自动增益控制电路的设计与实现

第1页共13页电子电路综合设计实验实验5自动增益控制电路的设计与实现实验报告学院：信息与通信工程学院班级：姓名：学号：班内序号：第2页共13页一．课题名称：自动增益控制电路的设计与实现二．实验目的1.了解AGC（自动增益控制）的自适应前置放大器的应用。2.掌握AGC电路的一种实现方法。3.提高独立设计电路和验证实验的能力。三．实验摘要在处理输入模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况。针对此问题，可以采用自动增益控制（AGC）的自适应前置放大器，使增益能够随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。AGC电路实现有反馈控制、前馈控制和混合控制三种，本实验采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，控制输入信号在0.5mV~50Vrms范围（40dB范围内），使输出信号在0.5~1.5Vrms，即输出电压变化不超过5dB，信号带宽100~5KHz，从而简单有效地实现了AGC的功能。关键词：自动增益控制反馈控制直流耦合互补级倍压整流四．设计任务要求1.基本要求：1)设计一个AGC电路，要求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及印制电路版图。2.提高要求：设计一种采用其他方式的AGC电路。五．设计思路和总体结构框图1.设计思路AGC电路的实现有反馈控制、前馈控制和混合控制等三种，典型的反馈控制AGC由可变增益放大器（VGA）以及检波整流控制组成，本实验中电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效的实现AGC功能，如第3页共13页图1。图1-反馈式AGC如图2，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。可变电阻由采用基极—集电极短路方式的双极晶体管微分电阻实现，为改变Q1的电阻，可从一个有电压源V2和大阻值电阻R2组成的电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。图2由短路三极管构成的衰减器电路对于输入Q1集电极的正电流的所有可用值，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，其VI特性曲线如图2所示。可以看出，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，即器件的微分电导直接与电流成正比。在工作状态下，共射极连接的双极型晶体管的电流放大系数一般在100或100以上，在相当大的电流范围内，微分电阻都正确地遵守这一规则。图中所示的晶体管至少可以在五个十倍程范围内控制微分电阻，即控制幅度超过100dB。2.总体构架框图为实现自动增益控制电路的功能，设计的电路应具有四级，分别为：信号先由驱动缓冲级输入，进入直流耦合互补级进行放大，在射极跟随器输出，同时，第4页共13页在射极输出前连一反馈电路到缓冲级，实现电流相加电压取样的并联电压负反馈，其中，反馈电路中含有由两个二极管组成的倍压整流器和衰减器的可变电阻部分。从而实现在输入信号变化很大时，输出信号稳定的功能。电路总体架构图如下：图3电路总体架构六.分块电路和总体电路的设计（含电路图）1.分块电路1）驱动缓冲级其设计电路图如图4所示，当输入信号VIN驱动缓冲极Q1时，组成基极集电极输出的共射电路，它的非旁路射极电阻R3有四个作用：①它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式（1）所示的值。该电路中的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值几乎可以唯一地确定这个输出电阻。RD1≈rbe+(1+βrce/rbe)(R3//rbe)（1）②由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至：AQ1=－βR4/〔rbe+(1+β)R3〕≈－R4/R3(2)③如公式（2）所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流－电压驱动的线性响应。④Q1的基极微分输入电阻升至RdBASE=rbe+(1+β)R3，与只有rbe相比，它远远大于Q1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。实验测试得晶体管Q1放大倍数很小，起到稳定输入的缓冲作用。第5页共13页图4驱动缓冲级电路2）直流耦合互补级联放大部分电路图如图5所示；图中晶体管Q2为NPN管，Q3为PNP管，将Q2的集电极与Q3的基极相连，两个管子实现共射—共射放大，利用直流耦合构成互补放大器，为电路提供大部分电压增益。图5直流耦合互补级电路第6页共13页3）输出级电路Q3集电极与Q4的基极相连，电流信号从Q4发射极流出，为共集电路，利用了共集射极跟随器的特点，。。。。另外，R14将发射极输出跟随器Q4与信号输出端隔离开来。图表6输出级电路4）自动增益控制部分电路（AGC）电路图如图6所示，其中R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图2中的电阻R1，而Q6构成衰减器的可变电阻部分，Q5为Q6提供集电极驱动电流，Q5的共射极结构只需要很少的基极电流，而射极电流流入Q6集电极，由于可变电阻的阻值与其流过的电流成反比，可改变电阻值。因为电阻R17与C6并联，由于有二极管D1、D2单向导通作用，C6只能通过R17放电，故R17决定了AGC的释放时间。在实际中，R17阻值可以选得大一的，延长AGC释放时间，方便观察。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。D1和D2构成一个倍压整流器，从输出级Q4提取信号的一部分，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决定了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。