模电实验AGC自动增益控制电路的设计和实现

电子电路综合设计实验

实验5 自动增益控制电路的设计与实现实验报告

信息与通信工程学院

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课题名称：自动增益控制电路的设计与实现

一、摘要

自动增益控制电路（简称AGC）实现了在输入模拟信号幅度变化较大或者有不可预知的信号干扰时，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功能。本实验通过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。

关键词：模拟电子电路，反馈，AGC，自动增益控制。

二、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0.5～50mVrms；

输出信号：0.5～1.5Vrms；

信号带宽：100～5KHz；

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，8Ω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。

三、设计思路与总体结构框图

1）AGC电路的实现有反馈控制、前馈控制和混合控制三种，典型的反馈控制AGC由可变增益放大器及检波整流控制组成（如图）。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）。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Vreg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1 AGC反馈式电路图2 由短路三极管构成的衰减器电路

2）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V-I特性曲线非常类似与PN二极管，

符合肖特基方程，除了稍高的直流电压值外，即器件电压的变化与直流电流变化的对数成正比。

3）电路由输入缓冲级、放大级、AGC以及输出级四部分构成。输入信号VIN驱动输入缓冲极Q1，中间互补级联放大电路Q2、Q3主要提供增益，并通过反馈网络回到放大级的输入端。Q6构成衰减器的可变电阻部分，D1、D2构成一个倍压整流器。

2、总体结构框图：

图4 总体结构框图

四、分块电路与总体电路

1、分块电路：

（1）输入缓冲极：

图5 输入缓冲极电路图

（2）直流耦合互补级联放大部分，电路图如图所示；

该部分利用直流耦合将Q2与Q3进行级联，构成互补放大器，在电路中对信号起到大部分的放大作用。

图6 直流耦合互补级联放大部分电路

（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。

图7 输出极

（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。

其中R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图1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。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。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。电阻R15决定了AGC的开始时间。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，是输出减小；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。

图8 自动增益控制部分（AGC）电路

2、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0.5～50mVrms，信号带宽为100～5KHZ（在5K～6KHz时也可以达到要求）

图9 整体电路

五、所实现功能

1、所实现功能：

输入的信号范围在0.5～50mVrms时，经过输入缓冲级，直流耦合互补级联放大信号（提供大部分增益），经过射极跟随器，接输出端同时引反馈回去到放大级前端，反馈由具有倍压整流作用的D1、D2和可变衰减器，对不同的输入信号，反馈信号大小不一样，使经输入缓冲级放大电路放大的信号与反馈信号叠加，叠加后的信号幅度在很小的范围波动，再经过放大，使输出电压0.5～1.5Vrms，信号带宽满足覆盖100Hz～5KHz的要求，实现了自动增益控制。

2、测试方法：

（1）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，在数信号不失真的前提下，使用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）测试的数据如下表。由测出的数据可见，在实验要求的频段内，当输入信号从5mVrms 变化到50mVrms时，输出大约只是从700mVrms变化到1100mVrms，输入变化了10倍，而输出仅增大了1.6倍，即在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，实现了自动增益控制的功能，符合设计的要求；

实验数据：（单位/mV）

（3）从示波器的波形可以直观明显地观察到当输入变化。当输入信号增大时，输出信号先突然增大，信号比较大时出现严重失真，然后减小，保持在1V左右；信号减小时，输出信号先迅速减小，然后又缓慢回到之前的位置。

六、故障问题分析

（1）输出信号失真严重，接近方波。经分析是反馈电路根本没起到作用，猜想应该是接触不良等接触问题或者是二极管极性接反等性质问题。经电路对照检查发现一根导线连接错误，导致反馈电路脱离整体电路。

（2）信号较大时（30mv以上），输出波形会出现饱和失真。经分析是某个三极管工作点不对。经过对各个三极管的静态工作点检查发现正是因为工作点的问题，对电路检查后发现是一个电阻阻值不正确。

七、总结结论

1、基本的连电路动手操作能力方面：本次实验中，我前后一共连了三次面包板。每次连的过程中我都会从中收获诸多。第一次电路是因为没有提前做好规划，以至于连完之后布线严重不符合标准，虽然实验现象正常但我还是拆掉重连了；第二次是在连好后发现由于在连的过程中太过小心翼翼，以致于元件太过拥挤，而且最后的波形也不甚理想，于是我咬咬牙再次踏上重连的征程；第三次连电路的过程中，我吸取前两次的惨痛教训，提前认真规划好地线电源等重要布线点，连好之后经多次检查后才开始调试，几番调试之后，终于出现了理想效果。经过这三次连电路我总结出如下几点：①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。②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。③在搭建电路时最好先初步检测元件的功能是否完好，这样在后期调试电路时能节省很多时间。④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，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。

2、实验经验方面：通过了两周的高频度实验，我学会了电子测量和电子电路实验中使用

的一些基本元件和一些基本的测量方法，例如面包板、示波器、万用表、晶体管毫伏表、函数信号发生器的使用方法，还有常用元器件如电阻、电容、电感的标称值读数，以及电阻，电容，二级管，三极管好坏的检测。

3、实验理论知识：通过本次实验，我对AGC电路有了初步的认识。同时也意识到创新的

重要性。

八、PROTEL绘制的原理图

图10 原理图

图11 Pcb图

九、实际波形图

图12

十、所用元器件及测试仪表清单实验元件

实验仪器

十、参考文献

1. 电子电路综合设计实验教程，北京：北京邮电大学电路中心

2. 刘宝玲，电子电路基础，北京：高等教育出版社

3. https://www.wendangku.net/doc/c68474759.html,/

4. 维基百科