基于AD603與MC34063的AGC控制器設(shè)計(jì)介紹|壹芯微

自動(dòng)增益技術(shù)(AGC)在工業(yè)自動(dòng)化閉環(huán)控制領(lǐng)域廣泛存在，在工業(yè)控制當(dāng)中，往往需要時(shí)變?cè)鲆娣糯笃饕赃m應(yīng)生產(chǎn)需求，或使時(shí)變?cè)鲆婢哂幸欢ǖ囊?guī)律性以確保控制輸出幅值的穩(wěn)定從而減少輸入竄擾噪聲信號(hào)的干擾，為使系統(tǒng)調(diào)節(jié)迅速，本文設(shè)計(jì)了一款基于AGC芯片AD603和開關(guān)電源芯片MC34063結(jié)合的AGC控制器，巧妙利用MC34063的穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)輸出接入AD603增益控制端來控制放大增益，達(dá)到系統(tǒng)輸出幅度恒定的目的。

1.系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用AD603作為核心控件，輔之以開關(guān)電源芯片MC34063采集控制器的輸出，通過MC34063輸出電壓傳遞給AD603的電壓控制端，從而改變放大增益。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)工作原理框圖

該閉環(huán)控制系統(tǒng)中，MC34063電路作為其反饋環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)輸出信號(hào)的幅值，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部信號(hào)的占空比輸出電壓進(jìn)而控制AD603的放大增益。圖中反饋環(huán)節(jié)可替換成微處理器，微處理器通過A/D采集輸出電壓幅值，傳遞到微處理器芯片中進(jìn)行信號(hào)處理，進(jìn)而通過D/A輸出控制電壓反饋到整個(gè)系統(tǒng)的輸入端，但這種方法過于繁雜，由于數(shù)字芯片上升與下降建立時(shí)間較長，影響整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且對(duì)信號(hào)處理的算法要求比較高。創(chuàng)新利用廣泛應(yīng)用在電源技術(shù)中的開關(guān)電源芯片進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，全部屬于模擬電路，運(yùn)行速度明顯具有一定的優(yōu)勢，并且開發(fā)成本較低有利于工業(yè)控制領(lǐng)域推廣。

2.AD603

AD603是一款具有程控增益的芯片，低噪聲，其有3種工作模式，分別對(duì)應(yīng)不同的增益范圍，為使控制更加廣泛，選擇最大的帶寬模式為90MHz。其增益用分貝數(shù)表示，放大增益受控制電壓控制成25mV/dB的線性關(guān)系，壓擺率為275V/μs。正常工作時(shí)需要輸入增益控制電壓。其增益公式為：

式中：G為增益，dB;G0為增益起點(diǎn)，G0的大小由引腳連接方式?jīng)Q定。

本設(shè)計(jì)電路將VOUT與FDBK短路，G0=10dB即為寬頻帶模式(90MHz寬頻帶)，AD603的增益范圍G為-11.09～+31.05dB，VG在-500～500mV范圍時(shí)呈線性范圍，此增益控制電壓VG由MC34063輸出控制。AD603輸入信號(hào)幅度UINP≤1.4V，實(shí)際的工控領(lǐng)域往往輸入加干擾總和大于1.4V，若直接將此信號(hào)加入系統(tǒng)，失真較大并且長時(shí)間工作會(huì)損壞AD603，因此必須在之前加一個(gè)輸入緩沖和衰減電路。

3.MC34063

MC34063是一款單片雙極性集成電路，普遍應(yīng)用于DC-DC變換器控制領(lǐng)域，價(jià)格便宜，在開關(guān)電源領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，它能使用最少的外圍元件實(shí)現(xiàn)開關(guān)式的升壓、降壓，工作頻率0.1～100kHz，工作基本原理見文獻(xiàn)[5]。

傳統(tǒng)的AGC控制器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般需要對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行A/D采樣，之后將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)或計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法數(shù)據(jù)處理，評(píng)判產(chǎn)生執(zhí)行信號(hào)D/A輸出使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行，在此反饋過程中，經(jīng)過采樣、算法處理和執(zhí)行，明顯消耗過多的時(shí)間，并且對(duì)于部分復(fù)雜的控制信號(hào)，算法數(shù)據(jù)處理要求較高，需要使用專門的DSP芯片，成本較高。因此采用單一的模擬電子電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)效率更高，成本更低。

受MC34063降壓電路工作方式啟發(fā)，通過利用MC34063動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓特性，實(shí)現(xiàn)AD603增益控制電壓的改變，是一種新的設(shè)計(jì)思路，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切實(shí)可行，并且比程控方式更加簡易迅速。圖2為MC34063降壓電路。

