AGC实验报告.doc

实验报告 计算机实习 电子工程学院 班级：2014211208班姓名：祁振国学号：2014212747班内序号：27目录一、实验名称2二、实验目的2三、实验摘要与关键词2四、实验设计任务及要求2五、实验设计思路与总体结构框图35.1、电路结构框图35.2、倍压整流原理：45.3、总体结构框图5六、分块电路和总体电路的设计（含电路图）56.1.输入缓冲级电路56.2.直流耦合互补级联放大电路56.3.射级跟随器输出级电路66.4.AGC反馈电路76.5.完整AGC电路7七、电路的功能说明87.1.功能实现87.2.功能实测8八、故障及问题分析98.1.查阅资料：98.2.拼插电路板98.3.实际电路真实环境测试98.4.数据测试以及波形绘制9九、总结和结论109.1.关于题目：109.2.实验总结：109.3.实验总体方面的一些启示：10十、Multsim仿真原理图 波形图10十一、PROTEL绘制的原理图1111.1.PROTEL绘制的AGC电路原理图1211.2.用PROTEL生成的PCB板1211.3.9V稳压源电路原理图：1311.4.12V稳压源生成PCB板13十二、 本实验使用用元器件及测试仪器全览13十三、 借鉴文献14一、 实验名称自动增益控制电路的设计与实现（AGC）二、 实验目的1. 了解AGC电路的原理及其应用。2. 掌握AGC电路的一种设计及实现方法。3. 提高学生独立设计电路和验证电路设计的能力。三、 实验摘要与关键词自动增益控制(Automatic Gain Control, AGC)是使放大电路的增益自动随信号强度调整的自动控制方法，它在输入信号幅度在一定的范围内变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或将信号的波动限制在一个很小范围内，实现这种功能的电路称为 AGC 电路，该电路广泛应用于广播电视、无线通信、光纤通信、传感器处理等方面。本实验采用短路双极型晶体管直接进行小信号控制的方法，从而可以简单有效地实现自动增益控制的功能。关键词：自动增益控制、反馈控制电路、倍压整流、可变衰减、电压跟随器（射随）设计任务要求四 实验设计任务及要求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(有效值)；输出信号：0.51.5Vrms（有效值）；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。五设计思路与总体结构框图1、电路结构框图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1所示：图式 1 反馈式AGC本实验电路使用一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而相对简单而有效实现预通道AGC的功能（如图2）。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。图式 2由短路三极管构成的衰减器电路对于输入Q1集电极的正电流的所有可用值，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，其VI特性曲线如图3所示。可以看出，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，即器件的微分电导直接与电流成正比。在工作即放大的状态下，共射极连接的双极型晶体管的电流放大系数一般在100以上，当电流变化范围范较大时，微分电阻都遵守这一反比的规则。图中所示的晶体管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。图式3 短路晶体管相应的微分电阻图V-I特性曲线2、倍压整流原理：图式 3 倍压整流a) 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，用耐压较低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。