自动增益控制电路实验设计
2018-09-04刘建成张易晨
刘 恒, 刘 畅, 孙 晋, 刘建成, 张易晨
(南京信息工程大学 电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044)
自动增益控制是指使放大电路的增益自动地随输入信号强度而调整的自动控制方法,实现这种功能的电路简称AGC(auto gain control)电路。AGC电路广泛用于各种录音机[1]、接收机[2-3]、测量仪器[4-6]中,在全国大学生电子设计竞赛信号类题目中曾多次考查。随着电子设计竞赛信号类赛题设计频率不断提高,原有的AGC电路已无法满足题目幅度稳定和带宽需求,如文献[7]中所述的基于AD603的AGC电路中带通滤波器不易设计,且该电路通频带内起伏较大；文献[8]中所使用的比较器芯片OP37带宽较小,只能用于低频调整电路。本文采用文献[9]中所述AGC的电路结构进行设计和探究,动态增益范围-28 dB～45 dB,20 kHz～40 MHz范围内增益波动小于3 dB,可作为电子类开放实验室常用模块和电子设计竞赛备赛模块。
1 AGC电路工作原理
AGC电路是典型闭环电子电路,属于负反馈电子系统,可以分增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分[10]。增益受控放大电路位于正向放大通路,其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路主要有比较器电路、整流电路、滤波电路、电压调整电路。输出信号U1经过电压比较器,对应的阈值改变输出波形占空比,经整流器件变成单一方向,再经过滤，成为比较平滑的直流。直流电压信号最后经过电压调整电路将所获直流电压信号的电压范围调整到合适范围获得控制电压U2,用以控制放大器件的工作点或衰减网络的衰减系数,达到增益控制目的,使得当输入信号U0的电压变化很大时,保持电路状态稳定后的输出电压U1恒定或基本不变。电路框图见图1。
图1 AGC电路框图
2 电路设计
AGC电路框图如图2所示,以VCA824为压控放大器,在正负5 V供电情况下,对输入信号进行放大。为了提高AGC电路放大倍数和带负载的能力,在VCA810芯片输出端加上高速放大器芯片OPA690。
图2 AGC电路框图
由图3可知,控制电压在一定范围内,增益Gan与控制电压成线性关系[11]。增益系数AAGC可表示为
(1)
式(1)中,SAGC为增益系数,AAGC_0为控制电压为0 V时的增益系数。
图3 控制电压和增益系数
输出电压U1可表示为
(2)
为了保证良好的线性效果,取控制电压范围为-2.15 V～0 V。以此,通过高速比较器、整流滤波和电压调整,将VCA810的输出电压调整在-2.15 V～0 V范围内,并以负反馈的形式反馈到VCA810的电压控制端。当输出电压较大时,得到的控制电压较大,
负反馈之后使原输出电压减小；当输出电压较小时,得到的控制电压较小,负反馈之后使原输出电压增大；达到一种动态平衡的效果,最后将输出电压稳定在一个电压值,此过程对外呈现即为自动电压控制增益。
图4为AGC电路原理图,输入信号Vin经SMA接头P2输入到VCA810同相端+IN,反相端经电阻R18接地,VCA810引脚5输出放大信号Vout。输入到高速比较器AD8561同相端,比较器的参考电压VC由+5 V电源VCC通过滑动变阻器R1分压得到,跳线J1为测试点。AD8561输出的正向占空比变化方波V2,再通过二极管D1单向整流,得到单向脉动直流波形。V2的电压值高于二极管D1导通电压VT时二极管导通；低于D1导通电压VT时二极管截止。导通电压通过R13对C2充电,再通过C2对R16放电,得到一个直流电压V3。得到的直流波形V2存在高频“毛刺”,通过RC低通滤波器滤波,电压V3大小与VCA810输出的电压幅度和参考电压VC成正向单调关系。电容C2的充电电压Ucharge(t)为[9]
(3)
式(3)中,C2为电容,UC(0-) 为电容C2两端的初始电压,t为时间,对应的放电电压为Udischarge(t)：
(4)
在充放电周期内,充电和放电电压相等,周期内电压等效为V3。电压调整电路使用TL082双运放芯片构成电压跟随器和减法器电路,减法电路的减去电压V4通过电阻R9和R10分压电源VCC得到：
5 V=2.13 V
(5)
V4输入到电压跟随器同相端,输出电压记为V5,V5与V4数值相同。经过减法器后,可得控制电压U2为
U2=V3-V5=V3-2.13
(6)
图4 AGC电路原理图
