放大電路3的輸出電壓^ 。
四級(jí)放大電路4的工作原理與三級(jí)放大電路3類似，三級(jí)放大電路3的輸出電壓K通 過(guò)電容C9和電阻R14濾波后，再通過(guò)兩個(gè)電阻R15和R16的分壓作用，將結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 Q7， Q8的漏-源電壓^降至0.3V以下，^控制運(yùn)算放大器U4 (型號(hào)NE5532)反相端的 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q8(JFET5)的柵-源電壓^,，也就是控制了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q4(JFET5)的漏-源電阻^,進(jìn)而控制運(yùn)算放大器U4的放大倍數(shù)來(lái)控制四級(jí)放大電路4的輸出電壓r。。
本電路以四級(jí)放大電路為例(可以推廣到n級(jí)放大)，四級(jí)放大電路具有相同的自 增益放大倍數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得每級(jí)放大倍數(shù)約為12倍，總的放大倍數(shù)約20736倍。
所述的取樣電路9包括有將輸入的交流信號(hào)電壓r。整流濾波成直流信號(hào)電壓^的全 波整流電路，所述的交流信號(hào)電壓K。與直流信號(hào)電壓^幅度成正比。
取樣電路9將多級(jí)放大器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電容Cll隔直的信號(hào)r。，通過(guò)由運(yùn)算放大器U5 (型號(hào)NE5532) ， 二極管D2和D3組成的全波整流電路整流濾波成直流信號(hào)^ ，且直 流電壓K幅度與交流信號(hào)電壓F。幅度成正比，這個(gè)直流電壓K作為系統(tǒng)的輸出反饋信號(hào)， 輸入到PID電路11，調(diào)節(jié)電位器R36可以改變反饋電壓的大小。
所述的給定電路10包括有并聯(lián)型三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片D(型號(hào)為T(mén)L431)和由電阻R27、 R29和R34組成的外圍電路，以及與并聯(lián)型三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片D的陰、陽(yáng)極連接的電位器 R35,所述電位器R35的可調(diào)端連接PID電路11。
為了使得給定電壓穩(wěn)定，本發(fā)明的給定電路10采用高精度的穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片TL431構(gòu) 成并聯(lián)型穩(wěn)壓電源，再通過(guò)電阻R35分壓成電路所需要的給定電壓^后送入PID電路ll。
所述的PID電路11包括有接收取樣電路9的反饋信號(hào)電壓^和給定電路10的給定 信號(hào)電壓^并計(jì)算出偏差電壓^的加法器U6，以及接收偏差電壓^的PID調(diào)節(jié)器。
反饋電壓^ (負(fù)值)和給定電壓^ (正值)送入加法器U6 (型號(hào)NE5532)計(jì)算出偏 差電壓^ (Ff=K+&)，此偏差電壓送入由電容C14，電阻R21， R19，電容C12及運(yùn)算 放大器U7 (型號(hào)NE5532)構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器中，則PID電路ll的輸出電壓為V。具體解 釋如下
尺21 + ZC14
Z2 =《9 + ZC12
丄
—=(《9 +々12 )("21 + Zci4 )
《9 +
/ 21 +
(8)
(9)
(10)
及21
1
《
則:
W19 +
及21 +
乂
(11)
輸入輸出關(guān)系式:
《9 , C14
(12)
PID電路11的輸出電壓經(jīng)過(guò)由二極管D1構(gòu)成的限幅電路12后輸出電壓^送入結(jié)型 場(chǎng)效應(yīng)管8、 7、 6、 5的柵極控制其柵-源電壓，進(jìn)而控制四級(jí)放大電路l， 2， 3， 4的放 大倍數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)由PID控制器調(diào)節(jié)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，其特征在于，包括有依次串聯(lián)連接的n級(jí)放大電路(1、2、3、…4)，每一級(jí)放大電路上分別對(duì)應(yīng)連接結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(8、7、6、…5)，所述的第一級(jí)放大電路(1)的輸入端連接輸入信號(hào)(IN)，所述的第n級(jí)放大電路(4)的輸出構(gòu)成輸出信號(hào)(OUT)，所述的輸出信號(hào)(OUT)還通過(guò)依次串聯(lián)連接的取樣電路(9)、PID電路(11)和限幅電路(12)后，分別連接各結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(8、7、6、…5)，所述的PID電路(11)的信號(hào)輸入端還連接給定電路(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，其特征在 于，所述的每一級(jí)放大電路中都包括一個(gè)運(yùn)算放大器，所述的n個(gè)運(yùn)算放大器為相同結(jié) 構(gòu)，每一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端各連接一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，各 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地，其中，運(yùn)算放大器反相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極 連接限幅電路(12)的輸出端，運(yùn)算放大器同相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極接 地。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，其特征在 于，所述的取樣電路(9)包括有將輸入的交流信號(hào)電壓(r。)整流濾波成直流信號(hào)電壓(K)的全波整流電路，所述的交流信號(hào)電壓(r。)與直流信號(hào)電壓(K)幅度成正比。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，其特征在 于，所述的給定電路(10)包括有三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片(D)和由電阻(R27、 R29、 R34) 組成的外圍電路，以及與三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片(D)陰、陽(yáng)極連接的電位器(R35)，所述 電位器(R35)的可調(diào)端連接PID電路(11)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，其特征在 于，所述的PID電路(11)包括有接收取樣電路(9)的反饋信號(hào)電壓(^)和給定電路(10)的給定信號(hào)電壓(^)并計(jì)算出偏差電壓(K)的加法器(U6)，以及接收偏差 電壓(K)的PID調(diào)節(jié)器。
全文摘要
一種超聲測(cè)距用多級(jí)高動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制電路，有依次串聯(lián)連接的n級(jí)放大電路，第一級(jí)的輸入端連接輸入信號(hào)，第n級(jí)的輸出構(gòu)成輸出信號(hào)，輸出信號(hào)還通過(guò)依次串聯(lián)連接的取樣電路、PID電路和限幅電路后，分別連接各結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，PID電路的信號(hào)輸入端還連接給定電路。每一級(jí)放大電路中包括一個(gè)運(yùn)算放大器，各運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端各連接一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極，各結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地，運(yùn)算放大器反相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接限幅電路的輸出端，運(yùn)算放大器同相輸入端所連接的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極接地。本發(fā)明無(wú)論放大倍數(shù)的規(guī)律如何，都能使其穩(wěn)定在設(shè)定值。且采用多級(jí)放大提高動(dòng)態(tài)范圍，采用壓控電阻控制增益使其無(wú)級(jí)可調(diào)。
文檔編號(hào)H03G3/20GK101557204SQ20091006898
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者姚振靜, 孟慶浩, 李根旺, 圃 林 申請(qǐng)人:天津大學(xué)