反馈原理：反馈电路在Q4发射极进行电压取样，另一端接C3后面，在输入中电路进行电流相加，由瞬时极性法可判断该反馈类型为电压并联负反馈。即当第7页共13页输入信号增大时，输出电流也增大，Q6的微分电阻就会跟这变小，由于负反馈的作用，输入信号就会变小，导致输出减小，最终实现了输出信号基本稳定。反之亦然，从而实现自动增益控制功能。图7自动增益控制电路2.总体电路总体电路图如下：当输入信号为0.5～50mVrms（40dB动态范围），信号带宽为100Hz～5KHz，使输出信号在0.5～1.5Vrms（变化不超过5dB）内。并且，正弦输入信号从0.5至50mVrms的步长变化时的AGC开始时间约为0.3s，从50mVrms到0.5mVrms的AGC释放时间约为100s。第8页共13页图8总体电路图七．实现功能说明本实验所完成的电路实现了自动增益控制的功能，当输入端信号变化时，输出信号由于自动增益控制电路的作用会基本保持不变，或者是先变化后逐渐恢复到原来的输出信号幅值。1）自动增益控制功能的实现。实验方法：先保持恒定的信号频率，将输入信号的有效值从0.5mV逐渐提高到50mV，用示波器记录输入输出波形，用交流毫伏表测量输入输出有效值。第9页共13页图表1实验数据：（单位/mV）Vi/mVf/Hz1000200030004000500057567517627587627.27677677717747761076777677194093839.584083183181181344.584383183181880850850840833833833结果分析：可以从示波器波形和测试数据得出：在实验要求的频段内，当输入信号从5mVrms变化到50mVrms时，输出大约只是从750mVrms变化到830mVrms，输入变化了10倍，而输出仅增大了1.1倍，符合设计的要求。从示波器的波形可以直观明显地观察到当输入变化。当输入信号增大时，输出信号先增大（信号比较大时出现严重失真），然后开始减小，回到原来的位置。当信号减小时，输出信号先减小，然后又缓慢回到之前的位置并且保持稳定。具体的变化过程可由附件中的视频看到。八．故障及问题分析1．示波器无信号输出在实验中，开始时示波器一直无输出信号，于是逐级检查电路工作情况，当断开驱动缓冲级与后级连接时发现Q1未把信号输入后级，然后用万用表测量晶体管电压Vbe、Vce，发现Vce约为0.6V左右，压降太小，觉得应该是电压在R18或者R5分压过大，致使晶体管不能正常工作。然后断开电源，用万用表测试R18和R5，发现R5阻值正常，而R18阻值本该是330Ω，却用成了330KΩ。换了电阻后，Q1工作正常（集电极在2~3V左右），示波器有输出。2.输出波形失真（近似矩形波）。在解决了示波器无输出图像问题后，发现图像输出失真严重，基本看不出是正弦波。我觉得应该是线路没有连好，所以一条一条的检查线路是否有错或者接触不良，但是还是没有发现错误。于是我连到电源，检查静态工作点，发现面包板上面的地和下面的地电压不相等（相差9V左右），原来是接地不正确。于是我再看了看面包板网孔的连线，发现之前我没有注意到上下两边的线不是完全横着接通的，中间部分没有接通，所以我将导线将两条线接通后，示波器立即出现了输出的正弦波。九．总结和结论本次实验对我来说还是有一定的挑战性。该AGC电路十分复杂，器件多，线路纵横。要将所有元件在小小一块面包板上实现，并且实现自动增益的功能，最开始还是觉得有困难，但是自己逐步解决，最终获得了成功。1.做实验需要耐心。由于我连线时参考了书中PCB板，所以在元件排布和连线时速度很快，没有返工，但是一连电源就没有输出。刚开始时还是有些心急，但后来仔细对照电路图和PCB板，发现自己有几条线确实没有连正确。我觉得自动增益的实验最大的挑战就是正确地连好电路，我在实验中出现的各种问题基本上都是电路第10页共13页没有连好引起的。面对这么复杂的电路一定要沉住气，不能心急，要相信自己一定可以做好。事实证明也如此，在我检查了数遍面包板之后，在我一个一个点测试电压之后，终于发现问题所在，并且解决问题，获得了正确的波形。2.事先要做好准备。在正式连电路前应该检查各种元器件是否良好。在电路连好后，没有输出，我一时间又找不到原因，所以只能一个个检查，看晶体管是否已损坏，看电阻是否是正确的阻值。在这中间，我终于发现了电阻R18阻值的错误，但是我觉得耽误了时间。因为这次实验的电路比较复杂，所以如果在搭建电路时最好先初步检测了元件，那么在后期调试时就能节省很多时间，这比在电路搭建好后再查错相对要节省很多时间。另外，在此次实验中，我初步了解了AGC自动增益的原理，在设计、搭建电路的同时也巩固了我以前学过的知识，提高了综合运用能力和动手能力。在实验中，我学会了使用DXP画电路板和制作PCB板，我也进一步熟悉了multism仿真软件的使用，熟悉了实验室中各种仪器的使用和调试，也学会了检查和分析电路中出现问题的原因，并且通过自己的思考找到了解决方法。同时，这次实验也考验了我的耐心和细心程度，教会了我很多做事情的道理。总的来说，此次实验是一次成功的实验，我从中受益匪浅。十、PROTEL绘制的原理图1、PROTEL绘制的AGC电路原理图：见图8总体电路图。2、用PROTEL生成的PCB板图9PCB板3、9V稳压源电路原理图：第11页共13页图109V稳压电路4、9V稳压源生成PCB板图119V稳压电路PCB板十一.所用元器件及测试仪表清单112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-11SheetofFile:E:\Assignments\Sheet3.SchDocDrawnBy:12Header2JP1Fuse1F1TransCTT1Bridge1D2100pFC3100pFC8100pFC7100pFC1100pFC5100pFC6100pFC4100pFC2IN14OUT3GNDL7815ABD2TU1IN14OUT3GNDL7815ABD2TU2DiodeD1DiodeD3VCCVCC第12页共13页1、元器件清单元器件标号参数个数电阻R1220Ω1电阻R21MΩ1电阻R32.2KΩ1电阻R427KΩ1电阻R52.2KΩ1电阻R6300KΩ1电阻R7430KΩ1电阻R81.5KΩ1电阻R9560Ω1电阻R1015KΩ1电阻R1127KΩ1电阻R1210