通过调节滑动变阻器R1阻值和参考电压U1幅度,使得整流、滤波后的输出信号V3幅度小于2.13 V,则控制电压U2在-2.13 V～0 V内,增益与控制电压成线性关系,对应系数为-80 dB/2.13 V,这样就实现了控制电压负反馈调节。输出电压通过OPA690放大固定倍数后通过SMA接头P1输出V0。
3 自动增益控制电路测试及实验分析
利用Altium Designer软件设计电路原理图和PCB版图,电路采用单面板,在实验室利用热转印机成套设备打印出PCB图,通过腐蚀液腐蚀多余覆铜来完成电路板的成形,焊接上贴片元器件和直插连接件,利用铜柱将电路板支撑起来便于测试,测试电路板见图5。
图5 制作的测试电路板
3.1 增益动态范围测试
将信号发生器产生的频率和幅度可调的正弦信号输入到测试电路板的输入端,电路板的输出端接入数字存储示波器,通过改变输入信号的频率和幅度得到如表1所示的测试结果(表中Vpp为峰峰值电压),动态增益范围为-28 dB～45 dB,在保证波形无失真情况下最大输出峰峰电压为3.6 V,最小输出峰峰电压为100 mV。
表1 增益动态范围测试结果
3.2 幅频特性测试
利用DDS数字扫频仪测试电路幅频特性,扫频仪输出6.00 dBm信号,通过BNC接插件连接测试电路板,扫频仪输出信号连接到测试板输入端,测试板输出信号连接到扫频仪的输入端,扫描频率范围为20 kHz～40 MHz。电路幅频特性曲线如图6所示,由扫描仪屏中标记1～5可知,在20 kHz～40 MHz范围内电路动态波动范围小于3 dB。
图6 幅频特性测试图
3.3 不同输入信号下的输出测试
电路中有2个外部引入的参考直流电压VC和V4,可调整这2个电压来改变电路性能。在应用中,通过固定电阻分压确定V4为2.13 V,调节滑动变阻器R1来改变VC,从而电路可调部分减少,便于调试。利用信号发生器输入不同幅度和频率的正弦信号,通过改变VC来实现V0的恒定输出,以输出Vpp为1 040 mV和500 mV为例,观察记录输出波形信息。图7—9为稳态输出Vpp=1 040 mV的波形,分别依次对应频率为50 kHz、1 MHz、40 MHz,对应的稳态幅值基本一致，见表2,但在高频40 MHz时,存在一定的读数误差,读数误差大小与示波器时间刻度和幅度刻度有关。
图7 f=50 kHz波形
图8 f=1 MHz波形
图9 f=40 MHz波形表2 输出为1 040 mV Vpp
输入频率输入Vpp/mV输出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
图10—12为稳态输出Vpp为500 mV的波形,分别对应输入频率为50 kHz、1 MHz、40 MHz,对应的稳态幅值基本一致,见表3，但在高频40 MHz时,不存在误差,输入信号幅度变小,稳态误差减小。对比图7—12可知,稳态输出电压相同时,相同输入幅度、不同频率对应的过渡过程波形具有相同的特征。电路稳态响应时间较短,电路在较宽的频带范围内都能保持良好的幅频特性,输出电压几乎无偏移,波形无失真。
图10 f=50 kHz波形
图11 f=1 MHz波形
图12 f=40 MHz波形表3 输出为500 mV Vpp
输入频率输入Vpp/mV输出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
对比表2和3,恒定稳态输出V0对应着恒定的参考电压VC；在输出V0恒定的前提下,相同幅度输入信号对应着近似相同的控制电压U2。
相同输入频率和输出电压下的VC和U2值见表4，相同输入频率和输入电压下的VC和U2值见表5。
表4 相同输入频率和输出电压下的VC和U2
表5 相同输入频率和输入电压下的VC和U2
对比表2—表5的数据,控制电压U2既与输入信号的幅度有关,又与参考电压VC有关；输出信号的稳态电压在一定范围内(幅值在稳态电压范围内,频率在通频带内)与输入信号幅度、频率无关,稳态电压V0看似与控制电压U2有关,但U2受参考电压VC控制,这表明可以通过建立稳态输出V0与参考电压VC的函数关系来描述整个电路。电路可控变量只有VC,改变VC时稳态输出发生正向变化。
4 结语
测试表明，本文设计的自动增益控制电路在20 kHz～40 MHz范围内,可调增益为-28～45 dB；调节VC值,在通频带内,稳态输出幅度误差小。电路可作为电子设计竞赛培训模块电路,也可作为自动控制教学单元实验。调整电路可引入PID算法,改善电路的暂态性能[12]。同时,电路模块具有非线性,难以建立数学模型精确定量分析输出信号的行为特性,可尝试建立近似数学模型,利用平均周期法等方法定量分析稳态输出电压幅值,从而优化电路的设计。
