自動增益控制電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) - 自動增益控制電路的設(shè)計(jì)電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：自動增益控制電路的設(shè)計(jì)班 級： 學(xué) 號： 班內(nèi)序號： 姓 名： 任課教師： 一、 摘要在處理輸入的模擬信號時，經(jīng)常會遇到通信信道或傳感器衰減強(qiáng)度大幅變化的情況；另外，在其他應(yīng)用中，也經(jīng)常有多個信號頻譜結(jié)構(gòu)和動態(tài)范圍大體相似，而最大波幅卻相差甚多的現(xiàn)象。很多時候系統(tǒng)會遇到不可預(yù)知的信號，導(dǎo)致因?yàn)榉侵貜?fù)性事件而丟失數(shù)據(jù)。此時，可以使用帶AGC（自動增益控制）的自適應(yīng)前置放大器，使增益能隨信號強(qiáng)弱而自動調(diào)整，以保持輸出相對穩(wěn)定。自動增益控制電路已廣泛用于接收機(jī)、錄音機(jī)、信號采集系統(tǒng)、雷達(dá)、廣播、電視系統(tǒng)中，以及在無線通

2、信、光纖通信、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)也有著非常廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)介紹了一種簡單的反饋式AGC電路，適用于低頻段小信號處理的系統(tǒng)中。二、 關(guān)鍵字自動增益 可變衰減 倍壓整流 負(fù)反饋三、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1. 基本要求：(1) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個AGC電路，設(shè)計(jì)指標(biāo)以及給定條件為：輸入信號0.550mVrms；輸出信號：0.51.5Vrms；信號帶寬：1005KHz；(2) 設(shè)計(jì)該電路的電源電路（不要求實(shí)際搭建），用PROTEL軟件繪制完整的電路原理圖（SCH）及印制電路板圖（PCB）2. 提高要求：(1) 設(shè)計(jì)一種采用其他方式的AGC電路；(2) 采用麥克風(fēng)作為輸入，8喇叭作為輸出的完整音頻系統(tǒng)。3. 探究要求：

3、(1) 如何設(shè)計(jì)具有更寬輸入電壓范圍的AGC電路；(2) 測試AGC電路中的總諧波失真（THD）及如何有效的降低THD。四、 設(shè)計(jì)思路1. 電路結(jié)構(gòu)框圖驅(qū)動緩沖電路級聯(lián)放大電路輸出跟隨電路AGC反饋電路圖1 自動增益控制電路的總體框圖AGC電路的實(shí)現(xiàn)有反饋控制、前饋控制和混合控制等三種，典型的反饋控制AGC由可變增益放大器（VGA）以及檢波整流控制組成，如圖2。圖2 反饋式AGC 圖 3 由短路三極管構(gòu)成的衰減器電路本實(shí)驗(yàn)電路采用了短路雙極晶體管直接進(jìn)行小信號控制的方法，從而簡單而有效實(shí)現(xiàn)AGC的功能。圖3中，可變分壓器由一個固定電阻R1和一個可變電阻構(gòu)成，控制信號的交流振幅?？勺冸娮璨捎没鶚O

4、集電極短路方式的雙極性晶體管微分電阻實(shí)現(xiàn)，為改變Q1電阻，可從一個由電壓源V2和大阻值電阻R2組成的直流源直接向短路晶體管注入電流。為防止R2影響電路的交流電壓傳輸特性。R2的阻值必須遠(yuǎn)大于R1。對正電流的I所有可用值，晶體管Q1的集電極發(fā)射極飽和電壓小于它的基極發(fā)射極閾值電壓，于是晶體管工作在有效狀態(tài)。短路晶體管的VI特性曲線非常類似于PN二極管，符合肖特基方程，除了稍高的直流電壓值外，器件電壓的變化與直流電流變化的對數(shù)成正比。因此，對于VI曲線上所有直流工作點(diǎn)，短路晶體管的微分電阻與流過的直流電流成反比，換句話說，器件的微分電導(dǎo)直接與電流成正比。由于在其工作狀態(tài)下，共射極連接的雙極型晶體管

