Negatif geri besleme teorisine dayalı sinyal koşullandırma devresinin tasarımı
Sıfır-IF radar alma sisteminde, yankı sinyali, bir ara frekans sinyali elde etmek için yerel osilatör sinyali ile karıştırılır. Genel olarak, ara frekans sinyalinin boyutu doğrudan yankı sinyalinin gücü ile ilişkilidir.Eğer yankı sinyali kuvvetliyse, ara frekans sinyalinin genliği büyük olacaktır ve yankı küçükse, ara frekans sinyalinin genliği küçük olacaktır. Genellikle ara frekans sinyali ADC tarafından toplanır, analog sinyal dijital sinyal olarak toplanır ve ardından dijital sinyal işleme gerçekleştirilir. Doppler hız radarı için sistem, sinyal genliğinin olabildiğince kararlı olmasını ve işlem doğruluğunun daha yüksek olmasını gerektirir.Sinyal genliği düzensiz bir şekilde değişirse, yararlı sinyalin çok küçük olan kısmı gürültü olarak değerlendirilir ve işleme Sonuçların bir etkisi var. Bu metin, negatif geri besleme açısından başlar, AD603'ü otomatik kazanç kontrolünü sürdürmek, sinyal koşullandırma işlevini gerçekleştirmek için kullanır.
1 Olumsuz geri bildirim
Geri bildirim, olumsuz geri bildirime ve olumlu geri bildirime ayrılabilir. Negatif geri besleme, sistemin çıktısının girdiye belirli bir şekilde etki etmesidir, böylece sistem çıktısı ile sistem hedefi arasındaki hata azaltılır ve sistem stabilize olma eğilimindedir; olumlu geri bildirim tersi iken ve olumlu geri bildirim, çıktının girdiye benzer bir rol oynamasını sağlar, bu nedenle Sistem sapması artmaya devam eder, böylece sistem salınım yapar ve bu da kontrol etkisini artırabilir. Devrede, pozitif geri besleme genellikle frekans üretimi için kullanılır; negatif geri besleme, sistem kararlılığını iyileştirmek ve amplifikatör geçiş bandını genişletmek için kullanılır.
Otomatik kazanç kontrolü, sistemin kazancının belirli bir aralıkta kararlı olmasını gerektirir ve negatif geri besleme bu gereksinimi karşılayabilir. Otomatik kazanç kontrol sisteminde, voltaj kontrollü bir kazanç amplifikatörü kullanıyorsanız, önce kullanım sırasında sistem için bir hedef noktası, yani hedef sinyalin çıkış genliği ayarlamanız gerekir. Sinyal genliği hedef noktayı aştığında, sistem büyütmesi azaltılabilir; tersine, çıktı sinyali genliği hedef sinyal genliğinden daha az olduğunda, sistem büyütmesi artar. Negatif geri besleme fikridir Negatif geri besleme, sistemin, büyütmeyi sürekli olarak ayarlayarak, çıktıyı belirlenen hedef değer çevresinde mümkün olduğunca sabit tutması anlamına gelir.
Şekil 1, tasarımda kullanılan sistem yapısının şematik blok diyagramıdır.Sinyal girildikten sonra, değişken bir kazanç amplifikatörü tarafından yükseltilir ve daha sonra, düzeltme ve filtrelemeden sonra bir DC sinyali elde edilir.DC sinyali, negatif elde etmek için değişken kazanç amplifikatörünün kazanç kontrol bölümüne geri beslenir. Geri bildirim.
2 Devre tasarımı
Devre tasarımı üç bölüme ayrılmıştır: hassas tam dalga doğrultma, otomatik kazanç kontrolü ve geri besleme sistemi Bu üç bölüm aracılığıyla, 30 mV 4 V, 100 kHz 500 kHz'lik küçük sinyallerin koşullandırılması gerçekleştirilir.
2.1 Hassas tam dalga düzeltme
Doğrultma, AC sinyalini tek yönlü bir titreşimli sinyale dönüştürmek anlamına gelir.Zayıf AC sinyali tek yönlü bir titreşimli sinyale dönüştürülebiliyorsa, buna hassas düzeltme veya hassas algılama denir. En yaygın düzeltme yöntemi, Şekil 2'de gösterildiği gibi tam dalga doğrultma için dört diyottan oluşan bir köprü yığını kullanmaktır.
