自动增益控制电路的设计实验报告.docx

实验报告

自动增益控制电路的设计

XXXXXX学院
班级：XX班
姓名：XXX
学号：XXXXX
班内序号：XX

一、 课题名称
自动增益控制电路的设计与实现
二、 实验内容
设计和实现一种自动增益控制(AGC)电路,当音频输入信号在 40dB 的变化范围内，输出信号的幅度变化不超过 5dB。
三、 项目背景
自动增益控制(Automatic Gain Control, AGC)电路使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法，实现这种功能的电路简称 AGC 电路，该电路广泛应用于广播电视、无线通信、光纤通信、传感器处理电路等。
四、 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、提高独立设计电路和验证实验的能力。
五、实验要求
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：
l 输入信号：0.5~50mVrms；
l 输出信号：0.5~1.5Vrms；
l 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） 设计一种采用其它方式的AGC电路；
2） 采用麦克风作为输入，8Ω喇叭输出的完整音频系统。
3） 如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；
4） 测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效降低THD。
3. 提交电子版的材料
1） 采用PROTEL软件绘制的的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）；
2） 采用PSPICE软件进行仿真的波形。
4. 各级仿真波形输出
六、设计思路
1、电路结构框图
在处理输入的模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况；另外，在其他应用中，如监控系统中的多个相同传感器返回的信号中，频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差很多。此时，可以使用带自动增益控制的自适应前置放大器，使其增益应能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。
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或100以上，在相当大的电流范围内，微分电阻都正确地遵守这一规则。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3 短路晶体管相应的微分电阻图V-I特性曲线

2、驱动缓冲电路
（1）输入缓冲极，其设计电路图如图4所示； 
输入信号VIN驱动缓冲极Q1，它的非旁路射极电阻R3有四个作用：
 ① 它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式（1）所示的值。该电路中 
的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值几乎可以唯一地确定这个输出电阻。 
RD1≈rbe+(1+βrce/rbe)(R3//rbe)    （1） 
② 由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至： 
AQ1=－βR4/〔rbe+(1+β)R3〕≈－R4/ R3   (2) 
③ 如公式（2）所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流－电压驱动的线性
响应。
 ④ Q1的基极微分输入电阻升至RdBASE=rbe+(1+β)R3，与只有rbe相比，它 
远远大于Q1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。
图4 输入缓冲级电路

3、直流耦合互补级联放大电路
直流耦合互补级联放大部分，电路图如图5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5 直流耦合互补级联放大电路
4、AGC反馈电路
AGC反馈电路如图6，其中R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图2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6 AGC反馈电路
完整的AGC电路图如图7所示，有效的AGC范围为0.5~50mv输入电压，在这个输入范围内，输出信号电压范围0.5~1.5V, 信号带宽0.1~5kHz.

图7 完整的AGC电路图
七、实验仪器及元器件
1、实验仪器：
示波器，毫伏表，函数信号发生器，直流稳压电源，万用表
2、实验元件：
面包板（1个），三极管（S8050 五个，S8550一个），二极管（1N4148两个），电阻若干，电解电容若干，瓷片电容若干，导线
八、实现功能说明
1、功能的实现：
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0.1～5KHz的要求，实现了自动增益控制。
2、实现方法：
利用控制变量法，将输入信号的有效值从0.5mV逐渐提高到50mV，信号带宽从0.1kHz逐渐变到5kHz, 用示波器记录输入输出波形，用交流毫伏表测量输出有效值。
3、实验数据表格：

Fi/Hz
Vo/mv
Vi/mv
100
500
1000
2000
5000
0.5
632
638
640
619
597
1.0
695
706
706
704
704
1.5
710
718
718
717
718
2.5
729
732
733
731
733
3.5
738
742
742
741
741
5.5
750
755
752
754
754
7.5
760
764
763
763
763
9.3
767
771
770
769
769
12.6
776
781
780
779
779
16.1
784
789
789
788
787
20.0
792
797
797
796
795
25.2
801
806
806
805
805
30.0
808
814
812
811
812
35.1
814
820
819
819
819
40.0
820
826
825
825
824
43.0
823
829
828
827
827
45.0
825
831
830
830
829
48.2
828
834
834
833
832
50.0
830
836
835
834
833
由测出的数据可见，在实验要求的频段内，当输入信号从0.5mVrms变化到50mVrms时，输出大约只是从600mVrms变化到850mVrms，输入变化了100倍，而输出仅增大了约1.4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。
九、故障及问题分析
1、在连接好电路第一次测量的时候，示波器没有波形，经检查比照电路，发现是反馈级的二极管连接有误；需要注意正负极区分；
2、第一次测出的波形输出较大，偏出了范围，根据放大原理，更换了几个电阻阻值之后就可以正常实现功能了；
十、总结和结论
本次实验的主要难点在于电路的连接复杂，需要事先熟知面包板的使用方法及电路的构成，这次自动增益控制电路的设计由于课本中以给出参考，可以直接连接完成，但是需要根据实际情况适当修改电阻等元器件；另外，在搭建电路之前，最好先做一个multism的电路仿真，以确定电阻值的正确使用；还需要注意的是PNP,NPN三极管的各引脚分别代表的哪个级，以及二极管，电容的正负极区分；面包板在使用时必须注意上下两行的中间是断开的，需要用一根导线连接起来，否则整个横排是不可以作为电源或地线的。

十一、multism绘制的电路原理图

信号发生器

示波器输出波形

十二、参考文献
电子测量与电子电路实践，科学教育出版社
通信电子电路，高等教育出版社
电子电路基础，高等教育出版社

实际电路板