5、的電流放大系數(shù)一般在100或100以上，在相當(dāng)大的電流范圍內(nèi)，微分電阻都遵守這一規(guī)則。因此，圖3中V2的變化就會改變電流I,并控制R1Q1分壓比。耦合電容C1和C2將電路的衰減器與輸入信號源和輸出負(fù)載隔離開來下圖為一個典型的小信號雙極晶體管的短路VI特性，圖中顯示，至少可以在五個十倍程范圍內(nèi)控制微分電阻，即控制幅度超過100dB。圖4 VI特性曲線圖顯示短路晶體管相應(yīng)的微分電阻圖2. 驅(qū)動緩沖電路驅(qū)動緩沖電路如圖5所示，輸入信號VIN驅(qū)動緩沖極Q1，它的旁路射極電阻R3有四個作用：首先，它將Q1的微分輸出電阻提高到接近公式（1）所示的值。RD1rbe+(1+rcerbe)(R3/rbe) (1

6、)該電路中的微分輸出電阻增加很多，使R4的阻值（27k）幾乎可以唯一地確定整個輸出電阻。其次，由于R3未旁路，使Q1電壓增益降低至：AQ1=R4rbe+(1+)R3R4R3 (2)第三，如公式（2）所示，未旁路的R3有助于Q1集電極電流電壓驅(qū)動的線性響應(yīng)。第四，Q1的基極微分輸入電阻升至RdBASE=rbe+(1+)R3，與只有rbe相比，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Q1的瞬時工作點(diǎn)，并且對其依賴性較低。圖5 驅(qū)動緩沖電路3. 直流耦合互補(bǔ)級聯(lián)放電電路直流耦合互補(bǔ)級聯(lián)放大電路如圖6所示，Q2和Q3構(gòu)成了直流耦合互補(bǔ)級聯(lián)放大電路，為AGC電路提供了大部分的電壓增益。R14是1k電阻，將發(fā)射極輸出跟隨器Q4與信號輸

7、出端隔離開來。必要時，R14可選用更低的電阻，但如果R14過低，則大電容的連接電纜會使Q4進(jìn)入寄生振蕩。圖6 直流耦合互補(bǔ)級聯(lián)放大電路4. AGC反饋電路AGC反饋電路如圖7所示，電阻R4構(gòu)成可變衰減器的固定電阻，類似于圖3中的電阻R1，而Q6構(gòu)成衰減器的可變電阻部分。Q5為Q6提供集電極驅(qū)動電流，Q5的共發(fā)射極結(jié)構(gòu)只需要很少的基極電流。電阻R17決定了AGC的釋放時間，其阻值可以選大些，從而能夠有較長的AGC釋放時間。電阻R19用于限制通過Q5和Q6的最大直流控制電流。當(dāng)把大的C3值和Q6的最小微分電阻作比較時，即最大信號波幅在完全控制下，其電抗對最低頻率信號頻譜成分而言是可以忽略的。D1和

8、D2構(gòu)成一個倍壓整流器，它從輸出級Q4提取信號的一部分，為Q5生成控制電壓。這種構(gòu)置可以容納非對稱信號波形的兩極性的大峰值振幅。電阻R15決定了AGC的開始時間，若與C6組合的R15過小，則使反饋傳輸函數(shù)產(chǎn)生極點(diǎn)，導(dǎo)致不穩(wěn)定。電阻R17決定AGC的釋放時間。為確保對高頻信號的良好響應(yīng)，D1和D2可以使用肖特基或快速PN硅二極管。圖7 AGC反饋電路倍壓整流原理：在一些需用高電壓、小電流的地方，常常使用倍壓整流電路。倍壓整流，可以把較低的交流電壓，用耐壓較高的整流二極管和電容器，“整”出一個較高的直流電壓。倍壓整流電路一般按輸出電壓是輸入電壓的多少倍，分為二倍壓、三倍壓與多倍壓整流電路。如圖7所

9、示，在P1輸入信號的負(fù)半周，二極管D2導(dǎo)通，D1 截止，電流經(jīng)過D2對電路中的電容C7充電至接近信號峰值，并基本保持不變；在輸入信號的正半周，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，此時，加在C7上的反向電壓和輸入電壓共同通過D1對電容C6充電，充電電壓峰值為加在D1兩端的電壓峰值。如此反復(fù)充電，C6上的電壓就基本上就維持在加在D1、D2上的交流電壓峰值兩倍。故稱倍壓整流電路。5. 總體電路設(shè)計(jì)完整的AGC電路如圖8所示，有效的AGC范圍為0.5mV至50mV輸入電壓，即40dB動態(tài)范圍。在這個輸入范圍內(nèi)，輸出電壓的變化不超過5dB，正弦輸入信號從0.5mV至50mV步長變化時的AGC開始時間約為0.3秒，

