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自动增益控制电路论文
摘 要
自动增益控制电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中,另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。
本课题主要研究应用于音频放大的前级电压放大,因此设计的电路需容纳的频带范围应较宽,以至于使语音信号通过。
由于语音信号的频带范围为300hz-3400hz,所以该电路所应设计的频带范围应在300hz-3400hz之间,并且电路应该实现增益的闭环调节,通过此电路可以实现增益的自动调整,以至于使音频信号强时自动减小放大器的倍数,信号弱时自动增大放大器的倍数,从而实现音量的自动调节。
本课题介绍了自动增益控制的概念原理以及对自动增益控制放大器各部分的工作原理,最后对系统的测试结果以及设计与实现中应该注意的问题也做了详细分析。
关键词:
放大器;自动增益控制;电压跟随器;滤波器
ABSTRACT
Theautomaticgaincontrolelectriccircuithasbeenwidelyusedinallkindsofreceivers、taperecordersandsignalgatheringsystems,andalsobeenusedincommunicationssystemradar,thebroadcasttelevisionsystemandopticalfibercommunications,microwavecommunications,satellitecommunications.
Thistopicmainlystudiestotheappliestothefrontlevelvoltageamplificationoftheaudiofrequencyamplification,thereforethefrequencybandscopeoftheelectriccircuitshouldbewiderthatcanmakethepronunciationsignalstopass.Becausethefrequencybandscopeofthepronunciationsignalis300Hz-3400Hz,sothefrequencybandscopeofourelectriccircuitshouldbedesignedwithin300Hz-3400Hz.Andtheelectriccircuitshouldrealizetheclosedloopadjustmentwhichincreases,itmayrealizetheautomaticcontrolthroughthiselectriccircuitwhichincreaseswhenthetonictrainsignalisstrongautomaticallythatitcanreducethemultipleoftheamplifier,andwhenthesignalisweakthatitcanautomaticallyincreasetheamplifierthemultiple,sothatcanrealizethevolumewithautomaticcontrol.
Thistopicalsointroducedintheconceptprincipleoftheautomaticgaincontrolaswellastoautomaticallyincreasestheamplifiereverypartofprincipleofworkthedetailedintroduction,anditpaysattentiontothequestiontothetestresultofthissystem.Finallywehavemakesomeanalysistothedesign.
Keywords:
Amplifier;AutomaticGainControl;AGC;Voltagefollower;Filter
目录
引言1
1自动增益控制1
1.1自动增益控制电路(AGC)存在的意义1
1.2自动增益控制的基本概念1
1.3自动增益控制的原理2
1.4自动增益控制放大器4
1.5本课题的研究内容4
2 自动增益控制放大器的电路设计…………………………………….4
2.1电路原理图4
2.2电路元器件选择5
2.2.运算放大器5
2.2.2可变电阻器8
2.2.3电解电容9
3总结10
4心得体会11
致辞12
参考文献:
13
引言
随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展,自动增益控制电路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。
自动增益控制线路,简称AGC线路,A是AUTO(自动),G是GAIN(增益),C是CONTROL(控制)。
它是输出限幅装置的一种,是利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。
