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电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计-PAGE11-电子电路综合设计实验报告实验名称：自动增益控制电路的设计班级：学号：班内序号：姓名：任课教师：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，也经常有多个信号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。自动增益控制电路已广泛用于接收机、录音机、信号采集系统、雷达、广播、电视系统中，以及在无线通信、光纤通信、卫星通信等通信系统也有着非常广泛的应用。本实验介绍了一种简单的反馈式AGC电路，适用于低频段小信号处理的系统中。关键字自动增益可变衰减倍压整流负反馈实验任务基本要求：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；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）提高要求：设计一种采用其他方式的AGC电路；采用麦克风作为输入，8Ω喇叭作为输出的完整音频系统。探究要求：如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。设计思路电路结构框图驱动缓冲电路级联放大电路输出跟随电路AGC反馈电路图1自动增益控制电路的总体框图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，如图2。图2反馈式AGC图3由短路三极管构成的衰减器电路本实验电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效实现AGC的功能。图3中，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V2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。对正电流的I所有可用值，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VI特性曲线非常类似于PN二极管，符合肖特基方程，除了稍高的直流电压值外，器件电压的变化与直流电流变化的对数成正比。因此，对于VI曲线上所有直流工作点，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，换句话说，器件的微分电导直接与电流成正比。由于在其工作状态下，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，微分电阻都遵守这一。因此，图3中V2的变化就会改变电流I,并控制R1—Q1分压比。耦合电容C1和C2将电路的衰减器与输入信号源和输出负载隔离开来下图为一个典型的小信号双极晶体管的短路VI特性，图中显示，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。图4VI特性曲线图显示短路晶体管相应的微分电阻图驱动缓冲电路驱动缓冲电路如图5所示，输入信号VIN驱动缓冲极Q1，它的旁路射极电阻R3有四个作用：首先，它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式（1）所示的值。RD1≈rbe+(1+βrcerbe)(R3//rbe)(1)该电路中的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值（27kΩ）几乎可以唯一地确定整个输出电阻。其次，由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至：AQ1=－βR4rbe+(1+β)R3≈－R4R3(2)第三，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。第四，Q1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。图5驱动缓冲电路直流耦合互补级联放电电路直流耦合互补级联放大电路如图6所示，Q2和Q3构成了直流耦合互补级联放大电路，为AGC电路提供了大部分的电压增益。R14是1kΩ电阻，将发射极输出跟随器Q4与信号输出端隔离开来。必要时，R14可选用更低的电阻，但如果R14过低，则大电容的连接电缆会使Q4进入寄生振荡。图6直流耦合互补级联放大电路AGC反馈电路AGC反馈电路如图7所示，电阻R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图3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的共发射极结构只需要很少的基极电流。电阻R17决定了AGC的释放时间，其阻值可以选大些，从而能够有较长的AGC释放时间。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。当把大的C3值和Q6的最小微分电阻作比较时，即最大信号波幅在完全控制下，其电抗对最低频率信号频谱成分而言是可以忽略的。D1和D2构成一个倍压整流器，它从输出级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。电阻R17决定AGC的释放时间。为确保对高频信号的良好响应，D1和D2可以使用肖特基或快速PN硅二极管。图7AGC反馈电路倍压整流原理：在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。如图7所示，在P1输入信号的负半周，二极管D2导通，D1截止，电流经过D2对电路中的电容C7充电至接近信号峰值，并基本保持不变；在输入信号的正半周，二极管D1导通，D2截止，此时，加在C7上的反向电压和输入电压共同通过D1对电容C6充电，充电电压峰值为加在D1两端的电压峰值。如此反复充电，C6上的电压就基本上就维持在加在D1、D2上的交流电压峰值两倍。故称倍压整流电路。总体电路设计完整的AGC电路如图8所示，有效的AGC范围为0.5mV至50mV输入电压，即40dB动态范围。