自動增益控制放大器概述

1、2014年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告參賽題目：自動增益控制放大器題目編號：H期：二一四年八月十二日至二O四年八月十五日自動增益控制放大器（AGC設(shè)計摘要：本設(shè)計以可變增益放大器VCA810為核心，通過單片機MSP430控制各模塊，實現(xiàn)電壓增益連續(xù)可調(diào)，輸出電壓基本恒定。系統(tǒng)主要由可變增益放大器、MSP430 單片機、AGC電路、功放電路、檢波電路、比較器、噪聲檢測電路等組成。將輸 入信號經(jīng)程控放大器進行調(diào)理歸一處理，輸入給程控增益調(diào)整放大器VCA810 ,將信號放大輸出，通過有效值檢波電路檢測輸出信號，并送給單片機AD采樣，與理想輸出信號數(shù)值進行比較，若有多偏差，則通過調(diào)整對VCA810的

2、增益控制電壓， 來調(diào)整放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)輸出信號的穩(wěn)定。整個設(shè)計使用負反饋原理，實現(xiàn)了 自動增益的控制。關(guān)鍵字：VCA810MSP430有效值檢測自動增益控制（AGC）一、方案設(shè)計與論證1.1整體方案方案一：采用純硬件電路實現(xiàn)，由AGC和運放構(gòu)成的電壓比較器和減法電路 實現(xiàn)。把實際電壓與理論電壓的差值通過適當(dāng)幅值和極性的處理，作為AGC的控制信號，從而實現(xiàn)放大倍數(shù)的自動調(diào)整，實現(xiàn)輸出電壓恒定。方案二：采用可變增益放大器和單片機結(jié)合，通過單片機對輸出信號AD采樣并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，與理論輸出電壓值進行比較，得到差值轉(zhuǎn)換為控制直流電壓， 通過DA轉(zhuǎn)化，對放大器的放大倍數(shù)精確調(diào)整，從而實現(xiàn)輸出電壓的恒定

3、。方案一理論簡單，只有硬件電路，制作起來相對容易，但其理論低端，精度 不夠，沒有創(chuàng)新，通用性不好；方案二控制精確，自動控制速度快，系統(tǒng)可移植 性強，功能改變和增加容易，對后期改善和提升電路性能有益。但需要軟硬件配 合，系統(tǒng)稍復(fù)雜。通過對兩個方案的綜合對比，我們選用方案二。1.2控制模塊方案一：采用MCS-51。In tel公司的MCS-51的發(fā)展已經(jīng)有比較長的時間，以其 典型的結(jié)構(gòu)、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統(tǒng)和面向控制功能的豐 富的指令系統(tǒng)，為單片機的發(fā)展奠定3了良；好的基礎(chǔ)，應(yīng)用比較廣泛，各種技 術(shù)都比較成熟。方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一個16位的、

4、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，基于閃存的產(chǎn)品系列，具有最低工作功耗，在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達 25MIPS。包含一個用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電 源管理模塊。由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段。方案一采用MCS-51控制簡單，但資源有限，功能實現(xiàn)有困難，而且需要大量 外擴單元；而方案二MSP430資源豐富，操作語言靈活，但對編程的要求有所提高。 綜合考慮下，我們采用MAP430作為我們的主控制器。1.3程控可變增益放大器方案一：LM358是由兩個獨立的高增益運算放大器組成?？梢允菃坞娫垂ぷ?， 也可以是雙電源工作，電源的電流消耗與電源電壓大小無關(guān)。應(yīng)

5、用范圍包括變頻 放大器、DC增益部件和所有常規(guī)運算放大電路。利用模擬開關(guān)CD4051程控切換運 算放大器反饋電阻從而改變放大器的增益，到達程控調(diào)理信號，將輸入信號從 10mV5V的信號調(diào)理到03.3V的范圍，以便后續(xù)電路處理。該方案電路簡單，單 片機控制模擬開關(guān)程控調(diào)節(jié)增益方便，確點是：模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻較大（1K Q）并且隨著頻率的變化而變化，增益出現(xiàn)非線性。方案二：由于輸入信號在10mV5V變化，范圍較大，所以利用程控可變增益 放大器分段放大。程控可變增益放大器采用OP07作為可變增益放大器的放大芯片， 它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)

