自动增益控制电路的设计与实现.doc

2011-2012学年第2学期电子电路综合设计实验 实验报告 实验名称：自动增益控制电路的设计与实现 学 院：信息与通信工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 2010211102 班内序号： 29 学 号： 10210059 姓 名： 夏 梦 任课教师： 高惠平 北京邮电大学 时间：2012年3月20日 实验5 自动增益控制电路的设计与实现摘要：自动增益控制电路的功能是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化的特殊功能电路，简称为 AGC 电路。本实验采用短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，简单有效地实现AGC功能。 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：倍压整流，可变衰减，自动增益控制，复合管，电压跟随器，反馈。一、 设计任务要求1、 基本要求：1） 设计实现一个AGC电路，设计指标以及给定条件为： 输入信号0.550mVrms； 输出信号：0.51.5Vrms； 信号带宽：1005KHz；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（SCH）及印制电路板图（PCB）2、提高要求：1）设计一种采用其他方式的AGC电路；2）采用麦克风作为输入，8喇叭作为输出的完整音频系统。3、探究要求：1）如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；2）测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。二、设计思路与总体结构框图1、设计思路 模拟信号-通信信道或传感器衰减强度大幅变化 监控系统-多个相同传感器返回的信号 -频谱结构和动态范围大体相似 -最大波幅却相差很多 =使用带自动增益控制的自适应前置放大器-使其增益应能随信号强弱而自动 调整，以保持输出相对稳定。 反馈控制AGC电路的实现 前馈控制 混合控制典型的反馈控制AGC = 可变增益放大器（VGA）+ 检波整流控制本实验中电路-短路双极晶体管直接进行小信号控制 简化结构： 可变分压器= 固定电阻R1+可变电阻- 控制信号的交流振幅 可变电阻-基极集电极短路方式的双极晶体管微分电阻 电流源 -电压源V2+大阻值电阻R2 - 直接向短路晶体管注入电流。 由短路三极管构成的衰减器= 对于输入Q1集电极的正电流的所有可用值- Vces 短路晶体管的微分电阻与流 过的直流电流成反比 AGC电路 + 放大电路 = 实现自动增益控制的放大电路。放大电路 一个8050型三极管+一个8550型三极管= 复合管（也称达林顿管） （这种组合的放大率为： = 12 + 1 + 1 = 提供大部分电路电压增益）缓冲极输入 一个8050型三极管射极跟随器输出 一个8050型三极管2、总体结构框图（1）一个简单AGC电路：输入信号检波整流控制可变增益放大器输出信号 （2）本实验电路框图：信号范围：0.550mVrms 信号范围： 0.51.5Vrms输入信号输入缓冲级级放大级，提供大部分增益输出信号放大级前端反馈网络2、 三、分块电路和总体电路的设计 分块电路（1） 输入缓冲极， 其设计电路图如图所示； 输入信号VIN-驱动缓冲极Q1， R3- 将Q1的微分输出电阻提高到接近RD1rbe+(1+rce/rbe)(R3/rbe)所示的值 由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至AQ1=R4/rbe+(1+)R3R4/ R3 有助于Q1集电极电流电压驱动的线性响应。（2）复合管放大部分 电路图如图所示； 复合管Q2.Q3-两只管子极性不同 前管Q2基极复合管的基极 这种组合的放大率为： 前管Q2的集电极与后管Q3的基极相连 = 12 + 1 + 1 后管Q3的发射极复合管的集电极 = 提供大部分电路电压增益 前管Q2的发射极 后管Q3的集电极 复合管的发射极*复合管的极性有前管决定，即前管Q2为NPN则复合管就是NPN。（3） 输出极，电路图如图所示； Q4-作为射极跟随器作为输出端， R14-将Q4与信号输出端隔离开来 （4）自动增益控制部分（AGC），电路图如图所示，并且在该图基础上加上R4构成。 R4-构成可变衰减器的固定电阻，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。R17-决定了AGC的释放时间。R19-限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。D1.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。R15-决定了AGC的开始时间。=输入信号变大-输出跟着增大-Q6的微分电阻变小-输入进入放大级的信号 变小反之输入变小时，输出自动变大=实现自动增益控制功能。 总体电路 最终设计的总体电路图如下： 电路参数如图中标示，输入信号为0.550mVrms，信号带宽为1005KHZ四、所实现功能说明1、基本功能：输入的信号范围在0.550mVrms时经过输入缓冲级- 复合管放大信号（提供大部分增益) -经过射极跟随器- 接输出端 叠加后的信号 - 引反馈回去到放大级前端 幅度在很小的范围波动 输出电压0.51.5Vrms=信号带宽满足覆盖100Hz5KHz的要求，实现了自动增益控制。下面是输入信号在f1KHz，VIN40mVpp时刻的仿真结果：输入信号瞬时波形：输出信号瞬时波形：2、直流电源：Vcc=9V3、主要测试数据： f/HzVi/mVrms 10010003000 50000.58mV 0.686V 0.686V 0.685V 0.679V10.0mV 0.706V 0.706V 0.704V 0.701V20.0mV 0.783V 0.783V 0.783V 0.783V40.0mV 0.809V 0.809V 0.809V 0.810V50.0mV 0.818V 0.818V 0.818V 0.817V4、 测试方法：（1） 输入端接输入信号，电压有效值0.550mV，频率在100Hz5KHz单变量法测试 用示波器观察输入输出信号 交流毫伏表测量输入输出的信号电压的有效值，计算增益；（2）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 =测量记录如上表格所示；(3） 观察输入缓冲级Q1的集电极输出波形 对比可见 =把反馈去掉同样观察测量Q1集电极的波形 有反馈Q1的集电极输出信号幅值基本为2mV，无反馈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。 