在这个输入范围内，输出电压的变化不超过5dB，正弦输入信号从0.5mV至50mV步长变化时的AGC开始时间约为0.3秒，从50mV输入至0.5mV的AGC释放时间约为100秒。该电路主要由输入前级、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后端之间，使信号自动衰减为一定的值（小幅波动），实现自动增益控制。图8AGC电路电路仿真和测试Multisim电路仿真图9AGC电路静态工作点仿真图10AGC电路仿真波形图图10对应输入信号频率f=1kHz，幅值Ain=20mV，仿真输出信号幅值Aout=1.55V电路测试测试方法：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，即保持一个变量不变，改变另一变量，使其在规定范围内按一定的步长变化，用示波器观察输入输出信号，使用交流毫伏测量输入输出的信号电压的有效值，计算增益。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；为测试电路的带宽，可以改变频率到更低和更高的值，使输出信号电压衰减到3dB处，测出上限截止频率），测量记录如上所示；由测出的数据可以计算出增益，同时可见，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；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；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。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。经过以上步骤，自动增益控制电路的测试基本完成，所得部分数据如下表：f/HzVi/mV10010002000500052.742.772.762.75102.872.912.902.88202.942.993.002.98503.053.103.113.10部分波形图：f=100Hz，Vi=50mV，Vo=3.045Vf=1kHz，Vi=10mV，Vo=2.905Vf=5kHz，Vi=20mV，Vo=2.877V故障及问题分析第一次实验课上，在老师为我们介绍可选的实验时，我就被AGC电路的神奇功能和广泛的实用性所吸引，尽管电路图比较复杂，分立元件很多，给实验增加了不少难度，我还是坚定地选择了它。拿着自己的实验箱回到宿舍后，我先把实验教材上的内容看了一遍，然后开始按照书上的原理图连接电路。第一次连接到一半的时候，我发现元器件全都挤在了一起，布局很不合理，给以后的检查和测试带来不便，于是我拆掉重连了电路。连接过程中碰到了没有对应阻值电阻的情况，有的我是通过多个电阻串并联解决的，例如R16=56kΩ用39kΩ与17kΩ串联代替；还有的我通过分析电阻的功能做了简化，例如R6=270kΩ、R7=390kΩ是给Q2提供分压偏置的，用比值相差不大的300kΩ和430kΩ代替。在电路连接完成后，我用Multisim对电路的静态工作点和波形图进行了仿真，将结果打印了出来，准备带到实验室去进行调试。周末上午开放实验时，我并没有立即为面包板上电，而是我用万用表仔细检查了原件参数、电路连接。然后接入了直流电源，测量了各个三极管的静态工作点并与仿真结果比较，最终发现了几处错误并改正了电路。经过整个上午的努力，我终于保证了电路偏置的正确，虽然耗时较长，但为接下来的调试建立了基础。接下来，当我接入小信号后，我发现示波器的波形并不稳定，因为这个实验要求的输入电压比较小，所以我判断是受到了噪声的影响。于是我开始调整示波器的参数，我打开了噪声抑制和高频抑制功能，还采用了平均采样模式，并把触发源选为经过放大后的输出信号，最终我顺利的到了比较完美的正弦波形。然后，我开始改变输入信号的大小来测试电路的性能，我发现当输入从小变大的过程中，输出的响应速度特别慢，响应时间比较长，因为实验室没提供R17=18MΩ这么大的电阻，所以搭建电路时我直接把它视为了开路，而且它还处于AGC反馈电路中，所以我推测可能是它的影响。然后我试用了1.8MΩ的电阻来代替，发现响应速度有所提高，对其他指标也没有太大的影响，所以就采用了这个。但是事情没有那么顺利，在第二次上课时，我发现输出波形消失了，然后只能又开始按照仿真图排查错误，最终发现Q2三极管有问题，换过之后电路恢复了正常。这种状况在之后也出现过几回，直到实验结束我也没发现问题的根本原因，只是在出现问题后换原件，目前推测是在电路加电时改动了电路，使三极管击穿导致。最终经历了四周时间，我完成了能够实现自动增益控制的完整电路。和结论本实验综合性较强，考察了理论分析与动手实践的综合能力，让我们通过实验，更深的理解了模拟电路的知识精髓。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。由于自动增益控制电路比较复杂，我们在实验中应该学会整体协调与局部分析。当电路的输出电压波形不符合预期时，要合理利用各种资源分析实际的输出与理论分析或仿真的输出之间的差距来找出故障。例如当输出不能实现自动增益控制时，可以基本确定是倍压整流与反馈的电路出现问题。这样可使我们缩小排查的范围，提高实验效率，同时加深对电路每一部分具体功能的理解。实验要求的输入信号较小，要求我们对示波器的使用相当熟练才能调整出完美无噪声的波形，加深了我们对示波器使用的掌握程度。本实验需要我们有较强的动手能力和统筹安排能力。在连接电路前，应该先将元件清单列出，统一整理好后做好标注以便在后期连接电路的过程中选择或更改元器件。另外，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。输出的信号电压峰峰值基本为2.9V，以很小幅度波动，在实验要求的范围内，输出信号带宽大约为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，但选择性差。四周的模电实验让我收获很多，期间我巩固了书本上的理论知识，更学到了教材上没有的电路查错和调试技巧，将理论与实践相结合让我对电路的理解又更进一步。更重要的是这个实验教会我要有坚持不懈、严谨求实的态度，把每一步做好，踏实不急躁就能得到预期结果。PROTEL绘制的原理图PROTEL绘制的AGC电路原理图：见图8面包板实物连接图：用PROTEL生成的PCB板：用PROTEL生成的3D效果图