当输入信号较弱时,线性放大电路工作,保证输出声信号的强度;当输入信号强度达到一定程度时,启动压缩放大线路,使声输出幅度降低,满足了对输入信号进行衰减的需要。
也就是说,AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度,扩大了接收机的接收范围,它能够在输入信号幅度变化很大的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化,不至于因为输入信号太小而无法正常工作,也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。
在电路设计中,这种线路被大量的运用,从尖端的雷达技术到日常的广播电视系统,自动增益控制无疑很好的解决了各种技术中存在的信号强度问题。
目前,实现自动增益控制的手段有很多,在本文中,主要研究的是如何以放大器来实现自动增益控制的目的,也就是自动增益控制放大器。
1自动增益控制
1.1自动增益控制电路(AGC)存在的意义
接收机的输出电平取决于输入信号电平以及接收机的增益。
而在实际接收过程中,因各种原因会导致接收到的信号电平发生很大波动(弱的几微伏,强的几百毫伏)。
1.如果接收机增益↓→强信号能正常接收,而弱信号将接收不到,造成信号的丢失。
2.如果接收机的增益↑→弱信号能正常接收,而强信号有可能使接收机过载而导致阻塞。
因此,人们期望接收机的增益随输入信号的强弱而变化,即输入信号弱时,接收机增益升高;输入信号强时,接收机增益减小,以补偿输入信号强弱的影响,达到减小输出信号电平变化的目的。
1.2自动增益控制的基本概念
接收机的输出电平取决于输入信号电平和接收机的增益。
由于各种原因,接收机的输入信号变化范围往往很大,信号弱时可以是一微伏或几十微伏,信号强时可达几百毫伏,最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。
这个变化范围称为接收机的动态范围。
影响接收机输入信号的因素很多,例如:
发射台功率的大小、接收机离发射台距离的远近、信号在传播过程中传播条件的变化(如电离层和对流层的骚动、天气的变化)、接收机环境的变化(如汽车上配备的接收机),以及人为产生的噪声对接收机的影响等。
为了防止强信号引起的过载,需要增大接收机的动态范围,这就要有增益控制电路。
能够使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制电路,简称自动增益控制AGC(AutomaticGainControl)电路,它能够在输入信号幅度变化很大的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化,不至于因为输入信号太小而无法正常工作,也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。
常用来使系统的输出电平保持在一定范围之内,因而也可以称为自动电平控制。
当前,该电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中,另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。
AGC电路目前概括起来有模拟AGC和数字AGC电路。
AGC环路可以放在模拟与数字电路之间,增益控制算法在数字部分来实现,合适的增益设置反馈给模拟可变增益放大器(VGA)。
现在出现的自动增益控制方法可以分为以下3类:
基于电路反馈的自动增益控制;基于光路反馈的自动增益控制;光路反馈和电路反馈相结合的自动增益控制。
本文中要研究的是基于电路反馈的利用放大器实现的自动增益控制。
1.3自动增益控制的原理
自动增益控制电路组成框图如图1.1所示
(1)可控增益放大器——用于放大输入信号ui,其增益大小取决于控制电压UC。
(2)振幅检波器、直流放大器和比较器共同构成反馈控制器——可控增益放大器的输出交变信号→振幅检波器变成直流信号→经直流放大器放大输出→在比较器中与参考电平UR比较产生直流控制电压UC→用于控制可控增益放大器
的增益。
图1.1自动增益控制电路组成框图
工作原理——
当输入ui幅度增加而使输出uo幅度增加时→通过反馈控制器产生的控制电压UC→就会使Au减小;反之依然。
这样,通过环路的反馈控制作用,可使输入信号ui幅度增大或减小时,输出信号uo幅度基本保持恒定或在一个很小的范围内变化,从而实现自动增益控制的目的。
自动增益控制电路的作用是:
当输入信号电压变化很大时,保持接收机输出电压恒定或基本不变。
具体地说,当输入信号很弱时,接收机的增益大,自动增益控制电路不起作用;当输入信号很强时,自动增益控制电路进行控制,使接收机的增益减小。
这样,当接收信号强度变化时,接收机的输出端的电压或功率基本不变或保持恒定。
因此对AGC电路的要求是:
在输入信号较小时,AGC电路不起作用,只有当输入信号增大到一定程度后,AGC电路才起控制作用,使增益随输入信号的增大而减少。
为实现上述要求,必须有一个能随外来信号强弱而变化的控制电压或电流信号,利用这个信号对放大器的增益自动进行控制。
由上述分析可知,调幅中频信号经幅度检波后,在它的输出中除音频信号外,还含有直流分量。
直流分量大小与中频载波的振幅成正比,也即与外来高频信号成正比。
因此,可将检波器输出的直流分量作为AGC控制信号。