b) 电路工作中，当二极管D1导通，D2 截止，电流经过D1 对电路中的电容充电，将电容C上的电压充到接近加在D1上电压的峰值，并基本保持不变；c) 当加在C上的电压反向时，二极管D2导通，D1截止，此时，加在C上的反向电压继续通过D2对电容C充电，充电电压峰值为加在D2两端的电压峰值。d) 如此反复充电，C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。故称为倍压整流电路。3、总体电路分级设计结构框图六分块电路和总体电路的设计（含电路图）1. 输入缓冲级电路输入信号VIN驱动缓冲极Q1，它的非旁路射极电阻R4有三个作用： 它将Q1的微分输出电阻提高到接近以下公式（a）所示的值。该电路的输出电阻得到极大的提升，增强了电路的带负载的能力，使R3的阻值几乎可以唯一地确定这个输出电阻。RD1rbe+(1+rce/rbe)(R3/rbe)（a） 由于R4未旁路，相当于一个负反馈的电阻，使Q1电压增益降低至：AQ1=R3/rbe+(1+)R4R3/R4(b)进而AGC的反馈效果比较明显。图式4输入缓冲级电路 如公式（b）所示，未旁路的R4有助于Q1集电极电流电压驱动的线性响应。2. 直流耦合互补级联放大电路Q2和Q3通过直流耦合形成互补级联放大电路，NPN和PNP级联消除了需要逐级提直流工作点的顾虑，使电路简单易行，同时两级共射级发射电路提供整个电路大部分的增益。 图式 5直流耦合互补级联放大电路3.射级跟随器输出级电路图表 6射级跟随器输出级电路使用共集电极射级跟随器作为输出级使用，一方面其输入电阻大、输出电阻小的特性使其输出特性良好；正是共集电路的这种性质，所以常用作输出缓冲级；另一方面共集电极电路的高频特性良好，弥补了共射高频特性不好的缺点，拓宽了频带。4.AGC反馈电路图表 7 AGC反馈电路AGC反馈电路如图8，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。其中，电阻R16决定了AGC的释放时间，电阻R18决定了AGC的开始时间。D1和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。当输入信号变大时，输出跟着增大，Q6的微分电阻就会跟这变小，输入进入放大级的信号就会变小，使输出减小；反之输入变小时，输出自动变大，从而实现自动增益控制功能。5.完整AGC电路图表 9 AGC电路全图完整的AGC电路图如图所示，有效的AGC范围为0.550mVrms输入电压，在这个输入范围内，输出信号电压范围0.51.5Vrms, 信号带宽0.15kHz.七电路的功能说明1. 功能实现输入信号从输入缓冲级输入电路，经过直流耦合互补级联放大电路将信号进行放大，输出信号一方面通过射级跟随器输出，一方面通过AGC反馈回路进行增益控制，再反馈到输入端，使输出随着反馈的作用进行修正，再经过互补电路放大，使得输出随着输入的变化近似等比例的变化，实现了增益的稳定，最终实现自动增益控制。2. 功能实测a) 直流工作点：首先进行直流工作点测量，保证每一级电路均保持在与仿真相近的状态。下表中Q1Q4与电路图中从左到右的四级三极管的输出端对应，分别对其基极、集电极和发射极的电位进行测量，结果如下表所示。通过分析观察数据结果，可以发现实测值基本上与理论值相符，可以进行下一步实验。注：实测中Q4的VC出现了大于理论电源电位的情况，可见电压源存在误差，偏大，从而实测值比理论值稍大也是可以理解的。理论Q1Q2Q5Q4VE/V0.434.578.794.81VB/V1.00VC/V29.10实际Q1Q2Q5Q4VE/V0.464.608.814.86VB/V1.095.078.275.63VC/V2,988.235.589.05b) 输出输入关系：i. 测试结果： 频率/kHz 输出/Vrms输入/mVrms0.10.511.523481.091.191.20151.251.261.261.271.28101.271.271.281.281.301.291.311.30201.311.311.321.311.341.331.341.36301.361.371.371.381.371.381.391.39401.421.411.431.431.441.431.451.45501.451.451.461.461.471.471.481.48测试方法： 本实验的数据测量采用控制变量的方法。