10、從50mV輸入至0.5mV的AGC釋放時間約為100秒。該電路主要由輸入前級、中間直流互補(bǔ)級聯(lián)放大級、倍壓整流電路、反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其中反饋網(wǎng)絡(luò)跨在直流互補(bǔ)耦合級聯(lián)放大級的前端與輸出級的后端之間，使信號自動衰減為一定的值（小幅波動），實(shí)現(xiàn)自動增益控制。圖8 AGC電路五、 電路仿真和測試1. Multisim電路仿真圖9 AGC電路靜態(tài)工作點(diǎn)仿真圖10 AGC電路仿真波形圖圖10對應(yīng)輸入信號頻率f=1kHz，幅值A(chǔ)in=20mV，仿真輸出信號幅值A(chǔ)out=1.55V2. 電路測試測試方法：輸入端接輸入信號，電壓有效值0.550mV，頻率在100Hz5KHz，為得到不同頻率不同電壓下的增益數(shù)據(jù)，采

11、取單變量法測試，即保持一個變量不變，改變另一變量，使其在規(guī)定范圍內(nèi)按一定的步長變化，用示波器觀察輸入輸出信號，使用交流毫伏表測量輸入輸出的信號電壓的有效值，計(jì)算增益。具體測試過程如下：(1) 保持輸入電壓有效值0.5mV，改變信號頻率從100Hz變化到5KHz（為取得更多的數(shù)據(jù)，可以每次增大500Hz，多測數(shù)據(jù)；為測試電路的帶寬，可以改變頻率到更低和更高的值，使輸出信號電壓衰減到3dB處，測出上限截止頻率），測量記錄如上表格所示；(2) 由測出的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出增益，同時可見，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)大幅波動時，輸出電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)以很小幅度波動，即可認(rèn)為輸入在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出不變，實(shí)現(xiàn)了

12、自動增益控制的功能；(3) 為了解反饋網(wǎng)絡(luò)在自動增益控制電路中的作用，可以在反饋輸出端接示波器通道來觀察測量反饋輸出信號，亦可把反饋引回的線去掉，用示波器觀察測量沒有反饋時的輸出信號，記錄測量的數(shù)據(jù)，分析可以看出反饋網(wǎng)絡(luò)在該電路中舉足輕重的地位，這也是該電路稱為反饋式AGC的原因；(4) 用示波器觀察輸入緩沖級（該實(shí)驗(yàn)中注釋為Q1）的集電極輸出波形，記錄測量數(shù)據(jù)；把反饋去掉，同樣觀察測量Q1集電極的波形，對比可見，有反饋的時候Q1的集電極輸出信號幅值基本為2mV，而無反饋的時候，Q1的集電極輸出信號幅值為伏級上的，比有反饋的時候大的多，可見自動衰減的負(fù)反饋信號與經(jīng)緩沖級放大的信號疊加，使信號維

13、持在一個比較穩(wěn)定的值。(5) 測量倍壓整流電路（D1、D2構(gòu)成）的輸出信號波形，增進(jìn)對倍壓整流器的工作原理的理解。經(jīng)過以上步驟，自動增益控制電路的測試基本完成，所得部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表：f/HzVi/mV10010002000500052.742.772.762.75102.872.912.902.88202.942.993.002.98503.053.103.113.10部分波形圖： f=100Hz，Vi=50mV， Vo=3.045V f=1kHz，Vi=10mV， Vo=2.905Vf=5kHz，Vi=20mV， Vo=2.877V六、 故障及問題分析第一次實(shí)驗(yàn)課上，在老師為我們介紹可選的實(shí)驗(yàn)

14、時，我就被AGC電路的神奇功能和廣泛的實(shí)用性所吸引，盡管電路圖比較復(fù)雜，分立元件很多，給實(shí)驗(yàn)增加了不少難度，我還是堅(jiān)定地選擇了它。拿著自己的實(shí)驗(yàn)箱回到宿舍后，我先把實(shí)驗(yàn)教材上的內(nèi)容看了一遍，然后開始按照書上的原理圖連接電路。第一次連接到一半的時候，我發(fā)現(xiàn)元器件全都擠在了一起，布局很不合理，給以后的檢查和測試帶來不便，于是我拆掉重連了電路。連接過程中碰到了沒有對應(yīng)阻值電阻的情況，有的我是通過多個電阻串并聯(lián)解決的，例如R16=56k用39k與17k串聯(lián)代替；還有的我通過分析電阻的功能做了簡化，例如R6=270k、R7=390k是給Q2提供分壓偏置的，用比值相差不大的300k和430k代替。在電路連