AGC电路工作原理:
可以分为增益受控放大电路和控制电压形成电路。
增益受控放大电路位于正向放大通路,其增益随控制电压U0而改变。
控制电压形成电路的基本部件是AGC整流器和低通平滑滤波器,有时也包含门电路和直流放大器等部件。
1.4自动增益控制放大器
目前,实现自动增益控制的手段很多,典型的有压控放大器,也就是本文所要研究的自动增益控制放大器。
它是通过调整放大器一个控制端的电压,就可以实现调节这个放大器的增益。
因此,我们就可以通过反馈电路采集输出端的电压,通过调整网络后(调整网络的功能就是规定的调整策略)加到放大器的控制端.就可以实现自动增益控制。
1.5本课题的研究内容
本文设计的电路主要是应用于音频放大的前级电压放大,因此设计的电路需容纳的频带范围应较宽,以至于使语音信号通过。
由于语音信号的频带范围为300hz-3400hz,所以该电路所应设计的频带范围应在300hz-3400hz之间,并且电路应该实现增益的闭环调节,通过此电路可以实现增益的自动调整,以至于使音频信号强时自动减小放大器的倍数,信号弱时自动增大放大器的倍数,从而实现音量的自动调节。
2 自动增益控制放大器的电路设计
2.1电路原理图
图2.1自动增益控制电路图
图2.1中,电输入信号由J4或者是声音信号由MK1进入经电容C12滤波滤掉直流信号得到交流信号后送往运放JP2的同相输入端8脚,经过运算放大器的作用得到一个输出信号,即可达到一个自动增益控制电路。
2.2电路元器件选择
2.2.1运算放大器
人们用的最熟悉和用得最多的音频处理电路就是普通的运算放大器。
一般可将运放简单地视为:
具有一个信号输出端口(Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元,因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
运算放大器是用途广泛的器件,接入适当的反馈网络,可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。
运放的供电方式一般采用双电源供电,其输出可在零电压两侧变化,在差动输入电压为零时输出也可置零。
当然,在需要时也可采用单电源供电方式。
图2.2运算放大器电路符号
如果以电路符号来表示运算放大器,则如图2.2所示,可表示为三角形。
它的两个输入部分分别叫做非倒相输入(1N+)和倒相输入(IN-)。
它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输人端之间的电压放大,然后从输出端(OUT)输出。
在实训中,运算放大器采用MAX9814。
MAX9814是一款低成本、高性能麦克风放大器,具有自动增益控制(AGC)和低噪声麦克风偏置。
器件具有低噪声前端放大器、可变增益放大器(VGA)、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路。
低噪声前置放大器具有12dB固定增益;VGA增益根据输出电压和AGC门限在20dB至0dB间自动调节。
输出放大器提供可选择的8dB、18dB和28dB增益。
在未压缩的情况下,放大器的级联增益为40dB、50dB或60dB。
输出放大器增益由一个三态数字输入编程。
AGC门限由一个外部电阻分压器控制,动作/释放时间由单个电容编程。
动作/释放时间比由一个三态数字输入设置。
AGC保持时间固定为30ms。
低噪声麦克风偏置电压发生器可为绝大部分驻极体麦克风提供偏置。
MAX9814提供节省空间的14引脚TDFN封装。
该器件额定工作于-40°C至+85°C扩展级温度范围。
MAX9814的内部结构图如图2.3所示,接脚图如图2.4所示,电路接法如图2.5(a)、(b)所示:
图2.3MAX9814的内部结构图
MAX9814的特性:
(a).自动增益控制(AGC)
(b).3种增益设置(40dB、50dB、60dB)
(c).可编程动作时间
(d).可编程动作和释放时间比
(e).2.7V至5.5V电源电压范围
(f).低输入噪声密度30nV/
(g).低THD:
0.04%(典型值)
(h).低功耗关断模式
(i).内置2V低噪声麦克风偏置
(j).提供节省空间的14引脚TDFN(3mmx3mm)封装
(k).-40°C至+85°C扩展级温度范围
图2.4MAX9814的接脚
图2.5MAX9814的电路接法
2.2.2可变电阻器
阻值可以调整的电阻器,用于需要调节电路电流或需要改变电路阻值的场合。
可变电阻器可以改变信号发生器的特性,使灯光变暗,启动电动机或控制它的转速。
根据用途的不同,可变电阻器的电阻材料可以是金属丝、金属片、碳膜或导电液。
对于一般大小的电流,常用金属型的可变电阻器。
在电流很小的情况下,则使用碳膜型。
当电流很大时,电解型最合用;这种可变电阻器的电极都浸在导电液中。
电势计是可变电阻器的特殊形式,它使未知电压或未知电势相平衡,从而测出未知电压或未知电势差的大小。
更为常用的电势器只不过是一个有两个固定接头的电阻器,第三个接头连到一个可调的电刷上。
电位器的另一个用途是再音响设备中用作音响控制。
可变电阻器最大阻值的读取:
通常我们看到可变电阻器上的阻值标称有w503,w204,w102等等,它们是什么意思呢?