Köprü düzeltmesi için, sinyalin diyotu açması gerektiğinden, diyotun açılması sinyal genliğini feda etmelidir. Aynı zamanda, diyot kullanımı daha fazla gürültünün ortaya çıkmasına neden olacaktır. Diyotun volt-amper denkleminden:
Bunlar arasında, IS diyot ters doygunluk akımıdır ve VT, boyutu voltaj olan sıcaklıkla ilgili fiziksel bir miktardır.
Diyotun doğrusal olmayan özelliklerinden dolayı, sinyal diyottan geçtikten sonra yüksek harmonikler üretilecek ve bu da müteakip sinyal işlemeyi etkileyecektir; Ayrıca diyotun iletim voltajı düşüşü, sinyalin genlikteki iletim voltajı düşüşünden daha az olmasına neden olacaktır. Kesilme meydana gelir ve sinyal işlemeyi etkileyen yeni frekans bileşenleri belirir.
Bu nedenle, diyotsuz hassas bir redresör devresi seçin. Devre şeması Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir.
Hassas düzeltme için LMC6482 kullanın, LMC6482 bir çift op amp çipidir. Şekil 3'te gösterilen devrenin prensibi, LMC6482 tek güç kaynağı prensibini kullanmaktır; bu, iki aşamalı bir işlemsel amplifikatör kullanarak yalnızca pozitif bir seviye çıkarabilir, birincisi bir voltaj izleyici olarak kullanılır ve ikincisi bir işlemsel amplifikatör olarak kullanılır. Önceki aşamanın çıkışı, yarım dalga doğrultmanın sonucudur.Sinyal girişi pozitif olduğunda, önceki çıkış girişle aynıdır.Sinyal girişi negatif olduğunda, çıkış 0'dır. İkinci aşama bir toplayıcı olarak kullanılır ve toplayıcının ifadesi denklem (2) 'de gösterilir:
Bunlar arasında, U- önceki follower'ın girişiyle aynıdır, UO sonraki aşamanın çıkış sinyalidir ve UP, önceki follower'ın sinyal çıkışıdır. Diyotsuz hassas redresör devresinin tamamının ifadesi formül (3) 'te gösterilmiştir:
Simülasyondan sonra, diyotsuz hassas redresör devresi devre işlevini gerçekleştirebilir ve çıkış sinyali kaybolmayacaktır.
2.2 Otomatik kazanç kontrolü
Otomatik kazanç kontrolü, özellikle geniş sinyal aralığına sahip sinyaller için, tüm sinyal koşullandırma devresinin en önemli parçasıdır. Küçük genlikli sinyallerin toplanması kolay değildir, bu nedenle sinyali yükseltmek, sinyali uygun bir genliğe yükseltmek ve sonra örneklemek gerekir. Daha büyük genliğe sahip sinyaller için, sinyalin toplanmadan önce uygun bir genliğe zayıflatılması gerekir. Bu tasarım için, toplanması gereken sinyaller 30 mV ila 5 V arasındadır ve mevcut AD toplama çipi genellikle 3,3 V toplayabilir. Tasarımda hedef amplifikasyon seviyesi 3 V olarak belirlenmiştir.
Kazanç değişikliği genellikle kazancı ayarlamak için bir değişken kazanç işlemsel amplifikatör kullanır Değişken kazanç amplifikatörü genellikle voltaj kontrollü değişken kazanç işlem amplifikatörü, programlanabilir değişken kazanç işlem amplifikatörü ve belirli dişliler ile operasyonel amplifikatör olarak bölünür. Bu tasarım, AD603'ü, düşük gürültülü doğrusal desibel kazançlı işlemsel yükseltici olan voltaj kontrollü değişken kazanç işlemsel yükseltici olarak seçer. Çipin dahili işlevi iki kısma ayrılabilir, birinci kısım voltaj kontrol zayıflatma kısmı ve ikinci kısım sabit kazanç amplifikasyon kısmıdır. Gerilim kontrol zayıflatma kısmı önce sinyali kontrol gerilimine göre zayıflatır ve daha sonra sinyali amplifikasyon için ikinci aşamaya iletir. Kazancı, çipin 1 ve 2 pinleri tarafından kontrol edilir ve voltaj kontrol seviyesi -1,2 V ila 2 V arasındadır, aralarında -0,5 V ile 0,5 V arasında iyi bir doğrusallığa sahiptir. 90 MHz bant genişliğinde, harici geri besleme direnci 0 olduğunda, op amp -11 dB'lik bir kazanç sağlayabilir, geri besleme direnci sonsuz olduğunda kazanç 31 dB'dir; 9 MHz bant genişliğinde, kazanç 9 dB ila 51 dB'dir.
