自動增益控制放大器

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日期：二〇一四年八月十二日 至二〇一四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）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。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。Intel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、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，在其中在24V供電情況下，滿負載驅(qū)動8Ω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，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。圖1.4可變增益放大器圖1.5功放電路圖1.6濾波電路圖1.7比較器圖1.8噪聲檢測電路圖1.9檢波電路圖1.105V電源電路圖1.1115V可調(diào)電源電路圖1.12AGC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)計目標輸出電壓變化范圍2V±0.2V，而輸入信號為100mV～5V,我們選定輸出幅度為2V，即Av在2～20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)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±12V供電，負載為8Ω電阻適用頻率范圍約為5Hz～100Khz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≈16Vpp。最大輸出功率約為Pmax≈4W。功放效率約為η≈57%。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（mV）1000800600400200100806040輸出電壓幅度（mV）①42032028020016034302216輸出電壓幅度（mV）②36032024020010032282214表3.210KHz噪聲測試輸入正弦波幅度（mV）1000800600400200輸出電壓幅度（mV）①360320280200160輸出電壓峰峰（mV）②360320280220140表3.3100KHz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，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）2.162.122.132.102.122.082.082.082.062.14輸入信號（V）11.21.41.61.82.02.22.42.63.0輸出信號（V）2.12.12.082.062.082.082.042.022.022.12表3.4穩(wěn)幅測試①輸入正弦波頻率（HZ）1002005001K1.5K2K3K5K10K600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②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。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（100Hz~10kHz）信號，可以帶600Ω負載或驅(qū)動8Ω喇叭（2~5W）。（2）當輸入信號幅度在10mV~5V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）能夠在1V~3V范圍內(nèi)步進式調(diào)節(jié)放大器輸出幅度，步距0.2V。（5）能夠根據(jù)環(huán)境噪聲調(diào)整自動調(diào)節(jié)放大器輸出幅度。本設(shè)計基本完成了題目要求，實現(xiàn)了的增益自動控制，由于受到器件和部分電