Устройство автоматической регулировки усиления, система, включающая в себя такое устройство, и способ автоматической регулировки усиления

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ, СИСТЕМА,ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО, И СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ В изобретении представлено устройство автоматической регулировки усиления, содержащее усилитель (11) с переменным усилением, выполненный с возможностью принимать принимаемый сигнал (R) и выводить усиленный сигнал (А) в аналогово-цифровой преобразователь (20), и контроллер (12) усиления, который соединен с упомянутым усилителем (11) с переменным усилением для приема упомянутого усиленного сигнала (А) и для управления усилением упомянутого усилителя (11) с переменным усилением. Контроллер (12) усиления выполнен с возможностью определения возникновения порогового события каждый раз, когда усиленный сигнал (А) достигает заданного порогового значения, уменьшения усиления усилителя (11) с переменным усилением при каждом возникновении порогового события, измерения задержки после последнего порогового события, увеличения усиления усилителя (11) с переменным усилением, если задержка больше, чем заданное значение задержки, и если усиление усилителя (11) с переменным усилением не равно максимуму. 014210 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к устройству автоматической регулировки усиления (AGC,АРУ), к системе, включающей в себя такое устройство, и к способу автоматической регулировки усиления. Уровень техники Настоящее изобретение более точно относится к устройству автоматической регулировки усиления(АРУ), включающей в себя усилитель с переменным усилением (VGA, УПУ), выполненный с возможностью принимать принятый сигнал и выводить усиленный сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (ADC, АЦП), и контроллер усиления (GC, КУ), который подключен к упомянутому усилителю с переменным усилением для приема упомянутого усиленного сигнала и для управления усилением упомянутого усилителя с переменным усилением. Когда принятый сигнал поступает, например, от датчика вибрации, этот принятый сигнал может представлять собой спонтанный сигнал с вариацией амплитуды несколько порядков магнитуды. Обычно используют аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) с малым входным усилением и высокой разрешающей способностью для преобразования такого принятого сигнала. Но когда принимаемый сигнал представляет собой спонтанный сигнал, необходимо настраивать важное допустимое отклонение между полномасштабным диапазоном входного напряжения АЦП и максимальным напряжением принимаемого сигнала. По этой причине большую часть времени усиленный сигнал имеет очень малую амплитуду и содержит шумы. Кроме того, использовать АЦП с высокой разрешающей способностью дорого. Другой способ состоит в использовании устройства автоматического регулирования усиления(АРУ) перед АЦП. АРУ относится к устройству, усиление которого существенно изменяется в зависимости от магнитуды принимаемого сигнала, для поддержания уровня усиленного сигнала, по существу,постоянным. Как описано в US 5606284, устройство АРУ содержит по меньшей мере один аналоговый усилитель принимаемого сигнала, которым автоматически управляют по аналоговому сигналу обратной связи. К сожалению, усиливаемый сигнал должен подвергаться интегрированию в цепи обратной связи для получения напряжения управления усилением УПУ. Таким образом, постоянная времени должна быть достаточно большой, и такое устройство АРУ плохо адаптировано для спонтанных сигналов с существенной вариацией амплитуды. Сущность изобретения Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы решить эту задачу путем создания эффективного устройства автоматического регулирования усиления, для которой не требуется цепь интегратора. С этой целью контроллер усиления выполнен с возможностью определения возникновения порогового события каждый раз, когда усиленный сигнал достигает заданного порогового значения,уменьшения усиления усилителя с переменным усилением при каждом возникновении порогового события,измерения задержки после последнего порогового события,увеличения усиления усилителя с переменным усилением, если задержка больше, чем заданное значение задержки, и