一種低成本AGC電路研制

李林凱，蹇興亮，邊曉東，吳 昊，張廣琦

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

在放置式電磁渦流探傷檢測(cè)中，需要對(duì)探頭當(dāng)前的位置坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量并實(shí)時(shí)傳送給微處理器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用探頭本身作為激勵(lì)線圈，在其周?chē)潭ò惭b4個(gè)位置檢測(cè)線圈，激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)會(huì)在4個(gè)位置檢測(cè)線圈中產(chǎn)生不同大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由此可確定激勵(lì)線圈（探頭）的位置。由于激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨距離增大迅速衰減，4個(gè)位置檢測(cè)線圈檢測(cè)到的信號(hào)變化范圍很大，可達(dá)到60dB（1000倍）以上。當(dāng)傳感器離激勵(lì)線圈很近時(shí)，信號(hào)很強(qiáng)；當(dāng)傳感器離激勵(lì)線圈較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)很弱。采用AGC放大電路可適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)處理。

1 AGC電路的工作原理

AGC電路由可變?cè)鲆娣糯笃骱涂刂齐妷寒a(chǎn)生電路組成［1-2］。電路的電壓增益不是常數(shù)，而是隨輸入信號(hào)的增大而減少，AGC電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用運(yùn)放和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的可變?cè)鲆娣糯笃髟砣鐖D2所示［3-4］。

圖1 AGC電路結(jié)構(gòu)

運(yùn)放A1，A2均為同相運(yùn)算放大器。加在A2同相輸入端的控制電壓為負(fù)值，負(fù)得越多，場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓也就越負(fù)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，漏源之間的電阻RDS就越大，運(yùn)放A1的電壓增益1+Rf1／RDS就越小，反之亦然［5］。

圖2 可變?cè)鲆娣糯笃髟?/p>

2 AGC電路主要組成器件選擇

低成本的AGC電路主要元件包含1個(gè)LM324及1個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6F。LM324為通用四運(yùn)放集成電路，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，開(kāi)環(huán)增益為100dB。靜態(tài)電流小，電源電壓范圍為±3～±18V，也可單電源使用。

本電路采用的場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6F，屬于N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在此，使它工作在可變電阻區(qū)，溝道尚未夾斷，漏極電流與漏源之間電壓近似線性關(guān)系，漏源之間的電阻RDS隨柵源之間的電壓改變，柵源之間電壓越負(fù)，RDS就越大。RDS可從幾十歐變化到幾千歐。

3 AGC電路設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目中要求對(duì)位置檢測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓進(jìn)行放大，然后送A／D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)。初步查明，在探頭（激勵(lì)線圈）有效移動(dòng)范圍內(nèi)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰峰值大小可從2μV變化為16mV。而12位的A／D轉(zhuǎn)換器，允許輸入信號(hào)的電平為0～2.42V，工作電壓為3.3V。因此，要設(shè)計(jì)一種AGC放大電路，當(dāng)信號(hào)變化范圍很大時(shí)，能連續(xù)改變放大器的放大倍數(shù)，使輸出電壓保持在一定的范圍之內(nèi)。輸入信號(hào)電壓Ui峰值變化范圍為2μV～16mV時(shí)，放大器的輸出電壓Uo峰值對(duì)應(yīng)為5mV～2.4V。

3.1 AGC電路的設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)使用LM324，并采用二級(jí)放大結(jié)構(gòu)，如圖3所示。第1級(jí)放大由放大器和場(chǎng)效應(yīng)管組成；第2級(jí)放大由運(yùn)放器構(gòu)成，主要是提高電路的整體放大倍數(shù)，對(duì)增益的控制，是關(guān)鍵技術(shù)，在輸出端采用半波整流，給場(chǎng)效應(yīng)管提供一個(gè)偏置電壓。

圖3 基于LM324的AGC電路原理

3.2 AGC電路的組成部分

一級(jí)放大為同相比例運(yùn)放［6］，輸出為：

R5為第一級(jí)放大的反饋電阻；RDS為場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6F漏極與源極之間的電阻。RDS是可變的，通過(guò)控制柵極的電壓來(lái)控制RDS，從而達(dá)到增益的自動(dòng)控制。

