自动增益控制(AGC)放大器

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。Intel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-10dB ～30dB,带宽为90MHz;

方案二：5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 ，带宽为30MHz ；

方案三：5脚接18pF 电容到地，该方案增益为10dB ～50dB ，带宽为9MHz ； 综合考虑课题要求，增益在约0dB ～30dB 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。

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。

图1 AD603接线图

图2二极管电容峰值检测电路

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，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。

二、理论分析及计算

2.1增益积计算

设计目标输出电压变化范围1～3V，而输入信号为100mV～1V,我们选定输出幅度为2V，即Av在2～20倍，根据程控增益调节放大器的连接方式可知，增益的计算公式为G=(40Vg+10)dB,带宽90MHz。所以将AD采集得到的输出电压V out,与预置电压进行比较，调整Vg大小，来改变增益，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

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100Ω，考虑到信号源的输出阻抗是50Ω，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。

可变增益放大器输出信号

输入信号峰值检测单片机控制系统

DA 转化增益

控制AD 转换

显示模块

增益预置图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。

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。

四、系统测试及数据分析

4.1测试仪器

（1）直流稳压源：YB1732A 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 1Uhz~20MHZ 开始系统初始化预置增益为1启动AD 转换将采集得到数据与标准电压比较增益是否合适是否修改增益DA 输出图6 软件流程图

4.2测试方案及数据分析

测试方案：

(1)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。 测

试数

据分

析：

(

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。

测

试数

据分析：放

输入信号（mV ） 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 输出信号（V ） 1.62 1.64 1.64 1.64 1.64 1.62 1.62 1.62 1.62 1.62 输入信号（V ） 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 输出信号（V ） 1.68 1.64 1.62 1.66 1.62 1.62 1.62 1.62 1.62 输入信号频率（KHZ ） 0.01 0.05 0.1 500 1 5 10 15 20 30 输出信号（V ） 2.0 1.64 1.64 1.60 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 输入信号频率（KHZ ）

40 50 100 150 200 250 300 350 400 500 输出信号（V ）

1.72 1.68 1.80 1.88 1.96

2.00 2.00 2.00 1.96 1.96

表1 稳幅测试 表2 100mV 频率响应

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 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。

输入信号频率（KHZ ） 0.01 0.05 0.1 1 5 10 15 20 30 40 输出信号（V ） 1.96 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.76 输入信号频率（KHZ ） 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 输出信号（V ） 1.76 1.88 1.92 1.92 2.00 1.96 1.92 2.00 1.96 1.92

表3 1V 频率响应

表3 1V 频率响应

图8 1V 频率响应特性曲线 图7 100mV 频率响应特性曲线

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，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 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Av

0.34 0.356 0.528 0.7 1.2 1.82 2.82 4.56

图9 增益特性控制特性曲线

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数据手册给出的计算增益的公式基本吻合。

本设计基本完成了题目要求，实现了的增益自动控制，由于受到器件和部分电路本分影响，频率响应略低，可以使用高速更优性能的芯片，提高峰值检测的精度，或在软件部分给予补偿误差。

六、参考文献

[1] 康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1

[2] 康华光.电子技术基础模拟部分[R].北京：高等教育出版社，2006.1

[3] 李先允，姜宁秋.电力电子技术[R].北京：中国电力出版社，2006