2.3 Geri bildirim sistemi
İdeal olarak, AD603'ün çıkışı 3 V tepe değerine sahip bir sinyaldir. Tam dalga doğrultusundan sonra, sinyalin tümü pozitif genliğe sahip bir sinyale dönüşür.
Tam dalga doğrultusundan sonra, sinyali filtrelemek için bir kapasitör kullanılır Düzeltilmiş sinyal dalgalı bir DC sinyalidir.Genel olarak, kapasitörün kapasitansı ne kadar büyükse, kapasitör şarj ve deşarj hızı o kadar yavaş ve dalgalanma o kadar küçük olur. Filtrelenen sinyal, Şekil 5'te gösterildiği gibi ters orantılı işlemsel amplifikatör devresine gönderilir.
Parametre ayarı, gerçek devreye göre değiştirilebilir. Ters orantılı işlemsel amplifikatör devresinin ifadesi şöyledir:
UO, kazanç kontrol bölümünün ters çevirmeyen giriş terminali olan AD603'ün pim 1'ine bağlanır. Şimdiye kadar donanım devresinin tasarımı tamamlandı.
3 Simülasyon ve hata ayıklama
3.1 Simülasyon
Multisim14'te simülasyonu devre üzerinde çalıştırın ve sonuç Şekil 6'da gösterilmektedir. Şekil 6, sistemin giriş voltajı ile çıkış voltajı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.30 mV'den başlayarak çıkış voltajının 2,7 V'un üzerine çıkabildiği görülmektedir.
Şekil 7, 1.4 V giriş geriliminden çıkış sinyalinin bozulmaya başladığını göstermektedir.Harmonik bastırma perspektifinden, 1.2 V'den sonra harmonik bastırma büyük ölçüde azalmıştır.Şekil 7'de gösterildiği gibi, bu, ikinci harmoniğin Güç arttığında, sinyal bozulur. Bu nedenle, devre parametrelerinin değiştirilmesi gerekir.
AD603'ün sinyal girişine bir zayıflatma ağı ekledikten ve geri besleme direncinin ve ters orantılı işlemsel yükselticinin eğim, kesişme, sıfır ve diğer parametrelerini değiştirdikten sonra ve direnç değerini değiştirerek tasarım için en uygun bileşen parametrelerini bulun. Koşullandırma, sonraki ADC'nin alınmasını kolaylaştırmak için çıkış sinyalini ne bozabilir ne de çok küçük yapabilir.
3.2 Fiziksel hata ayıklama
Devreyi Altium Designer yazılımı ile tasarlayın ve aynısını yapın. Fiziksel harita Şekil 8'de gösterilmektedir.
İlk testte, devre önceden simüle edilmiş devre parametrelerine göre test edilirse, devre gereksinimleri karşılamayacaktır Devrenin gerçek parametre ayarlaması, çıkış sinyali ile giriş sinyali arasındaki ilişkiye göre değerlendirilir ve ardından ters orantılı işlemsel amplifikatörün eğimi ve kesişimi esas olarak ayarlanır. Devrenin gereksinimleri karşılaması için gereken mesafe.
Test ortamı Şekil 9'da gösterilmektedir. Sinyal oluşturucu, koşullandırma giriş sinyali olarak kullanılır, DC güç kaynağı devreye ± 5 V'luk bir voltaj sağlar ve osiloskop, AD603'ün giriş ve çıkış sinyali dalga formlarını ve kazanç kontrol voltaj dalga formunu gözlemlemek için kullanılır.
Devrenin girişi olarak bir genlik modülasyon sinyali oluşturmak için bir sinyal üreteci kullanın, modülasyon sinyali olarak üçgen dalgayı kullanın, modülasyon derinliği% 100, modülasyon frekansı 10 Hz; taşıyıcı sinyal olarak sinüs dalgası, taşıyıcı sinyal genliği yaklaşık 8 V tepeden tepeye, frekans 500 kHz . Giriş ve çıkış dalga formları Şekil 10'da gösterilmektedir. Şekildeki ekmek şeklindeki sinyal, sağdaki dikey eksene karşılık gelen çıkış sinyalidir ve elmas sinyal, soldaki dikey eksene karşılık gelen giriş sinyalidir. Şekilden, çıkış sinyalinin zarfının giriş sinyali ile tutarlı olmadığı ve büyütmenin doğrusal olmadığı görülebilir. Giriş sinyali ile karşılaştırıldığında, çıkış sinyali hızla yükselir Belli bir değere yükseldiğinde, sinyal genliği yavaşça değişir ve otomatik kazanç kontrolü işlevini gerçekleştirir. Ek olarak, giriş küçük sinyal genliği yavaşça yükseldiğinde, çıkış sinyalinin hızla yükseltildiği şekilden görülebilir. Gerçek test sonucu Şekil 9'da gösterilmektedir. Testten sonra, otomatik kazanç kontrol sisteminin çıkış sinyalinin tepe değerinin 0 V'tan 1 V'a çıkması yalnızca 1,12 ms sürer.