圖2MC34063降壓電路

如圖2所示，輸入為+12V，輸出為+5V，5腳對(duì)地基準(zhǔn)電壓為+1.25V，5腳對(duì)地接電阻R1=1.2kΩ，將輸出和5腳之間接R2=3.6kΩ，根據(jù)電阻分壓比，那么輸出則被鉗制在+5V，這樣便實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出。應(yīng)用在AGC控制領(lǐng)域，則可把MC34063輸出接控制器增益控制端，輸入接控制器輸出端。根據(jù)其工作原理，MC34063采集AGC控制器輸出傳輸?shù)?腳，其內(nèi)部動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM占空比，動(dòng)態(tài)改變AD603增益控制電壓，并且能夠規(guī)避系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)類似PID算法的功能時(shí)刻動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而取代算法數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)，簡單而有效，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有一定的借鑒意義。

4.系統(tǒng)硬件電路圖

圖3為系統(tǒng)硬件電路圖，該系統(tǒng)主要分為輸入緩沖衰減電路、AD603自動(dòng)增益放大器、輸出幅度檢測器和MC34063反饋電路。

圖3系統(tǒng)硬件電路圖

4.1輸入緩沖衰減電路

由于AD603輸入信號(hào)幅度VINP≤1.4V，采用4個(gè)二極管鉗位，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦院凸璧恼驅(qū)▔航导s為0.7V的特性，對(duì)輸入特性進(jìn)行限幅，滿足了AD603的輸入電壓要求，跟隨器起到隔離芯片的作用。如圖3中的①部分。

4.2AD603自動(dòng)增益放大器

AD603的3腳為信號(hào)輸入端，2和4腳對(duì)地接R4=0、R5=0的電阻使工作更加穩(wěn)定。5和7腳相連接輸出，即AGC控制器的系統(tǒng)輸出。1腳為增益控制電壓VG端，此控制電壓接到了MC34063的輸出端，MC34063根據(jù)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的增益控制電壓VG。

4.3輸出幅度檢測器

由于工業(yè)控制領(lǐng)域，信號(hào)的形式只有直流的形式，交流信號(hào)也占有一定的比例，對(duì)于直流信號(hào)的控制可直接把系統(tǒng)輸出傳送給MC34063處理，但是對(duì)于交流信號(hào)必須要檢測其幅值，因此設(shè)計(jì)如圖3中③部分的電路。

常見的幅度檢測器，如二極管整流橋，但只適用于輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管導(dǎo)通壓降的情況，在AGC控制中，系統(tǒng)中信號(hào)往往是低壓，所以不能使用，那么設(shè)計(jì)一款能夠避免二極管導(dǎo)通壓降的幅度檢測器是十分有必要的。該幅度檢測器通過二極管D6、D7在正負(fù)周期工作方式，巧妙避免其導(dǎo)通壓降。在Multi?sim中進(jìn)行電路仿真，得到幅值檢測仿真圖形如圖4所示。經(jīng)過RC充電便得到具有一定關(guān)系的直流電壓值，圖3中R13、R14中間結(jié)點(diǎn)電壓為Uf，則其表達(dá)式為：

式中UINP為輸入幅值，V。

圖4幅度檢測仿真圖

4.4MC34063反饋電路

R13、R14中間結(jié)點(diǎn)電壓Uf經(jīng)過一個(gè)同向放大器和一個(gè)加法器適當(dāng)運(yùn)算，接入MC34063的5腳，此時(shí)被鉗制在5V，反推則Uf=1V，那么就能夠動(dòng)態(tài)維持AGC控制器系統(tǒng)輸出電壓幅值的穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)輸入不穩(wěn)定或有噪聲干擾時(shí)，MC34063根據(jù)幅值檢測結(jié)果動(dòng)態(tài)改變輸出電壓值從而改變?cè)鲆婵刂齐妷篤G。如圖3中下半部分，2腳輸出電壓經(jīng)過開關(guān)式和特定的肖特基二極管充放電，適當(dāng)衰減分壓傳遞給AD603的1腳，這樣便實(shí)現(xiàn)放大增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源技術(shù)在自動(dòng)控制增益領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)置是系統(tǒng)若輸入直流信號(hào)，則輸出恒定為+1V的直流;若輸入交流信號(hào)，則輸出幅值恒定為+1V的交流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行2種輸入方式的測試和驗(yàn)證，均滿足設(shè)計(jì)要求。表1為輸入直流信號(hào)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中AGC控制器輸入接穩(wěn)壓源，不斷調(diào)節(jié)輸入電壓。

表2為輸入交流信號(hào)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中AGC控制器輸入接UTG9002C信號(hào)發(fā)生器，不斷調(diào)節(jié)輸入正弦波幅值，輸出接入示波器觀察波形。觀察發(fā)現(xiàn)，無論輸入幅值變大變小，示波器波形基本不變，讀出示波器波形幅值，填入表2。

結(jié)語

本文總結(jié)了基于AD603與MC34063的AGC控制器設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該AGC控制器有效，并符合設(shè)計(jì)要求。提出開關(guān)電源芯片在控制領(lǐng)域的新應(yīng)用，由于內(nèi)部調(diào)節(jié)PWM占空比的速度較快，能夠替代傳統(tǒng)的程控AGC控制器，其中MC34063也可用其他開關(guān)電源芯片替代，具有普遍適用性，設(shè)計(jì)簡單，成本低，有重要的實(shí)用價(jià)值。

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