调节的一个技巧：因为有效值的调节比较繁琐，而频率的调节就比较的简单！所以在本实验当中，采用了保证输入有效值不变时从大到小来调节频率的方法，使用毫伏表进行测量得到有效值并记录数据测量得如表所示的数据！。测量时需要注意的是一定保证调节的是有效值而不是峰峰值！ii. 实验结论：通过观察数据，发现实验和要求符合的比较好，当输入信号在0.550mVrms变化时，输出信号也满足0.51.5Vrms，并且严格而言该电路将输出控制在了1.101.48Vrms的范围内，实现了100倍差值输入映射到要求的范围内的任务，较好的的达到了实验要求。另外，通过观察可知，该电路的幅频特性曲线的峰值应该出现在3.0kHz的附近，并且上下截止频率大于现要求的1005KHz.八故障及问题分析1. 查阅资料： 在拿到选题之后一开始想从上学习的模电实验课本上找一些有关于AGC的资料，但直到把课本翻完还没有发现相关的内容才发现自己找资料的方向就有问题，之后从电路中心网站上下载了有关这部分实验的相关的内容，才对实验的基本的原理和基本的要求有所了解。在网上找到了前人的一个设计电路图，我根据这个电路图逐渐的分析，搞懂了实验的设计原理和设计的基本思路！ 从这个找资料的过程中我学会了一种新的实验设计的方法，在找资料的过程中培养了自己独立解决问题的能力和找资料的能力！2. 拼插电路板 搭接电路的过程中照着电路的全图进行了搭建！在搭建的过程中只是照电路从左至右，从上至下依次搭建，对于电路的整体分布的优化方面考虑的不是太多，所以在搭建完之后电路的形式比较乱，和那些做电子琴的同学搭建的电路进行比较的话，不是很规范！在电路的用线方面，仅仅考虑到了负极使用黑线，正极使用红线！至于用黄线标注信号的输入以及处理过程没有达到！ 另外就是一些元件没有相应的设计值，一开始是空出来的，但之后老师说可以使用参数相近的元件来代替 ，这才解决了这一个问题！所以从这之中也学到了一点就是模拟的试验中永远没有哪一个原件必须采用规定值的电阻，只要相邻都是可以用来做相应的元件的代替的，实际上对于整体的电路来讲不一定会有很大的影响！3. 实际电路真实环境测试（1） 在加电测试的时候，当我把电路的正负电源加上之后，把示波器，毫伏表，函数信号发生器连接完毕时，先把输入设为0.5mv的有效值时，结果在示波器上显示的输入波形不论如何调节都调不到很清晰，最后咨询老师才知道是信号太小，所以显示效果不是很好！（2） 在第一个问题解决之后我在观测输出波形之后，发现输出一直没有显示，在检查了电路之后我发现我连的电容有一个正负极接反了，所以我就赶快把电路的正负极对调了一下确保了电容正确无误！（3） 示波器上还没有显示，我又想到了可能是三极管有点问题，所以用万用表的二极管测试端一下每个三极管的管脚C-B,E-B的电压，发现S-8550烧了，所以就又换了一个三极管，并检查了没有问题！（4） 以上的问题解决之后，示波器上出现了波形，但是有点失真！而输入是在要求的范围之内，说明我的直流工作点设计不合理，在重新设计之后，把一些电阻的阻值进行了调整，之后终于出现了规定范围内的输出波形！（5） 最后在调节示波器时发现一个奇怪的现象：就是当我把显示定位直流耦合时，输出波形总体都在地线之上，而当我把耦合方式换为交流耦合时，输出的波形就比较正常！我检查了电路，但始终找不到问题的症结，最后在提示下，加了一个隔直电容才解决了问题！（6）在之后的验收时我把电路连接好，但是看示波器却没有显示，我于是用输入的信号直接加在了示波器上，但是无论如何调节也没有发现有显示，于是我换了一台示波器，发现有了显示，之后把输出信号也连上去之后，完美显示！在实验中我学会了：在电路有问题时，首先要对基本的连接进行检查，如电容，三极管，二极管的正负极连接是否正确，元件是否都完好无损？实验用的检测仪器，显示仪器是否有问题？该隔除直流的地方有没有隔掉？电路的基本工作参数设计是否合理？电路中的各个元件的值是否合理？仪器操作是否有问题？等等。4. 数据测试以及波形的绘制（1） 我本来打算直接调节信号发生器的输出峰峰值来测数据的，但后来才想到是要求峰峰值，所以在测数据时先把输出接到毫伏表上，当示数达到相应的值时再接到电路当中。