если усиление усилителя с переменным усилением не равно максимуму. Благодаря такой регулировке усиления УПУ становится возможным ожидать изменения амплитуды принимаемого сигнала даже во время первых импульсов, и при этом возможно получить постоянное отношение сигнал-шум (SNR, ОСШ), несмотря на изменение амплитуды принимаемого сигнала. Кроме того, стоимость УПУ и контроллера относительно мала и предполагается, что она меньше, чем стоимость АЦП с высокой разрешающей способностью, который имеет переменный шум квантования. В предпочтительных вариантах воплощения устройства автоматической регулировки усиления,предложенного в изобретении, в случае необходимости в устройство могут быть включены одно и/или другое из следующих свойств: контроллер усиления выполнен с возможностью передачи команды изменения усиления усилителя с переменным усилением между двумя выборками преобразования аналогово-цифрового преобразователя; контроллер усиления выполнен с возможностью передавать через последовательную шину первое цифровое значение, заданное аналогово-цифровым преобразователем, и второе цифровое значение, представляющее усиление усилителя с переменным усилением; при каждом возникновении порогового события и если усиление усилителя с переменным усилением не равно минимуму, контроллер усиления уменьшает усиление усилителя с переменным усилением с коэффициентом, кратным двум; при каждом возникновении порогового события и если усиление усилителя с переменным усилением не равно минимуму, контроллер усиления уменьшает усиление усилителя с переменным усилением на заданное значение в зависимости от абсолютной разности между двумя последовательными первыми цифровыми значениями;-1 014210 если задержка больше, чем заданное значение задержки, и если усиление усилителя с переменным усилением не максимально, контроллер усиления увеличивает усиление усилителя с переменным усилением с коэффициентом, кратным двум; контроллер усиления представляет собой программируемое логическое устройство; устройство автоматической регулировки усиления представляет собой специализированную микросхему; контроллер усиления выполнен с возможностью управления двумя каналами с двумя аналоговоцифровыми преобразователями и двумя усилителями с переменным усилением, каждый из них в одной или двух схемах; усилитель с переменным усилением дополнительно состоит из инвертирующего усилителя с цифровым потенциометром. Другой вариант изобретения представляет собой систему, включающую в себя устройство автоматической регулировки усиления, дополнительно включающую в себя аналогово-цифровой преобразователь, соединенный с упомянутым устройством автоматической регулировки усиления, предназначенным для приема упомянутого усиленного сигнала из упомянутого усилителя с переменным усилением. Система может дополнительно включать в себя датчик вибрации, соединенный с упомянутым усилителем с переменным усилением, в котором упомянутый принимаемый сигнал принимают с помощью упомянутого усилителя с переменным усилением из упомянутого датчика вибрации. Другая цель изобретения состоит в том, чтобы создать эффективный способ автоматического регулирования усиления усилителя с переменным усилением, который усиливает принимаемый сигнал и выводит усиленный сигнал, способ, содержащий следующие этапы: определяют возникновение порогового события каждый раз, когда усиленный сигнал достигает заданного порогового значения,уменьшают усиление усилителя с переменным усилением при каждом возникновении порогового события,измеряют задержку после последнего порогового события,увеличивают усиление усилителя с переменным усилением, если задержка больше, чем определенное значение задержки, и если усиление усилителя с переменным усилением не равно максимуму. Краткое описание чертежей Другие свойства и преимущества изобретения будут понятны из следующего подробного описания одного из его вариантов воплощения, приведенного в качестве неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах на фиг. 1 показана блок-схема устройства автоматической регулировки усиления (АРУ) в соответствии с изобретением; на фиг. 2 - блок-схема усилителя с переменным усилением (УПУ); на фиг. 3 представлен принимаемый сигнал; на фиг. 4 - усиленный сигнал принятого сигнала по фиг. 3. Подробное