自动增益控制(AGC)放大器

1、自动增益控制放大器（AGC设计摘要：本设计以程控增益调整放大器 AD603为核心，通过单片机MSP430控制各 模块，实现电压增益连续可调，输出电压基本恒定。系统由5个模块组成：前级缓冲模块，电压增益调整模块，峰值检测模块，后级输出缓冲模块，控制与显示模 块。将输入信号经前级缓冲电路输入给程控增益调整放大器AD603，将信号放大输出，通过峰值检测电路检测输出信号，并送给单片机 AD采样，与理想输出信号 数值进行比较，若有多偏差，则通过调整对 AD603的增益控制电压，来调整放大 倍数，从而实现输出信号的稳定。整个设计使用负反馈原理，实现了自动增益的 控制。关键字：AD603 MSP430峰值检

2、测自动增益控制一、方案设计与论证1.1整体方案方案一：采用纯硬件电路实现，由AD603和运放构成的电压比较器和减法电 路实现。把实际电压与理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为AD603的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。优点：该方案理论简单，制作起来也相对容易，只有硬件电路。缺点：理论低端，精度不够，没有创新，通用性不好。方案二：采用AD603和单片机结合，通过单片机对输出信号 AD采样并转化为 数字量，与理论输出电压值进行比较，得到差值转换为控制电压，通过 DA转化， 对程控增益放大器AD603的放大倍数惊醒调整，从而实现输出电压的恒定。优点：该方案控制精确，自

3、动控制速度快，系统可移植性强，功能改变和增 加容易，对后期改善和提升电路性能有益。缺点：需要软硬件配合，系统稍复杂。通过对两个方案的综合对比，我们选用方案二。1.2控制模块方案一：采用MCS-51。In tel公司的MCS-51的发展已经有比较长的时间，以其 典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰 富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础，应用比较广泛，各种技术都 比较成熟。MCS-51优点是控制简单，二缺点也明显因为资源有限，功能实现有困难，而且需要大量外扩单元方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一个16位的、具有精简指令集 的、超低功耗

4、的混合型单片机，基于闪存的产品系列，具有最低工作功耗，在 1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达 25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电 源管理模块。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。MSP430的优点是资源丰富，操作语言灵活，但对编程的要求有所提高。所以综合考虑，我们采用MAP430作为我们的主控制器。1.3电压增益调整模块AD603由5脚和7脚的连接方式不同而有三种：方案一:5脚和7脚短接，增益为-10dB30dB,带宽为90MHz;万案二：5脚和7脚间接一个2，5k电阻，再经5.6pF电容接地，该方案增益为0dB 40dB,万案三：带宽为30MHz;5脚接

5、18pF电容到地，该方案增益为10dB50dB，带宽为9MHz ;综合考虑课题要求，增益在约0dB30dB之间，再考虑带宽所以采用方案一, 芯片连接图如下图1所示。图1 AD603接线图1.4峰值检测模块方案一：一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测器，电路如图2所示，然而仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作，但并不是很理想，对于1nF的电容器，100ms后达到稳定的峰值，误差达10%。而且没有输入输出缓冲电路， 在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无 法保持信号峰值电压。Cl0-01pF方案二：分立二极管电容型。其原理图如图 3所示。先将信号整流成半波

6、，然 后通过对电容的充电得到输入信号峰值。将场效应管当二极管用，可以有效减小 反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力。优点：该方案性能优良，检测相对准确。缺点：制作稍复杂，带宽不够宽，并且随检测幅值不同，带宽也会有所改变综合对比上述方案，我们选用方案二。II10kQ1MU2.1增益积计算压变化范围蚪二3丿 而输入标输* I、L<V,我们选定输出 连接方式可知，增益的计Outpul 100mV，设计目幅度为2V，算公式为G=(40Vg+10)dB,带宽90MHz。所以将AD采集得到的输出电压Vout，与预置ncoBtivs os*日k dElEcticjini电压进行比较，调整Vg大小，来

7、改变增益，从而实现输出幅值稳定在某一个数值。图3分立二极管电容型峰值检测电路Av在220咅，根据程控增益调节放大2.2后级缓冲及稳幅因为要用到单片机内部的AD采样功能，所以一定要保证单片机的安全，在通过峰值检测电路的检测之后，把检测到的峰值经过一个后级缓冲电路再接一个3V稳压管之后送给单片机，既保证单片机端口的安全，同时把电路与单片机隔离。2.3前级缓冲因为AD603输入阻抗只有100Q ,考虑到信号源的输出阻抗是 50Q，所以在 信号输入之前加了一个前级缓冲电路，以增加输入阻抗，提高电路对信号的索取 能力。三、系统总体设计3.1系统整体设计框图系统整体框图如下图4所示DA转化增益控制单片机控