6、電壓（對于OP07最大為25卩V ），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額 外的調(diào)零措施。程控可變增益放大器采用單片機控制四路繼電器合理切換，達到 自動分段測試輸入信號，將輸入信號調(diào)理到 0.2V1.4范圍內(nèi)，以便后續(xù)電路處理。方案二具有低噪聲、高增益的特性，而且調(diào)節(jié)方便，增益線性好，性能較方 案一好，所以采用第二方案。1.4 AGC電路方案一：采用AD603。它提供精確的引腳可選增益，90 MHz帶寬時增益范圍 為-11 dB至+31 dB, 9 MHz帶寬時增益范圍為+9 dB至+51 dB。用一個外部電阻便 可獲得任何中間增益范圍。兩片 AD603級聯(lián)時，總增益的控制范圍為84.28db。

7、JJ1.24*11R11 MHICB嚴rR12_；4,Wkil -2N33KMO.IlFcm0.1時Tl- cioEF1.54K1IC1丄JI爭AD 6032.4tk!mr2 j2.WI1h2 49Mtmis MMcrrOR seis 離M UMfCCWSMAfr1.C5HQCT0.1 kF02/PN 31）吋 O1WA-1AD6Q3圖1.1米用AD603的AGC電路24,9*131MI1.49kLJ+腳豔蟲+ICQliF3 方案二：采用VCA810。可變增益放大器VCA810提供了差分輸入單端輸出轉(zhuǎn)換，用來改變高阻抗的增益控制輸入超過 -40DB增益至+40 dB的范圍內(nèi)成dB/ V的 線性

8、變化。從土 5V電源工作，將調(diào)整為VCA810的增益控制電壓在0V輸入-40DB 增益在-2V輸入到+40 dB。5IV圖1.2采用VCA810的AGC電路相比之下，VCA810應(yīng)用要簡單些，調(diào)試起來方便些，電壓也限制在+ 5V，不會有+10V比較符合之前的電路設(shè)計風(fēng)格，對噪聲的控制上，1片VCA810的性能要優(yōu)于2片AD603。綜合考慮下，選擇方案二。1.5功放電路方案一：采用TPA3112D1集成功放，TPA3112D1是一款具有SpeakerGuardTM 的25W單聲道、無需外加濾波器的D類音頻放大器，運用在電視和消費類音頻設(shè)備 中。該芯片供電范圍為8V26V ;采用H橋作為功率輸出級

9、，使得其可在輸出沒有 傳統(tǒng)的LC濾波器的情況下直接驅(qū)動感性負載；輸入的音頻信號可以是差分形式，其中在24V供電情況下，滿負載驅(qū)動8Q的橋接式揚聲器，聲音失真杭率僅為0.1%。 方案二：采用LF353運放作為輸入級，LF353的總體電路設(shè)計還是比較簡潔的， 在功率運算放大器設(shè)計中是主流：輸入放大級是由兩只P溝道JFET組成的共源極差 分電路，并且用鏡像恒流源做負載來提高增益；在輸入差分放大級和主電壓放大 級之間是一個由射極跟隨器構(gòu)成的電流放大級，用來提高主電壓放大級的輸入阻 抗和共源極差分電路的負載增益。采用IAF530作為出極，它具有輸出阻抗低，輸 出電流大的特點。方案一為集成模塊，使用方便，

10、但其功率不夠，幅度太大；方案二雖需要自 己設(shè)計電路，但整個電路具有輸入阻抗高輸出阻抗低、聲音失真小，完全適合600歐的負載到8歐負載的變化。故選用方案二。2.1系統(tǒng)整體設(shè)計框圖圖1.3系統(tǒng)設(shè)計框圖2.2硬件原理圖系統(tǒng)硬件部分設(shè)計原理圖如圖1.4所示MCUMCU圖1.4可變增益放大器圖1.5功放電路+12VTL51V+T-12V+ C5 1*47 0uF/35V+ C53土二 470uF/35VC5 50.1 uFC57+ C5 2C5 6 +0.1 uFC5947 0uF/35VL5 2Z470uF/35V0.1 uF0.1 uF ”LT47 0uF/35V144A+ C54C58+ C510