описание изобретения На фиг. 1 датчик 1 формирует сигнал S датчика, например, представляющий вибрацию объекта. В этом случае датчик может представлять собой пьезоэлектрический элемент. Такой сигнал S датчика вводят в схему 2 предварительной обработки сигнала (SC, ПОС), которая может состоять, по меньшей мере,из фильтра для уменьшения высокочастотных шумов сигнала S датчика и которая выводит принятый сигнал R. Устройство 10 автоматической регулировки усиления (АРУ) принимает упомянутый принятый сигнал R для получения усиленного сигнала А, который преобразуют в цифровые данные D с использованием аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 20. Например, АЦП 20 может представлять собой устройство РСМ 1803 производства компании TexasInstruments, которое представляет собой высокоэффективный, недорогой, стереофонический аналоговоцифровой преобразователь в одной микросхеме. В этом случае АЦП 20 позволяет подавать в устройство 10 АРУ сигнал тактовой частоты CLK для синхронизации нескольких цифровых аудиоданных D и левый-правый сигнал LRCLK для определения, получены ли текущие преобразованные данные D из левого или правого входных каналов. Эти дополнительные сигналы используются для устройства 10 АРУ, для синхронизации с АЦП и для идентификации каждой выборки. Устройство 10 автоматической регулировки усиления (АРУ), по меньшей мере, состоит из усилителя 11 с переменным усилением (УПУ) и контроллера 12 усиления (КУ). УПУ может быть разработан, как показано на фиг. 2. Он представляет собой инвертирующий усилитель 13, сигнал которого, в конечном итоге, центруют по Vcc/2, которое представляет собой половину напряжения Vcc питания усилителя. В таком каскаде усиления используют три резистора: входной резистор 14 (с сопротивлением Ra), первый резистор 15 обратной связи (с сопротивлением r) и второй резистор 16 обратной связи (с сопротивлением Rb). Первый и второй резисторы 15, 16 обратной связи соединены последовательно. Затем усиление инвертирующего усилителя 13 определяют по следующей формуле: Простой инвертирующий усилитель такого типа позволяет получить большой диапазон усиления путем настройки значений его резисторов. Второй резистор 16 обратной связи представляет собой программируемый переменный резистор,также называемый цифровым потенциометром. Пример резистора такого типа представляет собой аналоговое устройство AD5162, которое представляет собой двойной 256-позиционнный цифровой потенциометр с последовательным периферийным интерфейсом (SPI, ППИ). Шина ППИ представляет собой четырехпроводный последовательный интерфейс передачи данных, используемый множеством периферийных микросхем микропроцессора для подключения с относительно малой скоростью. Такую шину ППИ можно использовать в АРУ для передачи цифрового значения G усиления из контроллера усиления(КУ) 12 в усилитель с переменным усилением (УПУ) 11. В случае 8-битного цифрового потенциометра, такого как AD5162, цифровое значение усиления G может принимать любое целочисленное значение от 0 до 255. Значение Rb второго резистора 16 обратной связи определяют с помощью простой линейной формулы: где Re представляет собой значение сопротивления из конца в конец (максимальное значение сопротивления) и Rw представляет собой сопротивление скользящего контакта (минимальное значение сопротивления). Первый резистор 15 обратной связи инвертирующего усилителя 13 может помочь скомпенсировать эффект сопротивления Rw скользящего контакта. Таким образом, становится возможным получить реальное изменение усиления инвертирующего усилителя 13, например, с коэффициентом два: контроллер (КУ) усиления подробно показан на фиг. 1 и состоит из компаратора 17 сигнала и логической цепи 18; компаратор 17 сигнала сравнивает усиленный сигнал А с пороговым значением Т и выводит двоичный сигнал С сравнения. В общем случае, когда усиленный сигнал А не сцентрирован, компаратор 17 сравнивает усиленный сигнал А с пороговыми значениями Т 1 и Т 2. Если усиленный сигнал А больше, чем пороговое значение Т 1, или меньше, чем пороговое значение Т 2, сигнал С сравнения будет иметь значение "true", представленное напряжением Vcc сигнала С сравнения, в противном случае сигнал С сравнения будет иметь состояние "false", представленное нулем или напряжением земли. На практике