自动增益控制放大器

2014年全国大学生电子设计竞赛设计报告参赛题目：自动增益控制放大器题目编号：H日期：二〇一四年八月十二日 至二〇一四年八月十五日自动增益控制放大器（AGC）设计摘要：本设计以可变增益放大器VCA810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。系统主要由可变增益放大器、MSP430单片机、AGC电路、功放电路、检波电路、比较器、噪声检测电路等组成。将输入信号经程控放大器进行调理归一处理，输入给程控增益调整放大器VCA810，将信号放大输出，通过有效值检波电路检测输出信号，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VCA810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：VCA810MSP430有效值检测自动增益控制（AGC）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AGC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AGC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。方案二：采用可变增益放大器和单片机结合，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直流电压，通过DA转化，对放大器的放大倍数精确调整，从而实现输出电压的恒定。方案一理论简单，只有硬件电路，制作起来相对容易，但其理论低端，精度不够，没有创新，通用性不好；方案二控制精确，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。但需要软硬件配合，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3了良；好的基础，，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。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，在其中在24V供电情况下，满负载驱动8Ω的桥接式扬声器，声音失真杭率仅为0.1%。方案二：采用LF353运放作为输入级，LF353的总体电路设计还是比较简洁的，在功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益.。采用IAF530作为出极，它具有输出阻抗低，输出电流大的特点。方案一为集成模块，使用方便，但其功率不够，幅度太大；方案二虽需要自己设计电路，但整个电路具有输入阻抗高输出阻抗低、声音失真小，完全适合600欧的负载到8欧负载的变化。故选用方案二。2.1系统整体设计框图图1.3系统设计框图2.2硬件原理图系统硬件部分设计原理图如图1.4所示。图1.4可变增益放大器图1.5功放电路图1.6滤波电路图1.7比较器图1.8噪声检测电路图1.9检波电路图1.105V电源电路图1.1115V可调电源电路图1.12AGC电路2.3软件流程图系统软件流程图如图1.10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。图1.102.4参数计算(1)增益方面的计算设计目标输出电压变化范围2V±0.2V，而输入信号为100mV～5V,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Vout,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。（2）缓冲、稳幅的方案与计算因为要用到单片机内部的AD637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。竞赛工作环境条件系统调试所使用的仪器设备如表所示。仪器名称型号数量直流稳压源APS3003S-3D1数字存储示波器MST1102B1数字万用表UT531信号发生器EE1643C1表2.1系统测试及数据分析3.1测试方案及数据分析电源±12V供电，负载为8Ω电阻适用频率范围约为5Hz～100Khz最大输入峰峰值（不失真）约为Vin≈3.0Vpp。最大输出峰峰值（不失真）约为Vout≈16Vpp。最大输出功率约为Pmax≈4W。功放效率约为η≈57%。表3.1功放测试数据测试流程：（1）噪声测试：输入频率10KHZ和100KHZ的正弦波信号。负载为600欧姆，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。测试数据如表3.2和表3.3所示。输入正弦波幅度（mV）1000800600400200100806040输出电压幅度（mV）①42032028020016034302216输出电压幅度（mV）②36032024020010032282214表3.210KHz噪声测试输入正弦波幅度（mV）1000800600400200输出电压幅度（mV）①360320280200160输出电压峰峰（mV）②360320280220140表3.3100KHz噪声测试(2)稳幅测试：输入频率1KHZ的正弦波信号，负载为600欧姆，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3.3所示。输入Vp信号见表3.4。输入信号（V）0.020.030.040.050.080.0850.090.0950.10.15输出信号（V）2.162.122.132.102.122.082.082.082.062.14输入信号（V）11.21.41.61.82.02.22.42.63.0输出信号（V）2.12.12.082.062.082.082.042.022.022.12表3.4稳幅测试①输入正弦波频率（HZ）1002005001K1.5K2K3K5K10K600欧姆下输出电压幅度（V）2.022.062.042.062.082.062.042.062.068欧姆下输出电压幅度（V）2.042.062.082.042.082.082.022.022.04 表3.5稳幅测试②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2.1V。设计总结系统能够满足题目基本要求：（1）放大器可以从mp3或信号源输入音频（100Hz~10kHz）信号，可以带600Ω负载或驱动8Ω喇叭（2~5W）。（2）当输入信号幅度在10mV~5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V±0.2V内，波动越小越好。（3）能够显示输入信号幅度大小及频率高低。（4）能够在1V~3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。（5）能够根据环境噪声调整自动调节放大器输出幅度。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