自动增益控制电路的设计与实现

自动增益控制电路的设计与实现实验报告北京邮电大学信息与通信工程学院一：课题名称自动增益控制电路的设计与实现二：摘要及关键词1、摘要：在处理输入的模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况；另外，在其他应用中，如监控系统中的多个相同传感器返回的信号中，频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差甚多的现象。很多时候系统会遇到不可预知的信号，导致因为非重复性事件而丢失数据。此时，可以使用带AGC（自动增益控制）的自适应前置放大器，使增益能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。本实验在介绍了AGC电路的基础上，采用了一种相对简单而有效实现预通道AGC的方法，电路中使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法。2、关键词：驱动缓冲可变衰减自动增益控制电压跟随器反馈三：设计任务要求1、基本要求：1）设计实现一个AGC电路，设计指标以及给定条件为：输入信号0.5～50mVrms；输出信号：0.5～1.5Vrms；信号带宽：100～5KHz；2）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）2、提高要求：1）设计一种采用其他方式的AGC电路；2）采用麦克风作为输入，8Ω喇叭作为输出的完整音频系统。3、探究要求：1）如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；2）测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。四：设计思路及总体结构框架1、设计思路①该实验电路中使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而相对简单而有效实现预通道AGC的功能。如下图，可变分压器由一个固定电阻R1和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。可变电阻采用基极-集电极短路方式的双极性晶体管微分电阻实现为改变Q1电阻，可从一个由电压源和大阻值电阻R2组成的直流源直接向短路晶体管注入电流。为防止R2影响电路的交流电压传输特性。R2的阻值必须远大于R1.VGAInputOutput反馈式AGC由短路三极管构成的衰减器电路②对正电流的I所有可用值（一般都小于晶体管的最大额定设计电流），晶体管Q1的集电极-发射极饱和电压小于它的基极-发射极阈值电压，于是晶体管工作在有效状态。短路晶体管的V-I特性曲线非常类似与PN二极管，符合肖特基方程，除了稍高的直流电压值外，即器件电压的变化与直流电流变化的对数成正比。③输入信号VIN驱动输入缓冲极Q1，中间互补级联放大电路Q2、Q3提供大部分电压增益，通过负反馈网络回到放大级的输入端。R4构成可变衰减器的固定电阻，Q6构成衰减器的可变电阻部分，D1、D2构成一个倍压整流器。它从输出级Q4提取信号的一部分并为Q5生成控制电压，这种构置可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。电阻R15决定AGC的开始时间（若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数产生极点，导致不稳定），电阻R17决定AGC的释放时间。R14是1KΩ电阻，将发射极输出跟随器Q4与信号输出端隔离开。2、总体结构框图Detetor五：分块电路和总体电路的设计1、9V稳压源电路2、信号缓冲输入级电路3、直流耦合互补级联电路（提供大部分增益）：112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:15KR8330R18270KR6430KR7560R927KR110.22uFC41000uFC9220uFC5Q2Q312Header2JP39V4、信号输出级电路（射极跟随器Q4）：112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:330R18100R12390R131KR141000uFC910uFC812OutputJP2Q412Header2JP39V5、倍压整流（D1、D2与电容C6构成）与反馈电路：6、总体电路设计该电路主要由输入前级、中间直流互补级联放级、倍压整流电路、反馈网络组成。其中反馈网络跨在直流互补耦合级联放大级的前端与输出级的前端之间，使信号自动衰减为一定的值（小幅波动），实现自动增益控制。六、所实现功能说明1、基本功能：输入的信号范围在0.5～50mVrms时，经过输入缓冲级，直流耦合互补级联放大信号（提供大部分增益），经过射极跟随器，接输出端同时引反馈回去到放大级前端，反馈由具有倍压整流作用的D1、D2和可变衰减器，对不同的输入信号，反馈信号大小不一样，使经输入缓冲级放大电路放大的信号与反馈信号叠加，叠加后的信号幅度在很小的范围波动，再经过放大，使输出电压0.5～1.5Vrms，信号带宽满足覆盖100Hz～5KHz的要求，实现了自动增益控制。2、直流电源：Vcc=9V3、主要测试数据：f/HzVi/mVrms10010003000500051.221.231.241.24101.301.301.311.31201.331.341.351.35301.371.371.381.38501.411.411.421.424、测量方法：（1）输入端接输入信号，电压有效值0.5～50mV，频率在100Hz～5KHz，为得到不同频率不同电压下的增益数据，采取单变量法测试，用示波器观察输入输出信号，使用交流毫伏表测量输入输出的信号电压的有效值，计算增益；（2）具体测试过程如下：保持输入电压有效值0.5mV，改变信号频率从100Hz变化到5KHz（为取得更多的数据，可以每次增大500Hz，多测数据），测量记录如上表格所示；（3）由测出的数据可以计算出增益，同时可见，再输入电压在规定的范围内大幅波动时，输出电压在规定的范围内以很小幅度波动，即可认为输入在规定范围内变化时，输出不变，实现了自动增益控制的功能；（4）为了解反馈网络在自动增益控制电路中的作用，可以在反馈输出端接示波器通道来观察测量反馈输出信号，亦可把反馈引回的线去掉，用示波器观察测量没有反馈时的输出信号，记录测量的数据，分析可以看出反馈网络在该电路中举足轻重的地位，这也是该电路称为反馈式AGC的原因。