используют только одно пороговое значение Т для определения сигнала С сравнения. В случае сигнала, сцентрованного вокруг значения 0 В, сигнал С сравнения определяют, как в общем случае, описанном выше, в котором значение Т 1 равно Т и значение Т 2 равно -Т. В случае, когда сигнал сцентрован вокруг значения Vcc/2 В, сигнал С сравнения определяют, как в общем случае, описанном выше, в котором значение Т 1 равно Vcc/2+T и значение Т 2 равно Vcc/2-T. На фиг. 1, 3 и 4 представлены блок-схемы и сигналы с сигналом, сцентрованным вокруг 0 В, и соответствующее описание основано на сигнале, сцентрованном вокруг 0 В. В логической схеме 18 используют сигнал С сравнения и цифровые данные D АЦП, а также сигналCLK тактовой частоты АЦП для предоставления упомянутого цифрового значения G усиления в УПУ 11 и для получения законченных цифровых данных DOUT и сигнала CLK тактовой частоты в схему пользователя (не показана), такую как микроконтроллер или микропроцессор, или цифровой процессор сигналов (DSP, ЦПС). Логическая схема 18 может быть изготовлена с использованием нескольких логических элементов,соединенных вместе, или с использованием программируемого логического устройства (PLD, ПЛУ), такого как устройство PAL (ПМЛ, программируемая матричная логика), или устройство GAL (ТМЛ, типовая матричная логика), или устройство CPLD (СПЛУ, сложное устройство с программируемой логикой),или устройство FPGA (ППВМ, программируемая пользователем вентильная матрица), или путем применения специализированной микросхемы (ASIC, CMC), или любого устройства и т.п. для воплощения всей описанной ниже логической схемы. Такие ПЛУ программируют, используя язык, называемый Языком описания аппаратных средств (HDL, ЯОА). CMC, в конечном итоге, может интегрировать все или любую из всех функций устройства 10 АРУ, например, путем интеграции схемы 2 ПОС, схемы 11 УПУ,схемы 12 КУ и схемы 20 АЦП. Затем для расширения производства конструкция на основе CMC может быть более эффективной с точки зрения затрат, чем конструкция на основе ПЛУ. Во время инициализации в логической схеме 18 устанавливают максимальное значение G усиления УПУ (например, 255 в случае 8-битного цифрового потенциометра). Затем логическая схема 18 определяет возникновение порогового события каждый раз, когда усиленный сигнал А достигает заданного порогового значения Т, то есть каждый раз, когда сигнал С сравнения имеет состояние "true". Для каждого порогового события логическая схема 18 уменьшает усиление УПУ путем уменьшения его выходного значения G усиления (например, усиление уменьшают с коэффициентом два при из-3 014210 менении цифрового значения G усиления). Логическая схема 18 также измеряет задержку после последнего порогового события. Это может быть выполнено путем простого подсчета выборок, после последнего состояния "true" сигнала С сравнения. В случае использования стерео АЦП типа РСМ 1803 логическая схема 18 необходима только для подсчета передних кромок левого-правого сигнала LRCLK. Если усиление УПУ не максимально (например, 255) и если измеренная задержка больше, чем заданное значение T, логическая схема 18 увеличивает усиление УПУ путем увеличения цифрового значения G усиления (например, усиление увеличивают с коэффициентом два при изменении цифрового значения G усиления). Если новое пороговое событие возникает до того, как измеренная задержка становится больше, чем упомянутое значение T, логическая схема 18 уменьшает усиление УПУ путем уменьшения его выходного значения G усиления, и задержку просто инициализируют, сбрасывая ее в нулевое значение. Затем усиление УПУ может быть увеличено в первый раз после задержки T, если не произошло ни одно пороговое событие, и во второй раз после задержки 2.