15、接完成后，我用Multisim對電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和波形圖進(jìn)行了仿真，將結(jié)果打印了出來，準(zhǔn)備帶到實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行調(diào)試。周末上午開放實(shí)驗(yàn)時，我并沒有立即為面包板上電，而是我用萬用表仔細(xì)檢查了原件參數(shù)、電路連接。然后接入了直流電源，測量了各個三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)并與仿真結(jié)果比較，最終發(fā)現(xiàn)了幾處錯誤并改正了電路。經(jīng)過整個上午的努力，我終于保證了電路偏置的正確，雖然耗時較長，但為接下來的調(diào)試建立了基礎(chǔ)。接下來，當(dāng)我接入小信號后，我發(fā)現(xiàn)示波器的波形并不穩(wěn)定，因?yàn)檫@個實(shí)驗(yàn)要求的輸入電壓比較小，所以我判斷是受到了噪聲的影響。于是我開始調(diào)整示波器的參數(shù)，我打開了噪聲抑制和高頻抑制功能，還采用了平均采樣模式，并把觸發(fā)源

16、選為經(jīng)過放大后的輸出信號，最終我順利的到了比較完美的正弦波形。然后，我開始改變輸入信號的大小來測試電路的性能，我發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入從小變大的過程中，輸出的響應(yīng)速度特別慢，響應(yīng)時間比較長，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室沒提供R17=18M這么大的電阻，所以搭建電路時我直接把它視為了開路，而且它還處于AGC反饋電路中，所以我推測可能是它的影響。然后我試用了1.8M的電阻來代替，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)速度有所提高，對其他指標(biāo)也沒有太大的影響，所以就采用了這個方案。但是事情沒有那么順利，在第二次上課時，我發(fā)現(xiàn)輸出波形消失了，然后只能又開始按照仿真圖排查錯誤，最終發(fā)現(xiàn)Q2三極管有問題，換過之后電路恢復(fù)了正常。這種狀況在之后也出現(xiàn)過幾回，直到實(shí)驗(yàn)

17、結(jié)束我也沒發(fā)現(xiàn)問題的根本原因，只是在出現(xiàn)問題后換原件，目前推測是在電路加電時改動了電路，使三極管擊穿導(dǎo)致。最終經(jīng)歷了四周時間，我完成了能夠?qū)崿F(xiàn)自動增益控制的完整電路。七、 總結(jié)和結(jié)論1. 本實(shí)驗(yàn)綜合性較強(qiáng)，考察了理論分析與動手實(shí)踐的綜合能力，讓我們通過實(shí)驗(yàn)，更深的理解了模擬電路的知識精髓。2. 本實(shí)驗(yàn)采用了反饋式自動增益控制電路，主要由輸入緩沖級、直流耦合互補(bǔ)級聯(lián)、信號輸出級、倍壓整流與反饋幾個部分組成。倍壓整流與反饋實(shí)現(xiàn)了自動增益控制的功能。3. 由于自動增益控制電路比較復(fù)雜，我們在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該學(xué)會整體協(xié)調(diào)與局部分析。當(dāng)電路的輸出電壓波形不符合預(yù)期時，要合理利用各種資源分析實(shí)際的輸出與理論分析

18、或仿真的輸出之間的差距來找出故障。例如當(dāng)輸出不能實(shí)現(xiàn)自動增益控制時，可以基本確定是倍壓整流與反饋的電路出現(xiàn)問題。這樣可使我們縮小排查的范圍，提高實(shí)驗(yàn)效率，同時加深對電路每一部分具體功能的理解。4. 實(shí)驗(yàn)要求的輸入信號較小，要求我們對示波器的使用相當(dāng)熟練才能調(diào)整出完美無噪聲的波形，加深了我們對示波器使用的掌握程度。5. 本實(shí)驗(yàn)需要我們有較強(qiáng)的動手能力和統(tǒng)籌安排能力。在連接電路前，應(yīng)該先將元件清單列出，統(tǒng)一整理好后做好標(biāo)注以便在后期連接電路的過程中選擇或更改元器件。另外，在連接電路之前，應(yīng)該先設(shè)計(jì)好具體的電路布局，使得整體清晰美觀，這樣可以避免不必要的返工。6. 輸出的信號電壓峰峰值基本為2.9V，以很小幅度波動，在