w503就是说这个可变电阻器的阻值范围是0Ω~~50KΩ,503是50×10「3」Ω═50KΩ,符号“「n」”内的值表示n次方。
同理w102就是1KΩ,w204就是200KΩ。
在实训中,用到焊接式可变电阻其外形图如图2.6所示:
图2.6焊接式可变电阻的外形图
2.2.3电解电容
电解电容是电容的一种,介质有电解液,涂层有极性,分正负,不可接错。
电容(Electriccapacity),由两个金属极,中间夹有绝缘材料(介质)构成。
其内部结构如图2.7所示:
图2.7电解电容的内部结构图
电解电容的原理:
电解电容器通常是由金属箔(铝/钽)作为正电极,金属箔的绝缘氧化层(氧化铝/钽五氧化物)作为电介质,电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。
铝电解电容器的负电极由浸过电解质液(液态电解质)的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成;钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。
由于均以电解质作为负电极(注意和电介质区分),电解电容器因而得名。
电解电容的特点:
电解电容器特点一:
单位体积的电容量非常大,比其它种类的电容大几十到数百倍。
电解电容器特点二:
额定的容量可以做到非常大,可以轻易做到几万μf甚至几f(但不能和双电层电容比)。
电解电容器特点三:
价格比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料,比如铝等等。
制造电解电容的设备也都是普通的工业设备,可以大规模生产,成本相对比较低。
3总结
在通信系统和电子设备中,为了提高技术性能,或者实现某些特殊的高指标要求,广泛的采用自动增益控制电路。
在本文中详细介绍了自动增益控制的概念及原理,对自动增益控制放大器的原理也进行了讨论及分析。
确定了实现增益控制功能的放大器增益范围,并且设计出具体的电路,对各部分电路的工作原理也进行了详细介绍。
在文章的最后,列出了具体实验中的实验数据及分析结果,对存在的问题也有了一定的认识。
随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术的发展,自动增益控制的研究也在不断的进步,实现自动增益控制的方法也在不断的完善,改进目前在性能方面的一些不足,得到更大的提高。
4心得体会
短短的实训过程结束,这次不仅是简单的技能实践,它让我真正体验到“纸上得来终觉浅,欲知此事需躬行”的道理。
让我真正体验了邓小平爷爷所说“实践是检验真理的唯一标准”。
让我真正体会“我听到的我会忘掉,我看到的我能记住,我做过的才真正明白”。
我每次实习结束后,都根据自己的情况去感悟,去反思,我实习的学得了什么呢?
虽然在实训中我不是完全懂,但我学会思考,学会学习。
老师们耐心地一一给我讲解原理,分析电路原理图,让我“知其然,而知其所以然”,让我学会从理论联系到实际。
还有同学的帮助、鼓励和提醒让我受益匪浅。
从得出电路,到理解原理,以及画PCB图和最后制成电路板,对于我来说,每一个步骤都是那么困难,有时候花了一整天时间也没有完成一个小小的步骤!
!
但是,我都不会灰心。
我会找到自己的错误在哪里,分析应该如何去完成,进而攻克它。
这次实训让我明白了有时想是没有用处的,还必须去考察,去学习,去实践考察,只有这样才能有实质的进步,还有要和同学共同讨论,解决各种困难,在困难中你能了解更多的非课本的知识,还能再找错误的同时锻炼你的观察力。
这次实训带给我们的,应远非我们所接触到的那些操作技能,也不仅仅是通过几项工种所要求我们锻炼的几种能力,更多的则需要我们每个人在实习结束后根据自己的 情况去感悟,去反思,勤时自勉,有所收获,并将这种感悟运用到我们生活和学习中去,学以致用。
致辞
通过这次实训我学会了许多新的知识也复习了许多老师上课讲的东西,最主要的是锻炼了自己的动手能力和对实际电路和各种电元器件的分析能力。
在实训过程中我发现自己还有很多不足的地方,主要是对理论知识掌握得不好,还不能很好的理论结合实际。
本次实训是在张保忠老师和李秀东老师的精心指导和大力支持下完成的。
张老师和李老师多次询问研究进程,并为我指点迷津,帮助我开拓研究思路,精心点拨、热忱鼓励。
他们以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。
老师渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。
同时,在此次实训过程中我也学到了许多了关于自动增益控制方面的知识,实验技能有了很大的提高。
在这里,我要感谢张保忠老师和李秀东老师,也要感谢和我在一起愉快讨论实训的同学们,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至实训的顺利完成。
参考文献:
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[2]尤德斐,数字化测t技术(上),北京:
机械工业出版社,1990
[3]张风言编著,电子电路基础,高等教育出版社,1994
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[5]高吉祥、高天万、陈和,《模拟电子线路》[M],北京:
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[6]哀孝康,自动增益控制与对数放大器,北京:
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国防工业出版社,1987
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