Т, если не произошло пороговое событие. Другой способ состоит в том, что инициализируют задержку со сбросом ее в нулевое значение, когда усиление УПУ вначале увеличивают. В этом случае усиление УПУ можно увеличить во второй раз после задержки T,если не произошло пороговое событие (после последней инициализации задержки). Логическая схема 18 предоставляет в схему пользователя законченные цифровые данные DOUT,которые представляют собой объединение цифровых данных D из АЦП, и цифрового значения G усиления УПУ таким образом, что пользователь схемы микропроцессора может рассчитывать реальное значение принятого сигнала R. В случае двух каналов (с двумя АЦП или двумя каналами АЦП) логическая схема 18 также управляет всеми этими устройствами и предоставляет законченные цифровые данныеDOUT, представляющие собой объединение цифровых данных D левого канала, значение G усиления УПУ левого канала, цифровые данные D правого канала, значение G усиления УПУ правого канала, и представляет сигнал LRCLK для определения, происходят ли текущие данные DOUT из левого канала или из правого входного канала. Во втором варианте воплощения изобретения усиление УПУ 11 может быть увеличено или уменьшено с заданным значением коэффициента, которое может составлять, например, два или четыре или значение, кратное двум. В третьем варианте воплощения изобретения логическая схема 18 рассчитывает абсолютную разность DIFF между двумя последовательными цифровыми данными D, поступающими из АЦП 20 при каждом возникновении порогового события где n представляет собой момент выборки nT; Т представляет собой период выборки АЦП;n-1 относится к моменту предыдущей выборки (n-1) T;D(n) представляет собой цифровые данные D из АЦП 20 в момент nT;D(n-1) представляет собой цифровые данные D из АЦП 20 в момент (n-1) Т. Если абсолютное значение DIFF меньше, чем заданное значение, усиление будет уменьшено с первым коэффициентом, например, равным двум, в противном случае усиление будет уменьшено со вторым коэффициентом, большим, чем упомянутый первый коэффициент, например, равным четырем. Благодаря такому третьему варианту воплощения изобретения усиление УПУ 11 автоматически уменьшается с заданным значением коэффициента и усиление УПУ 11 просто и хорошо адаптируется к изменениям усиливаемого сигнала А. На фиг. 3 представлен типичный усиленный сигнал А датчика 1 вибрации без усилителя с автоматической регулировкой усиления в соответствии с изобретением, который выглядит как импульсный отклик вибрационной структуры с первым высоким импульсом и следующими уменьшающимися амплитудами колебания. Скорость уменьшения амплитуды колебаний зависит, по меньшей мере, от характеристик демпфирования вибрационной структуры. Как можно видеть на фиг. 3, может быть трудно поддерживать такой усиленный сигнал А ниже порогового значения Т, и после двух или трех колебаний усиленный сигнал А становится очень малым. Такой тип сигнала проводит к проблемам насыщения и затем к плохому отношению сигнал-шум. Например, между А 1 и А 2 и между A3 и А 4 усиленный сигнал А превышает пороговый уровень Т с высоким риском насыщения и проявления нелинейности усилителя. На фиг. 4 представлен тот же усиленный сигнал А с усилителем с автоматической регулировкой усиления в соответствии с изобретением. Когда сигнал достигает порогового уровня Т в момент А 1, контроллер 12 усиления уменьшает усиление УПУ 11, и сигнал уменьшается, оставаясь ниже порогового значения Т. После заданной задержки Т усиленный сигнал А находится в точке А 5, и контроллер 12 усиления снова увеличивает усиление УПУ 11, формируя другой этап сигнала, который следует теперь немодифицированному сигналу. Такой пример демонстрирует, как АРУ 10 поддерживает усиленный сигнал ниже порогового значения Т.ACG в соответствии с изобретением постоянно адаптирует значение усиления усилителя с переменным усилением для поддержания сигнала ниже порогового значения и с максимальным усилением. Поэтому отношение сигнал-шум (ОСШ) усиленного сигнала поддерживается, насколько это возможно,постоянным и высоким. При использовании таких устройств и способа становится возможным получить точное аналогово-цифровое преобразование принимаемого сигнала с более низкими затратами, чем при использовании аналогово-цифрового преобразователя с высокой разрешающей способностью. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство автоматической регулировки усиления, содержащее усилитель (11) с переменным усилением, выполненный с возможностью принимать принимаемый сигнал (R) и выводить усиленный сигнал (А) в аналогово-цифровой преобразователь (20), и контроллер (12) усиления, соединенный с упомянутым усилителем (11) с переменным усилением для приема упомянутого усиленного сигнала (А) и управления усилением упомянутого усилителя (11) с переменным усилением,в которой контроллер (12) усиления выполнен с возможностью определять возникновение порогового события каждый раз, когда усиленный сигнал (А) достигает заданного порогового значения,уменьшать усиление усилителя (11) с переменным усилением при каждом возникновении порогового события,измерять задержку после последнего порогового события,увеличивать усиление усилителя (11) с переменным усилением, если задержка больше, чем определенное значение задержки, и если усиление усилителя (11) с переменным усилением не равно максимуму. 