经过以上步骤，自动增益控制电路的测试基本完成。五、故障及问题分析首先，我花费了很长时间来连接电路。一共完整地连了四遍。第一次连接时，是尝试心理，边连边熟悉面包板的使用方法技巧，但是连得很乱，根本就不敢接上电源测试。第二次连接完成后，却无法得到预期的输出波形，而是一个会在电源接通后自动进行充放电的直流。第三次，我把电阻电容的腿剪短了，电路看起来很整齐，但是这导致了接触很不好，输出波形根本没有迹象出现。第四次，我做了一个仿真图，准备连好后用万用表测各个工作点。于是我静下心连了一早上，一步步地连接好，虽然在之后的检测中由于老版本教程电容及二极管正负错误问题又耽误了好久，但是最终完成了能够实现自动增益控制的完整的电路板，用万用表测得的各工作点数据也与仿真图提供的差不多。 六、总结和结论1、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。2、 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、复合管、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。3、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，要根据实际的输出与理论分析的输出之间的差距来分析故障发生在哪里，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，同时加深理解了电路每一部分的具体功能。3、 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。4、 输出的信号电压基本为0.78Vrms，以很小幅度波动，在实验要求的范围内，输出信号带宽为50Hz225KHz，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， 但同时带来一个问题，通频带宽，选择性差。5、 该自动增益控制电路，输入信号范围为0.550mVrms输出信号为0.51.5Vrms信号带宽：1005KHz，适合应用于低频段小信号处理的系统中。7、科学工作者要具备坚持不懈、严谨求实的态度七、PROTEL绘制的原理图1、PROTEL绘制的AGC电路原理图：2、用PROTEL生成的PCB板覆铜：3.用PROTEL生成的3D效果图：底部三维效果：实物效果1.22mV0.6V11.2mV0.715V29.9mV0.739V40.0mV0.745V50.1mV0.752V八、所用元器件及测试仪表清单1、元器件清单Polarized Capacitor (Radial)C1RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C2RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C3RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C4RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C5RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C6RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C7RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C8RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C9RB7.6-15Cap Pol11Polarized Capacitor (Radial)C10RB7.6-15Cap Pol11Default DiodeD1DSO-C2/X3.3Diode1Default DiodeD2DSO-C2/X3.3Diode1Header, 2-PinJP1HDR1X2Header 21Header, 2-PinJP2HDR1X2Header 21Header, 2-PinJP3HDR1X2Header 21NPN General Purpose AmplifierQ1BCY-W3/D4.72N39041NPN General Purpose AmplifierQ2BCY-W3/D4.72N39041PNP General Purpose AmplifierQ3BCY-W3/D4.72N39061NPN General Purpose AmplifierQ4BCY-W3/D4.72N39041NPN General Purpose AmplifierQ5BCY-W3/D4.72N39041NPN General Purpose AmplifierQ6BCY-W3/D4.72N39041ResistorR1AXIAL-0.4Res21ResistorR2AXIAL-0.4Res21ResistorR3AXIAL-0.4Res21ResistorR4AXIAL-0.4Res21ResistorR5AXIAL-0.4Res21ResistorR6AXIAL-0.4Res21ResistorR7AXIAL-0.4Res21ResistorR8AXIAL-0.4Res21ResistorR9AXIAL-0.4Res21ResistorR10AXIAL-0.4Res21ResistorR11AXIAL-0.4Res21ResistorR12AXIAL-0.4Res21ResistorR13AXIAL-0.4Res21ResistorR14AXIAL-0.4Re