自动增益放大器电路技术文档 8.15.1(1).doc

2014年江苏省大学生电子设计竞赛

设 计 报 告

参赛题目： 自动增益控制放大器

日 期： 二〇一四 年 八 月 十二 日
至 二〇一四 年 八 月 十五 日

自动增益控制放大器（AGC）设计
摘要：自动增益控制(AGC)电路广泛地应用于现代电子设备中，本系统设计一款AGC控制放大器。整个系统以VCA810作为核心压控放大模块，以TI公司的MSP430 5438A型单片机作为微控制器，以继电器实现输入信号量程切换，以AD637型模块作为检波电路实现信号和噪声的检测、以计数器实现频率的测量，以ADS1118型A/D芯片和DAC124S085型D/A芯片分别实现模数和数模转换，基于TDA2030A实现音频功放电路，采用线性电源给系统供电。主要工作原理为，输入信号通过量程切换后进入压控放大模块或压控衰减电路，经A/D采样，输入至微控制器判断信号大小，据此控制开关电路进行量程分档，并输出控制信号至自动增益控制电路，以实现可控电平恒定输出。
经系统测试，设计要求的各项功能均达到， 性能指标良好。当输入信号幅度在
10mV~ 5V之间时，输出电压保持在2V0.2V内。能够在1V~ 3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距为0.2V。
关键字：AGC放大器 压控放大器 噪声检测 有效值检波
一、 方案设计与论证
二、 1.1整体方案
方案一：采用纯硬件电路实现，由VC810和运放构成的电压比较器和减法电路实现。把实际电压与理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为VC810的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。
优点：该方案理论简单，制作起来也相对容易，只有硬件电路。
缺点：稳定性差，精度不够，没有创新，通用性不好。
方案二：采用VCA810和430单片机结合，通过单片机对输出信号AD采样并转化为数字量，与理论输出电压值进行比较，得到差值转换为控制电压，通过DA转化，对程控增益放大器VCA810的放大倍数惊醒调整，从而实现输出电压的恒定。
优点：该方案控制精确，自动控制速度快，系统可移植性强，功能改变和增加容易，对后期改善和提升电路性能有益。
缺点：需要软硬件配合，系统稍复杂。
通过对两个方案的综合对比，我们选用方案二。

1.2控制模块
方案一：采用MCS-51。Intel公司的MCS-51的发展已经有比较长的时间，以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。
MCS-51优点是控制简单，二缺点也明显因为资源有限，功能实现有困难，而且需要大量外扩单元。
方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，基于闪存的产品系列，具有最低工作功耗，在 1.8V-3.6V 的工作电压范围内性能高达 25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。
MSP430的优点是资源丰富，操作语言灵活，但对编程的要求有所提高。
所以综合考虑，我们采用MSP430 5438A作为我们的主控制器。
1.3 开关电路
主要元件：op07(双极性运算放大集成电路) 、继电器
工作原理：根据H题的题意输入信号的幅度在10mV~ 5V之间，然而AD637采样电平在0.2V~ 2V之间因此经小组讨论我们决定将输入信号分为四个档位。
第一档（1/5档）：先假设输入电压在1.4V~5V之间，并将输入电压衰减5倍，如果衰减后的电压在0.28V~ 1V之间则输入信号进入下一级，如果衰减后的电压不在0.28V~ 1V之间则进入第二档位。
第二档（x1档）：如果AD637反馈的电压在0.35V~ 1.54V之间则对输入信号不做处理，如果AD637反馈电压不在0.35V~ 1.54V之间则进入第三档。
第三档（x5）档：如果AD637反馈的电压在0.07V~ 0.25V则将输入信号放大5倍，此时AD637的采样电路在0.35V~ 1.25V之间。如果AD637反馈电压不在
0.07V~ 0.25V之间则输入电压进入第四档位。
第四档（x20）档：如果反馈电压在0.01V~ 0.07V之间则将输入信号放大20倍，此时AD采样电路信号范围在0.2V~ 1.4V之间。开关电路如图1所示：