二級(jí)放大也為同相比例運(yùn)放［6］，輸出為：

通過(guò)調(diào)節(jié)R11可以對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)二級(jí)放大主要是為了確保能對(duì)很微弱的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)比例的放大，使最后輸出信號(hào)的值在一個(gè)較好的范圍之內(nèi)?？刂齐妷寒a(chǎn)生電路采用半波整流，根據(jù)二級(jí)管的單向?qū)ㄐ?，在電容C2和C3兩端得到與輸入信號(hào)成正比的直流電壓，再通過(guò)運(yùn)算放大器的放大，在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極得到控制電壓，大小為：

UA為圖3中A點(diǎn)的電位。

4 電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 AGC電路的測(cè)試數(shù)據(jù)

AGC電路的實(shí)際測(cè)試如圖4所示。由于使用的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的最低擋位的最大輸出信號(hào)為2 mV，為了確保能夠準(zhǔn)確地輸出2μV信號(hào)，在函數(shù)信號(hào)發(fā)生器后加了衰減器進(jìn)行衰減1000倍。對(duì)輸入頻率為1kHz的正弦信號(hào)進(jìn)行AGC電路測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。通過(guò)表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在輸入頻率為1kHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)時(shí)，隨著輸入信號(hào)的增大，AGC電路的放大倍數(shù)在逐漸減小；當(dāng)輸入信號(hào)峰峰值小于2μV時(shí)，通過(guò)二極管D1整流獲得的電壓幾乎為0，柵極電壓為0，漏源之間的電阻為最小，且不在可變電阻區(qū)，AGC電路無(wú)法正常工作；當(dāng)輸入信號(hào)大于20mV時(shí)，由于從第二級(jí)放大電路反饋回來(lái)的負(fù)電壓的絕對(duì)值較大，3DJ6F結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道完全夾斷，漏源電阻不變化，整個(gè)AGC電路不起作用。

圖4 AGC測(cè)試

表1 基于LM324的AGC電路測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 不同頻率下Uo與Ui的關(guān)系

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可繪出不同頻率下輸出信號(hào)Uo與輸入信號(hào)Ui的關(guān)系曲線，如圖5所示。頻率變大時(shí)，Uo與Ui間的放大倍數(shù)Au不斷變小；當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于50kHz時(shí)，輸出信號(hào)幾乎為零，該電路對(duì)頻率從200Hz到20kHz的輸入信號(hào)有較好的增益調(diào)節(jié)控制作用。

圖5 不同頻率下Uo與Ui的曲線

4.3 不同輸入信號(hào)下Au與f之間的關(guān)系

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后繪出放大倍數(shù)Au與頻率f之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。電路的頻帶較窄，隨著輸入信號(hào)電壓值的增大，放大倍數(shù)逐漸減小。

圖6 不同輸入信號(hào)下Au與f之間的曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電磁渦流無(wú)損探傷中探頭位置測(cè)量裝置研制的需要，設(shè)計(jì)了適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)處理的AGC放大電路。電路使用LM324集成運(yùn)放芯片，利用二級(jí)放大達(dá)到整個(gè)電路的高增益，再利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作于可變電阻區(qū)，引入反饋控制，從而達(dá)到AGC的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)并繪圖分析，AGC電路對(duì)2μV到20mV之間的微弱信號(hào)有較好的增益控制作用，AGC電路的頻帶寬大概為5 kHz，對(duì)輸入為2μV到20mV，頻率為1kHz的信號(hào)有良好的增益可調(diào)作用，放大倍數(shù)在100倍到2500倍之間變化。但是AGC電路的頻帶較窄，輸入信號(hào)的范圍較小，當(dāng)輸入信號(hào)太小時(shí)容易受到外界噪聲的干擾，可以通過(guò)在第二級(jí)放大處用一個(gè)3DJ6F取代圖3中的R1，構(gòu)成二級(jí)AGC放大電路，2個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極直接相連，從而對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較大的輸入信號(hào)有更好的作用。

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