11、47 0UF/35VV-圖1.6濾波電路圖1.7比較器+5VT圖1.8噪聲檢測電路GND5V+5V + 訓(xùn)GNDMl DSOK 阻，iy1 inU6IBUFF IN MCCOMOFF FT CSIJENinDBouiBUFF OUTi&TTNC2+5V163.7KAD637R6J50K圖1.9檢波電路倒Ou兒rA9I，WWW A90I. I，n圖1.12 AGC電路2.3軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖如圖1.10所示，開發(fā)板系統(tǒng)初始化后，預(yù)置輸出一個控制電 壓，然后啟動AD轉(zhuǎn)化，采樣得到輸出信號，然后與標準電壓比較，修改增益控 制電壓，穩(wěn)定輸出電壓。圖 1.102.4參數(shù)計算(1)增益方面的計算設(shè)計

12、目標輸出電壓變化范圍2V 0.2V，而輸入信號為100mV5V,我們選定輸 出幅度為2V ,即Av在220倍，根據(jù)程控增益調(diào)節(jié)放大器的連接方式可知，增益的計算公式為G=(40Vg+10)dB,帶寬90MHz。所以將AD采集得到的輸出電壓Vout，與預(yù) 置電壓進行比較，調(diào)整Vg大小，來改變增益，從而實現(xiàn)輸出幅值穩(wěn)定在某一個數(shù) 值。(2)緩沖、穩(wěn)幅的方案與計算因為要用到單片機內(nèi)部的AD637采樣功能，所以一定要保證單片機的安全， 在通過峰值檢測電路的檢測之后，把檢測到的峰值經(jīng)過一個后級緩沖電路再接一 個3V穩(wěn)壓管之后送給單片機，既保證單片機端口的安全，同時把電路與單片機隔離。競賽工作環(huán)境條件系統(tǒng)調(diào)

13、試所使用的儀器設(shè)備如表所示儀器名稱型號數(shù)量直流穩(wěn)壓源APS3003S-3D1數(shù)字存儲示波器MST1102B1數(shù)字萬用表UT531信號發(fā)生器EE1643C1表2.1三、系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析3.1測試方案及數(shù)據(jù)分析電源土 12V供電，負載為8Q電阻適用頻率范圍約為5Hz100Khz最大輸入峰峰值（不失真）約為 Vin 3.0Vpp。最大輸出峰峰值（不失真）約為 Vout 心 16Vpp=最大輸出功率約為Pmaw 4W功放效率約為n57%表3.1功放測試數(shù)據(jù)測試流程：（1）噪聲測試：輸入頻率10KHZ和100KHZ的正弦波信號。負載為600歐 姆，測試輸出信號，通過示波器讀取輸出信號峰值，然后改變輸入

14、信號峰值，測 量輸出信號的峰值。測試數(shù)據(jù)如表 3.2和表3.3所示。輸入正弦波幅度1000800600400200100806040(mV輸出電壓幅度（mV42032028020016034302216輸出電壓幅度（mV36032024020010032282214表3.2 10KHz噪聲測試輸入正弦波幅度（mV1000800600400200輸出電壓幅度（mV360320280200160輸出電壓峰峰（mV360320280220140表3.3 1OOKHZ噪聲測試（2）穩(wěn)幅測試：輸入頻率1KHZ的正弦波信號，負載為600歐姆，測試輸出信 號，通過示波器讀取輸出信號峰值，然后改變輸入信號峰值

15、，測量輸出信號的峰 值變化，計算相對誤差。測試數(shù)據(jù)如表 3.3所示。輸入Vp信號見表3.4。輸入信號（V）0.020.030.040.050.080.0850.090.0950.10.15輸出信號（V）82.082.082.062.14輸入信號（V）1.82.03.0輸出信號（V）82.062.082.082.042.022.022.12表3.4穩(wěn)幅測試輸入正弦波頻率（HZ1002005001K1.5K2K3K5K10K600歐姆下輸出電 壓幅度（V）2.022.062.042.062.082.062.042.062.068歐姆下輸出電壓 幅度（V）2.042.062.082.042.082.082.022.022.04表3.5穩(wěn)幅測試測試數(shù)據(jù)分析:系統(tǒng)基本可以按照預(yù)置輸出電壓穩(wěn)定輸出，我們輸出信號穩(wěn)定電壓為2.1V四、設(shè)計總結(jié)系統(tǒng)能夠滿足題目基本要求：(1) 放大器可以從 mp3或信號源輸入音頻(100Hz10kHz)信號，可以帶 600Q負 載或驅(qū)動 8Q喇叭(25W)。(2) 當(dāng)輸入信號幅度在10mV5V間變化時，放大器輸出默認值保持在 2V 0.2V內(nèi)，波動越小越好。(3) 能夠顯示輸入信號幅度大小及頻率高低。(4)