自動增益控制電路實驗設計

劉 恒, 劉 暢, 孫 晉, 劉建成, 張易晨

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院, 江蘇 南京 210044)

自動增益控制是指使放大電路的增益自動地隨輸入信號強度而調整的自動控制方法,實現這種功能的電路簡稱AGC(auto gain control)電路。AGC電路廣泛用于各種錄音機[1]、接收機[2-3]、測量儀器[4-6]中,在全國大學生電子設計競賽信號類題目中曾多次考查。隨著電子設計競賽信號類賽題設計頻率不斷提高,原有的AGC電路已無法滿足題目幅度穩定和帶寬需求,如文獻[7]中所述的基于AD603的AGC電路中帶通濾波器不易設計,且該電路通頻帶內起伏較大；文獻[8]中所使用的比較器芯片OP37帶寬較小,只能用于低頻調整電路。本文采用文獻[9]中所述AGC的電路結構進行設計和探究,動態增益范圍-28 dB～45 dB,20 kHz～40 MHz范圍內增益波動小于3 dB,可作為電子類開放實驗室常用模塊和電子設計競賽備賽模塊。

1 AGC電路工作原理

AGC電路是典型閉環電子電路,屬于負反饋電子系統,可以分增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分[10]。增益受控放大電路位于正向放大通路,其增益隨控制電壓而改變。控制電壓形成電路主要有比較器電路、整流電路、濾波電路、電壓調整電路。輸出信號U1經過電壓比較器,對應的閾值改變輸出波形占空比,經整流器件變成單一方向,再經過濾，成為比較平滑的直流。直流電壓信號最后經過電壓調整電路將所獲直流電壓信號的電壓范圍調整到合適范圍獲得控制電壓U2,用以控制放大器件的工作點或衰減網絡的衰減系數,達到增益控制目的,使得當輸入信號U0的電壓變化很大時,保持電路狀態穩定后的輸出電壓U1恒定或基本不變。電路框圖見圖1。

圖1 AGC電路框圖

2 電路設計

AGC電路框圖如圖2所示,以VCA824為壓控放大器,在正負5 V供電情況下,對輸入信號進行放大。為了提高AGC電路放大倍數和帶負載的能力,在VCA810芯片輸出端加上高速放大器芯片OPA690。

圖2 AGC電路框圖

由圖3可知,控制電壓在一定范圍內,增益Gan與控制電壓成線性關系[11]。增益系數AAGC可表示為

(1)

式(1)中,SAGC為增益系數,AAGC_0為控制電壓為0 V時的增益系數。

圖3 控制電壓和增益系數

輸出電壓U1可表示為

(2)

為了保證良好的線性效果,取控制電壓范圍為-2.15 V～0 V。以此,通過高速比較器、整流濾波和電壓調整,將VCA810的輸出電壓調整在-2.15 V～0 V范圍內,并以負反饋的形式反饋到VCA810的電壓控制端。當輸出電壓較大時,得到的控制電壓較大,

負反饋之后使原輸出電壓減小；當輸出電壓較小時,得到的控制電壓較小,負反饋之后使原輸出電壓增大；達到一種動態平衡的效果,最后將輸出電壓穩定在一個電壓值,此過程對外呈現即為自動電壓控制增益。

圖4為AGC電路原理圖,輸入信號Vin經SMA接頭P2輸入到VCA810同相端+IN,反相端經電阻R18接地,VCA810引腳5輸出放大信號Vout。輸入到高速比較器AD8561同相端,比較器的參考電壓VC由+5 V電源VCC通過滑動變阻器R1分壓得到,跳線J1為測試點。AD8561輸出的正向占空比變化方波V2,再通過二極管D1單向整流,得到單向脈動直流波形。V2的電壓值高于二極管D1導通電壓VT時二極管導通；低于D1導通電壓VT時二極管截止。導通電壓通過R13對C2充電,再通過C2對R16放電,得到一個直流電壓V3。得到的直流波形V2存在高頻“毛刺”,通過RC低通濾波器濾波,電壓V3大小與VCA810輸出的電壓幅度和參考電壓VC成正向單調關系。電容C2的充電電壓Ucharge(t)為[9]

(3)

式(3)中,C2為電容,UC(0-) 為電容C2兩端的初始電壓,t為時間,對應的放電電壓為Udischarge(t)：

(4)

在充放電周期內,充電和放電電壓相等,周期內電壓等效為V3。電壓調整電路使用TL082雙運放芯片構成電壓跟隨器和減法器電路,減法電路的減去電壓V4通過電阻R9和R10分壓電源VCC得到：

5 V=2.13 V

(5)

V4輸入到電壓跟隨器同相端,輸出電壓記為V5,V5與V4數值相同。經過減法器后,可得控制電壓U2為

U2=V3-V5=V3-2.13

(6)

圖4 AGC電路原理圖

通過調節滑動變阻器R1阻值和參考電壓U1幅度,使得整流、濾波后的輸出信號V3幅度小于2.13 V,則控制電壓U2在-2.13 V～0 V內,增益與控制電壓成線性關系,對應系數為-80 dB/2.13 V,這樣就實現了控制電壓負反饋調節。輸出電壓通過OPA690放大固定倍數后通過SMA接頭P1輸出V0。