（5）用示波器观察输入缓冲级（该实验中注释为Q1）的集电极输出波形，记录测量数据；把反馈去掉，同样观察测量Q1集电极的波形，对比可见，有反馈的时候Q1的集电极输出信号幅值基本为2mV，而无反馈的时候，Q1的集电极输出信号幅值为伏级上的，比有反馈的时候大的多，可见自动衰减的负反馈信号与经缓冲级放大的信号叠加，使信号维持在一个比较稳定的值。（6）测量倍压整流电路（D1、D2构成）的输出信号波形，增进对倍压整流器的工作原理的理解。七、故障及问题分析做PCB板时，由于刚开始对于软件不熟悉，所以走了不少弯路。首先，将原理图画好后，运行总是出错，最后发现是未将原理图放入工程，其次将原件导入PCB板时，没有画禁布线区，并且未放置焊盘，导致无法布线。后经调整，并查阅相关资料完成了PCB板。首先，连接电路用了较长时间。第一次连接完毕，发现地线和电源线接的太乱，并且导线过多。第二次连接完成后，却无法得到预期的输出波形，而是在电源接通后会出现方波，检查电路并未发现错误，于是又进行了第三次连接，但还是未得到预期效果，经过检查，应对各级参数进行对比发现R13忘记接地，改正过后得到了满意的波形。八、总结和结论1、本实验综合性较强，考察了理论分析与动手实践的综合能力，让我们通过实验，加深了对模电的认识。2、本实验采用了反馈式自动增益控制电路，主要由输入缓冲级、直流耦合互补级联、信号输出级、倍压整流与反馈几个部分组成。倍压整流与反馈实现了自动增益控制的功能。3、由于自动增益控制电路比较复杂，我们在实验中应该学会部分分析的方法。当电路的输出电压波形不符合预期时，要根据实际的输出与理论分析的输出之间的差距来分析故障发生在哪里，这样可使我们缩小排查的范围，提高实验效率，同时加深理解了电路每一部分的具体功能。4、在连接电路之前，应该先设计好具体的电路布局，使得整体清晰美观，这样可以避免不必要的返工。5、输出的信号电压基本为1.35Vrms，以很小幅度波动，在实验要求的范围内，输出信号带宽为50Hz～225KHz，覆盖要求的频率宽度，可以处理很宽频带的信号，说明该电路对信号处理能力强，但同时带来一个问题，通频带宽，选择性差。6、该自动增益控制电路，输入信号范围为0.5～50mVrms输出信号为0.5～1.5Vrms信号带宽：100～5KHz，适合应用于低频段小信号处理的系统中。九、PROTEL绘制的原理图1、PROTEL绘制的AGC电路原理图：该电路主要有几部分组成：输入前级、中间直流互补级联放大级、倍压整流电路、反馈网络、输出级。其中反馈网络跨在直流互补耦合级联放大级的前端与输出级的前端之间，使信号自动衰减为一定的值，实现自动增益控制。2、用PROTEL生成的PCB板3、9V稳压源电路原理图：4、9V稳压源生成PCB板5、实物效果十、所用元器件及测试仪表清单1、元器件清单PolarizedCapacitor(Radial)C1RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C2RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C3RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C4RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C5RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C6RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C7RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C8RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C9RB7.6-15CapPol11PolarizedCapacitor(Radial)C10RB7.6-15CapPol11DefaultDiodeD1DSO-C2/X3.3Diode1DefaultDiodeD2DSO-C2/X3.3Diode1Header,2-PinJP1HDR1X2Header21Header,2-PinJP2HDR1X2Header21Header,2-PinJP3HDR1X2Header21NPNGeneralPurposeAmplifierQ1BCY-W3/D4.72N39041NPNGeneralPurposeAmplifierQ2BCY-W3/D4.72N39041PNPGeneralPurposeAmplifierQ3BCY-W3/D4.72N39061NPNGeneralPurposeAmplifierQ4BCY-W3/D4.72N39041NPNGeneralPurposeAmplifierQ5BCY-W3/D4.72N39041NPNGeneralPurposeAmplifierQ6BCY-W3/D4.72N39041ResistorR1AXIAL-0.4Res21ResistorR2AXIAL-0.4Res21ResistorR3AXIAL-0.4Res21ResistorR4AXIAL-0.4Res21ResistorR5AXIAL-0.4Res21ResistorR6AXIAL-0.4Res21ResistorR7AXIAL-0.4Res21ResistorR8AXIAL-0.4Res21ResistorR9AXIAL-0.4Res21ResistorR10AXIAL-0.4Res21ResistorR11AXIAL-0.4Res21ResistorR12AXIAL-0.4Res21ResistorR13AXIAL-0.4Res21ResistorR14AXIA