自动增益控制电路的设计与实现实验报告

电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-1-自动增益控制电路的设计与实现实验报告北京***********学院**********班***学号：********电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-2-一、摘要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，也经常有多个信号频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差甚多的现象。很多时候系统会遇到不可预知的信号，导致因为非重复性事件而丢失数据。此时，可以使用带AGC（自动增益控制）的自适应前置放大器，使增益能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。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。本实验介绍了一种简单的反馈式AGC电路，适用于低频段小信号处理的系统中。二、关键字倍压整流，可变衰减，自动增益控制，电压跟随器，反馈。三、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。四、设计思路与总体结构框图1、设计思路1）该实验电路中使用了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。如下图，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.电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-3-I反馈式AGC由短路三极管构成的衰减器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）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提供大部分电压增益，通过负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。它从输出级Q4提取信号的一部分并为Q5生成控制电压，这种构置可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。电阻R15决定AGC的开始时间，电阻R17决定AGC的释放时间。4）倍压整流原理：在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。电路工作中，当二极管D3导通，D4截止，电流经过D3对电路中的电容充电，将电容C11上的电压充到接近加在D3上电压的峰值，并基本保持不变；C1c2R1R2Q1GND12Header212Header1VCCVREGDetetor电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-4-当加在C11上的电压反向时，二极管D4导通，D3截止，此时，加在C11上的反向电压继续通过D4对电容C11充电，充电电压峰值为加在D4两端的电压峰值。如此反复充电，C11上的电压就基本上就维持在加在D3、D4上的交流电压峰值两倍。故称为倍压整流电路。2、总体结构框图（1）一个简单AGC电路：InputOutput反馈（2）本实验电路框图：3、4、5、6、7、8、9、10、五、分块电路和总体电路的设计1、9V稳压源电路112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-12SheetofFile:E:\Assignments\Sheet3.SchDocDrawnBy:12Header2JP1Fuse1F1TransCTT1Bridge1D2100pFC3100pFC8100pFC7100pFC1100pFC5100pFC6100pFC4100pFC2IN14OUT3GNDL7815ABD2TU1IN14OUT3GNDL7815ABD2TU2DiodeD1DiodeD3VCCVCC放大电路输出端信号范围：0.5～50mVrms信号范围：0.5～1.5Vrms输入信号输入缓冲级级放大级，提供大部分增益输出信号放大级前端反馈网络电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-5-2、信号缓冲输入级电路112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:220R11MR227kR42.2kR52.2KR3100uFC22200uFC33.3uFC112IntputJP1Q13、直流耦合互补级联电路（提供大部分增益）：电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-6-112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:15KR8330R18270KR6430KR7560R927KR110.22uFC41000uFC9220uFC5Q2Q312Header2JP39V4、信号输出级电路（射极跟随器Q4）：112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:330R18100R12390R131KR141000uFC910uFC812OutputJP2Q412Header2JP39V5、倍压整流（D1、D2与电容C6构成）与反馈电路：电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-7-112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:1.5KR1556KR163.3KR199V1.8MR17100uFC63.3uFC7Q6Q5D1D26、总体电路设计该电路主要由输入前级、中间直流互补级联放级、倍压整流电路、反馈网络组成。其中反馈网络跨在直流互补耦合级联放大级的前端与输出级的前端之间，使信号自动衰减为一定的值（小幅波动），实现自动增益控制。电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-8-112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2010-5-10SheetofFile:E:\Assignments\Sheet1.SchDocDrawnBy:220R11MR227kR42.2kR515KR8330R18270KR6430KR7560R927KR11100R121.5KR1556KR163.3KR19390R1315KR101KR142.2KR39V1.8MR17100uFC21000uFC102200uFC30.22uFC41000uFC9100uFC610uFC83.3uFC73.3uFC112OutputJP212IntputJP1220uFC5Q1Q6Q2Q4Q5Q312Header2JP39VD1D2六、所实现功能说明1、基本功能：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、直流电源：Vcc=9V3、主要测试数据：电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-9-f/HzVi/mVrms10010003000500050.740.740.740.74100.760.760.760.76200.780.780.780.78300.800.800.800.80500.840.840.840.844、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，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）具体测试过程如下：保持输入电压有效值0.5mV，改变信号频率从100Hz变化到5KHz（为取得更多的数据，可以每次增大500Hz，多测数据；为测试电路的带宽，可以改变频率到更低和更高的值，使输出信号电压衰减到3dB处，测出上限截止频率），测量记录如上表格所示；（3）由测出的数据可以计算出增益，同时可见，再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，即可认为输入在规定范围内变化时，输出不变，实现了自动增益控制的功能；（4）为了解反馈网络在自动增益控制电路中的作用，可以在反馈输出端接示波器通道来观察测量反馈输出信号，亦可把反馈引回的线去掉，用示波器观察测量没有反馈时的输出信号，记录测量的数据，分析可以看出反馈网络在该电路中举足轻重的地位，这也是该电路称为反馈式AGC的原因。（5）用示波器观察输入缓冲级（该实验中注释为Q1）的集电极输出波形，记录测量数据；把反馈去掉，同样观察测量Q1集电极的波形，对比可见，有反馈的时候Q1的集电极输出信号幅值基本为2mV，而无反馈的时候，Q1的集电极输出信号幅值为伏级上的，比有反馈的时候大的多，可见自动衰减的负反馈信号与经缓冲级放大的信号叠加，使信号维持在一个比较稳定的值。（6）测量倍压整流电路（D1、D2构成）的输出信号波形，增进对倍压整流器的工作原理的理解。经过以上步骤，自动增益控制电路的测试基本完成。电子电路综合设计实验-自动增益控制电路的设计与实现学号08210303曹彧姝-10-七、故障及问题分析首先，我花费了很长时间来连接电路。第一次连接到一半的时候，发现元器件全都挤凑在一起，布局很不合理，倘若连接完毕后进行检查和测试等都会带来不便，于是我将电路板拆掉重新连接。第二次连接完成后，却无法得到预期的输出波形，而是一个会在电源接通后自动进行充放电的直流。经过检查却一直没有找到哪个元器件接错，加之元器件和导线未经修剪显得电路板外观依然不清楚明了，我又进行了第三次连接。这一次终于得到了近似正弦波的信号。其次，这个信号有很大的干扰和震荡，我初步分析有元器件接触不良，于是检查了每个元件的引脚接触。当我按了一下电阻R2时，发现输出电压的波形立刻减少了很多干扰，于是证明R2是接触不良的。再次，尽管此时输出信号基本稳定，