2. Устройство автоматической регулировки усиления по п.1, в котором контроллер (12) усиления выполнен с возможностью передавать команду для изменения усиления усилителя (11) с переменным усилением между двумя выборками преобразования аналогово-цифрового преобразователя. 3. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1 и 2, в котором контроллер(12) усиления выполнен с возможностью передавать через последовательную шину первое цифровое значение, заданное аналогово-цифровым преобразователем, и второе цифровое значение, представляющее усиление усилителя (11) с переменным усилением. 4. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1-3, в котором при каждом возникновении порогового события и если усиление усилителя (11) с переменным усилением не равно минимуму, контроллер (12) усиления уменьшает усиление усилителя (11) с переменным усилением с коэффициентом, кратным двум. 5. Устройство автоматической регулировки усиления по п.3, в котором при каждом возникновении порогового события и если усиление усилителя (11) с переменным усилением не равно минимуму, контроллер (12) усиления уменьшает усиление усилителя (11) с переменным усилением на заданное значение в зависимости от абсолютной разности между двумя последовательными первыми цифровыми значениями. 6. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1-5, в котором, если задержка больше, чем заданное значение задержки, и если усиление усилителя (11) с переменным усилением не максимально, контроллер (12) усиления увеличивает усиление усилителя (11) с переменным усилением с коэффициентом, кратным двум. 7. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1-6, в котором контроллер(12) усиления представляет собой программируемое логическое устройство (ПЛУ). 8. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1-6, в котором устройство(10) автоматической регулировки усиления представляет собой специализированную микросхему(CMC). 9. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1-8, в котором контроллер(12) усиления выполнен с возможностью управления двумя каналами с двумя аналогово-цифровыми преобразователями и двумя усилителями (11) с переменным усилением, каждый из них в одной или двух схемах. 10. Устройство автоматической регулировки усиления по любому из пп.1-9, в котором усилитель(11) с переменным усилением дополнительно состоит из инвертирующего усилителя (13) с цифровым потенциометром (16). 11. Система обработки сигнала, включающая в себя устройство (10) автоматической регулировки усиления по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащее аналогово-цифровой преобразователь (20), соединенный с упомянутым устройством (10) автоматической регулировки усиления,предназначенным для приема упомянутого усиленного сигнала (А) из упомянутого усилителя (11) с переменным усилением. 12. Система по п.11, дополнительно включающая в себя датчик (1) вибрации, соединенный с упо-5 014210 мянутым усилителем (11) с переменным усилением, в котором упомянутый принимаемый сигнал (R) принимают с помощью упомянутого усилителя (11) с переменным усилением из упомянутого датчика(1) вибрации. 13. Способ автоматической регулировки усиления усилителя (11) с переменным усилением, усиливающего принимаемый сигнал (R) и выводящего усиленный сигнал (А), содержащий следующие этапы: определяют возникновение порогового события каждый раз, когда усиленный сигнал (А) достигает заданного порогового значения,уменьшают усиление усилителя (11) с переменным усилением при каждом возникновении порогового события,измеряют задержку после последнего порогового события,увеличивают усиление усилителя (11) с переменным усилением, если задержка больше, чем заданное значение задержки, и если усиление усилителя (11) с переменным усилением не равно максимуму.