3 自動增益控制電路測試及實驗分析

利用Altium Designer軟件設計電路原理圖和PCB版圖,電路采用單面板,在實驗室利用熱轉印機成套設備打印出PCB圖,通過腐蝕液腐蝕多余覆銅來完成電路板的成形,焊接上貼片元器件和直插連接件,利用銅柱將電路板支撐起來便于測試,測試電路板見圖5。

圖5 制作的測試電路板

3.1 增益動態范圍測試

將信號發生器產生的頻率和幅度可調的正弦信號輸入到測試電路板的輸入端,電路板的輸出端接入數字存儲示波器,通過改變輸入信號的頻率和幅度得到如表1所示的測試結果(表中Vpp為峰峰值電壓),動態增益范圍為-28 dB～45 dB,在保證波形無失真情況下最大輸出峰峰電壓為3.6 V,最小輸出峰峰電壓為100 mV。

表1 增益動態范圍測試結果

3.2 幅頻特性測試

利用DDS數字掃頻儀測試電路幅頻特性,掃頻儀輸出6.00 dBm信號,通過BNC接插件連接測試電路板,掃頻儀輸出信號連接到測試板輸入端,測試板輸出信號連接到掃頻儀的輸入端,掃描頻率范圍為20 kHz～40 MHz。電路幅頻特性曲線如圖6所示,由掃描儀屏中標記1～5可知,在20 kHz～40 MHz范圍內電路動態波動范圍小于3 dB。

圖6 幅頻特性測試圖

3.3 不同輸入信號下的輸出測試

電路中有2個外部引入的參考直流電壓VC和V4,可調整這2個電壓來改變電路性能。在應用中,通過固定電阻分壓確定V4為2.13 V,調節滑動變阻器R1來改變VC,從而電路可調部分減少,便于調試。利用信號發生器輸入不同幅度和頻率的正弦信號,通過改變VC來實現V0的恒定輸出,以輸出Vpp為1 040 mV和500 mV為例,觀察記錄輸出波形信息。圖7—9為穩態輸出Vpp=1 040 mV的波形,分別依次對應頻率為50 kHz、1 MHz、40 MHz,對應的穩態幅值基本一致，見表2,但在高頻40 MHz時,存在一定的讀數誤差,讀數誤差大小與示波器時間刻度和幅度刻度有關。

圖7 f=50 kHz波形

圖8 f=1 MHz波形

圖9 f=40 MHz波形表2 輸出為1 040 mV Vpp

輸入頻率輸入Vpp/mV輸出Vpp/mVVC /VU2/V50 kHz501 0400.482-1.61850 kHz1 0001 0400.482-1.0081 MHz501 0400.482-1.6201 MHz1 0001 0400.482-1.01040 MHz501 0500.482-1.75040 MHz1 0001 0000.482-1.118

圖10—12為穩態輸出Vpp為500 mV的波形,分別對應輸入頻率為50 kHz、1 MHz、40 MHz,對應的穩態幅值基本一致,見表3，但在高頻40 MHz時,不存在誤差,輸入信號幅度變小,穩態誤差減小。對比圖7—12可知,穩態輸出電壓相同時,相同輸入幅度、不同頻率對應的過渡過程波形具有相同的特征。電路穩態響應時間較短,電路在較寬的頻帶范圍內都能保持良好的幅頻特性,輸出電壓幾乎無偏移,波形無失真。

圖10 f=50 kHz波形

圖11 f=1 MHz波形

圖12 f=40 MHz波形表3 輸出為500 mV Vpp

輸入頻率輸入Vpp/mV輸出Vpp/mVVC /VU2/V50 kHz505000.243-1.45350 kHz1 0005000.243-0.8261 MHz505000.243-1.4511 MHz1 0005000.243-0.82340 MHz505000.243-1.56640 MHz1 0005000.243-0.935

對比表2和3,恒定穩態輸出V0對應著恒定的參考電壓VC；在輸出V0恒定的前提下,相同幅度輸入信號對應著近似相同的控制電壓U2。

相同輸入頻率和輸出電壓下的VC和U2值見表4，相同輸入頻率和輸入電壓下的VC和U2值見表5。

表4 相同輸入頻率和輸出電壓下的VC和U2

表5 相同輸入頻率和輸入電壓下的VC和U2

對比表2—表5的數據,控制電壓U2既與輸入信號的幅度有關,又與參考電壓VC有關；輸出信號的穩態電壓在一定范圍內(幅值在穩態電壓范圍內,頻率在通頻帶內)與輸入信號幅度、頻率無關,穩態電壓V0看似與控制電壓U2有關,但U2受參考電壓VC控制,這表明可以通過建立穩態輸出V0與參考電壓VC的函數關系來描述整個電路。電路可控變量只有VC,改變VC時穩態輸出發生正向變化。

4 結語

測試表明，本文設計的自動增益控制電路在20 kHz～40 MHz范圍內,可調增益為-28～45 dB；調節VC值,在通頻帶內,穩態輸出幅度誤差小。電路可作為電子設計競賽培訓模塊電路,也可作為自動控制教學單元實驗。調整電路可引入PID算法,改善電路的暫態性能[12]。同時,電路模塊具有非線性,難以建立數學模型精確定量分析輸出信號的行為特性,可嘗試建立近似數學模型,利用平均周期法等方法定量分析穩態輸出電壓幅值,從而優化電路的設計。