图1 开关电路

1.4电压增益调整模块
方案一：使用AD603,AGC电路如图2所示：

图2 AD603

方案二：使用VCA810，AGC电路如图3所示：

图3 VAC810

相比之下 VCA810应用要简单些，调试起来方便些 而且电压也限制在+—5V，不会有+10V
比较符合之前的电路设计风格，程控增益方面VCA810 一个芯片 就足可以实现，满足要求-40db ---- 40db。所以我们选择方案二。
使用方法：
MCU通过DA转换后输入一个0 ~ -2V的直流电压到VCA810的VC（第三脚），VCA810提供-40DB~+40DB范围的增益。自动增益控制电路如图2所示：

图2 自动增益控制电路
1.5检波电路模块
AD637(DC转换器)描述：
AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz的输入信号。
与ADI公司以前的单芯片均方根转换器一样，AD637也为用户提供辅助dB输出。均方根输出信号的对数通过一个单独引脚输出，支持直接dB测量，可用范围为60 dB。用户利用外部编程的基准电流，可以选择0 dB基准电压与0.1 V至2.0 V均方根范围内的任何电平相对应。AD637模块电路如图3所示：

图3 AD637模块电路

1.6 比较电路
主要芯片：LM393
LM393是高增益,宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC(集成电路板integrated circuit，缩写：IC) 并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。比较电路如图4所示：

图4 比较电路
1.7 功放电路
功率放大器
根据功率放大器采用器件的基本特性，其增益Av=R74/R72+1，则增益带宽积约为100KHz，设计电压增益为6倍。
放大器稳定性
在放大器电路中为了提高运算精度，在电路中加了负反馈回路，而且负反馈越深，闭环特性越好。但是在级联运放放大电路中，当工作频率较高时，它所产生的附加相移可能会使负反馈回路的开环增益下降到1以前达到180°，使原来处于负反馈回路的放大器转变为不可控的正反馈状态，产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。放大器不自激，即放大器稳定的条件是：当时或时。电路模块如图5所示：

图5 功放电路

4. 测试结果与分析：
电源±12V供电，负载为8Ω电阻，经过测试得如下结果：
（1） 适用频率
适用频率范围约为2Hz ~100KHz。
（2） 最大输入峰峰值
最大输入（不失真）峰峰值约为Vin≈3.3Vpp。

（3） 最大输出峰峰值
最大输出（不失真）峰峰值约为Vout≈19.4Vpp。
（4） 最大输出功率
最大输出功率约为Pmax≈8.88W。
（5）功放效率
功放效率约为η≈66.2%。
1.8噪声检测电路
主要芯片：LM358
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358该型号，市场上比较常见，在各大网站上，搜索比较频繁，价格一直相对平稳。有些分析人士，还把该型号归类为电源电路，因为它使用范围比较宽。LM358最近一段时间市场销量比较稳定，主流品牌是TI、NS、国产品牌，国外品牌的价格一直相对偏高，最新报价有小幅度下滑，在0.4-0.7元/PCS区间波动。国产品牌价格就非常低，相比月初，价格同样也有了小幅度下滑，网络报价一般在在0.13-0.15元之间波动。噪声检测电路如下图6所示：

图6 噪声检测电路
二．理论分析及计算
2.1增益积计算
设计目标输出电压变化范围1.8V～2.2V，而输入信号为100mV～5V,我们选定输出幅度为2V，即Av在2～20倍，根据程控增益调节放大器的连接方式可知，增益的计算公式为G=40Vg+10)dB,带宽90MHz。所以将AD采集得到的输出电压Vout,与预置电压进行比较，调整Vg大小，来改变增益，从而实现输出幅值稳定在某一个数值。
2.2后级缓冲及稳幅
因为要用到单片机内部的AD采样功能，所以一定要保证单片机的安全，在通过峰值检测电路的检测之后，把检测到的峰值经过一个后级缓冲电路再接一个3V稳压管之后送给单片机，既保证单片机端口的安全，同时把电路与单片机隔离。
三、 系统总体设计
3.1系统整体设计框图
系统整体框图如下图4所示。