所以对于题目的要求一定要细细的把握，每一个小的细节都要考虑在内！（2） 还有就是一个控制变量是控制哪一个的问题。最后我权衡了一下，觉得有效值调节起来比较的麻烦，所以就把有效值作为确定的变量，依次调节频率，然后再测量数据！这其实体现了一种整体优化的思想，在比较过程中，把每一步先做什么，后做什么进行反复的比较，在简化总体的实验操作方面细细的推敲和比较，然后选择出一种使实验变得比较简单，而且执行效率以及实验操作步奏最少的最精简的测量方案！（3） 最后是波形图的绘制。我在老师的提示下选择了1kHz的频率下进行了绘制，效果确实比较的完美！九总结和结论1. 关于题目：一开始看到所有题目之后，我其实是想尝试一下火灾报警器的项目，其实就是想做一个和实际比较相关的一个实验，这样可以加强自己关于本专业知识与实际的联系，有助于学有所用，学以致用！但后来考虑到经费的问题之后，就选择了AGC自动增益控制这一个项目，考虑到这一个项目可以自动的对放大电路的增益加以调节，就觉得它特别有实用性的意义。希望可以完整得学习一个简单的小课题，从而提升自己的电路设计的一些能力，以后在遇到实际的情况时，可以把从做这一个小项目上学到的内容用到解决实际问题上去，这才是我们学习这个专业最终应该达到的能力层面！2. 实验总结： （1）在分析和解决错误的过程中，我学会了：在电路有问题时，首先要对基本的连接进行检查，如电容，三极管，二极管的正负极连接是否正确，元件是否都完好无损？实验用的检测仪器，显示仪器是否有问题？该隔除直流的地方有没有隔掉？电路的基本工作参数设计是否合理？电路中的各个元件的值是否合理？仪器操作是否有问题？等等。（2） 本实验中，从具体的电路上来看，该电路全部都由分立元件构成，没有像其他实验那样的集成元件，在搭接电路板的过程中很复杂，需要耐心，然后一步一步的搭，相信自己所搭的是正确的；从原理上看，各个部分的功能清晰明了，但具体的进行分块分析时难度亦很大。总体看来，本实验既锻炼了我们实现电路的实验能力，又锻炼了我们分析电路的理论能力，更重要的是教会了我们“先总体再局部”的分析方法和“先局部再总体”的调测方法，就是先设计好总体的电路，然后再对于部分进行调整与重新设计，在保证局部的电路正确的前提下保证电路的总体的设计符合实验的要求！（3） 在本实验中我印象深刻的一点就是：搜集资料的重要性！只有找对了相关的资料，然后进行设计就是水到渠成的事情！所以我觉得本实验更是提高了我对于资料的搜集能力！今后对于类似问题的分析时，可以让我迅速的找到相关的资料，然后很好的完成实验的任务！（4） 在实验测试过程中要把握好每一个细节，比如输入的是有效值时不能用峰峰值来简单的代替！有效值与峰值之间是有一个根号2的关系，千万不能把他们之间的关系搞混了，在测量时一定要清楚，该用有效值的时候使用有效值，该用峰峰值的时候使用峰峰值！保证实验的测量的正确性！（5）在搭建好电路之后最好要进行一下电路的检查！排除因为一些电路元件的毁坏影响电路的整体的性能。（6）在本实验中我学会了一种对于一个课题独立进行研究的能力，在这过程中，首先是有一种前期的实验的进程设计，第一阶段应该完成什么，第二阶段完成什么，最后在完成什么？还有就是用多长的时间完成各部分之内的任务，比如说：第一阶段要用大概四天的时间去搜集相关的资料，并且完成一些新的有用的知识进行自习，摸清楚原理与具体的设计方法！第二阶段在第一阶段有关知识的支撑之下，完成电路的设计，包括整体的部分还有具体的某一个的部分！然后对电路中的每一个元件的参数进行严格的设定与推敲，不断完善设计的属性值！在实际的过程之中要对于整体的电路设计符合实验的基本要求。不仅仅是某个部分的功能实现的比较优秀，更重要的就是想方设法使得电路的整体的性能达到优秀！这样才算是达到了电路设计的初衷！第三阶段就是在实际的电路中对于电路的实时检测，在实验室当中发现问题，解决问题！把理论设计之中忽略的问题放大出来！并通过一些努力吧相应的问题解决了！并从中得到一些有意义的启发！（7）在电路的设计的过程当中，首先需要把握一个从部分到整体的一个思路，把每一块的功能相应的用对应的功能模块进行实现，最后再把具有不同功能的模块组合成一个完整的一个有机体！在这之中，对于每个模块的独立设计以及连接显得尤为的重要！因为电路设计最终要完成的是一个整体的电路，所以如果每个部分的参数十