8、制系统增益预置显示模块图4系统整体设计框图3.2硬件原理图系统硬件部分设计原理图如图5所示VDDC11<$12VJ U1AU2VCCU1BVK om an (Kf2 ftffiE峰值检测电路卜半-i TL02ACO_vss12VAKG3AQR1i-W-2000TL072ACE01J1N472SAWADA増益控制电压图5系统硬件原理图3.3软件流程图系统软件流程图如图6所示，开发板系统初始化后，预置输出一个控制电压, 然后启动AD转化，采样得到输出信号，然后与标准电压比较，修改增益控制电 压，稳定输出电压。开始图6软件流程图四、系统测试及数据分析4. 1测试仪器(1) 直流稳压源：YB17

9、32A 3A(2) 数字存储示波器：SIGLENT SDS1102CFL 100MHZ 2GSa/s(3) 数字万用表：UNI-T UT802(4) 信号发生器：F120型1Uhz20MHZ4.2测试方案及数据分析测试方案：稳幅测试：输入频率10KHZ,峰值为100mV的正弦波信号。测试输出信号, 通过示波器读取输出信号峰值，然后改变输入信号峰值，测量输出信号的峰值变 化，计算相对误差。测试数据如表1所示。表1稳幅测试输入信号（mV100150200250300350400450500550输出信号（V）1.621.641.641.641.641.621.621.621.621.62输入信号（

10、V）6006507007508008509009501000输出信号（V）1.681.641.621.661.621.621.621.621.62测试数据分析：系统基本可以按照预置输出电压稳定输出，我们输出信号 稳定电压为1.62。（2）频率响应：输入峰值分别为为100mV和1V的正弦波信号，将信号频率从 10Hz调整到输出信号不是真即500KHz为止，测试数据如表2表3所示。对应的频率 响应特性图像如图7和图8所示。表2 100mV频率响应试 数 据 分 析输入信号频率测KHZ0.010.050.15001510152030:输出信号（V）2.01.641.641.601.641.641.6

11、41.641.641.64；输入信号频、率（KHZ4050100150200250300350400500输出信号（V）1.721.681.801.881.962.002.002.001.961.961lOOmV频率响应曲线、1. B O11n hUii o110-1 10.010. I1101001000图7100mV频率响应特性曲线测试数据分析：可以通过表2和表3看出，当输入信号为100mV时，在频率很 低10Hz时，频率响应很差，从50Hz直到100KHZ时，信号输出幅值都很稳定。当输 入幅值为1V时，10Hz响应依然不好，直到50Hz直到30KHZ，输出很稳定，在30Hz 到100Hz

12、时，输出幅值略有增加，但依然可以稳定。（3）增益控制特性曲线输入信号为10KHZ,峰值为500mV时，改变Vc的值，测量相对应的放大倍数表3 1V频率响应控制电压Vc(mV)-0.6308-0.5309-0.4309-0.3309-0.2309-0.1309-0.0309-0.0691放大倍数Av0.340.3560.5280.71.21.822.824.56图9增益特性控制特性曲线测试数据分析：通过用软件画增益控制特性曲线，可以看出，放大倍数Av和增益控制电压Vc为指数关系，随着Vc的增加Av以指数形式增加。4.3误差分析误差可由多种因素导致：由峰值检测电路产生，由于峰值检测电路在不同频率，

13、不同幅值输入信号时， 测量存在误差，AD采集到的峰值就会存在误差。造成输出信号与预置输出电压存 在误差。由稳压管产生误差，为保证单片机端口安全，在信号输入前，我们加了一个 3V稳压管，它会对AD测量也会产生一定影响。电压源不稳定，由于AD603电压控制端2端口，基准电压为电阻分电源电压得 到，而电源电压存在一定的波动，导致增益控制电压 Vc会有一定的波动，这个微 小的波动对信号增益造成误差。受器件影响，我们采用的是普通集成运放芯片TL072，这款芯片的通频带只有3MHz左右，也会影响系统的频率响应五、设计总结系统能够满足题目基本要求：(1) 输出信号可以在输入信号改变时，而不改变稳定输出。(2) 测得100mV输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为 50KHZ。(3) 测得1V输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为 40KHZ。(4) 测得的增益控制电压Vc和放大倍数Av绘制的增益控制特性曲线可以得 出，Av和Vc成指数关系，跟AD603数