3.2软件流程图
系统软件流程图如图6所示，开发板系统初始化后，预置输出一个控制电压，然后启动AD转化，采样得到输出信号，然后与标准电压比较，修改增益控制电压，稳定输出电压。

图6

四．系统测试及数据分析
4.1测试仪器
（1）直流稳压源：YB1732A 3A
（2）数字存储示波器：SIGLENT SDS1102CFL 100MHZ 2GSa/s
（3）数字万用表：UNI-T UT802
（4）信号发生器：F120型 1Uhz~20MHZ
4.2测试方案及数据分析
测试方案：
(1) 稳幅测试：输入频率10KHZ,峰值为100mV的正弦波信号。测试输出信号，通过示波器读取输出信号峰值，然后改变输入信号峰值，测量输出信号的峰值变化，计算相对误差。测试数据如表1所示。

输入信号（mV）
10
150
200
250
300
350
400
450
500
550
输出信号（V）
2.06
2.06
2.06
2.06
2.04
2.06
2.05
2.06
2.06
2.07
输入信号（mV）
600
650
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
5000
输出信号（V）
2.06
2.06
2.06
2.06
2.06
2.08
2.06
2.06
2.09
2.06
表1 稳幅测试

测试数据分析：系统基本可以按照预置输出电压稳定输出，我们输出信号稳定电压为1.96V。
(2)输入音频测试：输入峰值分别为为1V的正弦波信号，将信号频率从100Hz调整到输出信号不失真即10KHz为止，测试数据如下表所示。
输入信号频率（HZ）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
600欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V
2.06V
2.06V
2.07V
2.05V
2.06V
2.06V
8欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V
2.06V
2.06V
2.07V
2.05V
2.06V
2.06V
输入信号频率（KHZ）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

600欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V
2.06V
2.06V
2.07V
2.05V
2.06V

8欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V
2.06V
2.06V
2.07V
2.05V
2.06V

当输入音频为1KHz信号时，将输入峰值从10mV调整到5V时，测试数据如下表：

输入峰值mV
10
20
30
40
50
70
90
100
180
190
200
600欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V
2.06V
2.06V
2.07V
2.05V
2.06V
2.06V
8欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V
2.06V
2.06V
2.07V
2.05V
2.06V
2.06V
输入峰值v
1
2
3
4
5

600欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V

8欧

2.06V
2.07V
2.06V
2.06V
2.05V

(3) 显示波形

4.3误差分析
误差可由多种因素导致：
由峰值检测电路产生，由于峰值检测电路在不同频率，不同幅值输入信号时，测量存在误差，AD采集到的峰值就会存在误差。造成输出信号与预置输出电压存在误差。
电压源不稳定，由于VCA810电压控制端2端口，基准电压为电阻分电源电压得到，而电源电压存在一定的波动，导致增益控制电压Vc会有一定的波动，这个微小的波动对信号增益造成误差。
受器件影响我们采用的是普通集成运放芯片TL072，这款芯片的通频带只有3MHz左右，也会影响系统的频率响应。

四、 设计总结
系统能够满足题目基本要求：
（1）VCA810比AD603性能高。
（2）输出信号可以在输入信号改变时，而不改变稳定输出。
（3）测得100mV输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为50KHz。
（4）测得1V输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为40KHz。
（5）测得的增益控制电压Vc和放大倍数Av绘制的增益控制特性曲线可以得出，Av和Vc成指数关系，跟VCA810数据手册给出的计算增益的公式基本吻合。
本设计基本完成了题目要求，实现了的增益自动控制，由于受到器件和部分电路本分影响，频率响应略低，可以使用高速更优性能的芯片，提高峰值检测的精度，或在软件部分给予补偿误差。
五、 参考文献
[1] 康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1
[2] 康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1
[3] 李先允，姜宁秋.电力电子技术[R].北京：中国电力出版社，2006