Son olarak, maksimum genlikteki sinyal test edilir Ölçümden sonra, giriş tepeden tepeye sinyal 8 V olduğunda, çıkış maksimum tepeden tepeye değeri 5.09 V'tur ve Şekil 11'de gösterildiği gibi bozulma yoktur.
4. Sonuç
Negatif geri besleme fikrine dayanarak, bu makale bir sinyal koşullandırma devresi tasarlar.Tasarım tamamlandıktan sonra, devreyi tasarlamak ve simüle etmek için bilgisayar simülasyon yazılımı Multism14 kullanılır ve ardından gerçek ürünü elde etmek için işlenen ve lehimlenen PCB düzenini çizmek için Altium Designer'ı kullanır. Hata ayıklamadan sonra, devrenin gerçek parametreleri ve simülasyon hala farklıdır. Simülasyonun gerçek hata ayıklamasından sonra, devrenin işlevi beklentilere ulaştı ve sinyalin otomatik kazanç kontrolü gerçekleştirilebilir.
Bu tasarımın dezavantajı kazancı ayarlamanın uzun zaman almasıdır.Stabil genliğe sahip bir sinyalin başlangıcından çıkışına kadar yaklaşık 2 ms sürer.Bazı uygulamalar için kararlı süre daha uzundur. Örneğin, füzenin ve gözün buluşma yeri gibi bir sahne için buluşma süresi çok kısadır, genellikle sadece birkaç milisaniyedir.Bu birkaç milisaniye sırasında, sinyal çok zayıftan çok büyüğe doğru olacaktır.Bu tasarımın devresi kazanç ayarlaması için gerekli olabilir. Daha uzun süre, son sinyalin bozulmasına neden olur. Bir sonraki adım, DAC kullanarak AD603'ün amplifikasyon faktörünü tespit etmek için tek çipli bir mikro bilgisayar kullanmayı düşünmek olacaktır.Bu durumda, yanıt süresi nispeten kısa olmalı ve daha doğru amplifikasyon kontrolü elde edebilmelidir.
Referanslar
Meng Bo, Wang Wenlian.Dinamik patlayıcı ortamda çok kazançlı şok dalgası depolama test sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (9): 83-86.
Liu Yaru. Kablosuz iletişim uygulamaları için otomatik kazanç kontrol devresinin araştırılması ve tasarımı. Hangzhou: Hangzhou Dianzi Üniversitesi, 2017.
Sun Ji. PXI veriyoluna dayalı sinyal koşullandırma devresi tasarımı. Taiyuan: Çin Kuzey Üniversitesi, 2016.
Cai Jing, Shi Bo, Wang Chenchen. Sinyal koşullandırıcıların dinamik test üzerindeki etkisi. Ölçüm Teknolojisi, 2019, 39 (3): 83-88.
Zhang Tianwen, Li Tingjun.MC34063 negatif geri besleme şubesine dayalı otomatik kazanç kontrol devresinin tasarımı. Enstrümantasyon Teknolojisi ve Sensörleri, 2019 (7): 114-116, 120.
Li Shuangxi, Zheng Fengju, Lou Shuyong, ve diğerleri Girdap akımı yer değiştirme sensörlerinin tespitinde hassas redresör devresinin uygulanması Shanxi Elektronik Teknolojisi, 2018 (5): 39-40, 88.
Zhang Qi. PXI veriyoluna dayalı sinyal koşullandırma ve toplama sistemi tasarımı.Taiyuan: Çin Kuzey Üniversitesi, 2018.
Tian Ze, Lang Jing, Yang Jie, vb HKA2910 sensör sinyal koşullandırma çip tasarımı Elektronik Teknolojisi Uygulaması, 2016, 42 (5): 10-13.
yazar bilgileri:
Jiang Rundong, Yao Jinjie, Wang Min, Wang Ruirui
(Çin Kuzey Üniversitesi, Shanxi Eyaleti Bilgi Algılama ve İşleme Ana Laboratuvarı, Çin Kuzey Üniversitesi, Taiyuan 030051, Shanxi)
