北郵模電實驗下 AGC自動增益實驗報告

1、電子電路綜合實驗實驗四 自動增益控制(AGC)電路的設(shè)計與實現(xiàn)實驗報告姓名：曹爽學(xué)號：2013210640班級：2013211124班內(nèi)序號：062015年4月27日目 錄一、課題名稱1二、摘要1三、設(shè)計任務(wù)要求1四、設(shè)計思路和總體結(jié)構(gòu)框圖1五、分塊電路和整體電路的設(shè)計3六、實現(xiàn)功能7七、故障及問題分析9八、總結(jié)和結(jié)論9九、電路圖與實物圖10十、所用儀器及元器件清單12十一、參考文獻12一、 課題名稱自動增益控制(AGC)電路的設(shè)計與實現(xiàn)二、 摘要自動增益控制(AGC)電路的功能是在輸入信號幅度變化較大時，將輸出信號幅度穩(wěn)限制在一個很小范圍內(nèi)變化的特殊功能電路，能使放大電路的增益自動地歲信號強

2、度而調(diào)整。該電路廣泛應(yīng)用于廣播電視、無線通信、光纖通信、傳感器嗲安陸等。本實驗利用三極管設(shè)計并實現(xiàn)AGC電路，同時對AGC電路的原理和實現(xiàn)過程中出現(xiàn)的問題進行了詳盡的分析。關(guān)鍵詞：自動增益、AGC、驅(qū)動緩沖、直流耦合互補級聯(lián)、反饋三、 設(shè)計任務(wù)要求1、基本要求：當(dāng)音頻輸入信號在40dB的變化范圍內(nèi)，輸出信號的幅度變化不超過5dB。1）設(shè)計指標(biāo)以及給定條件為：輸入信號：550mVrms；輸出信號：0.51.5Vrms；信號帶寬：1005KHz；2）設(shè)計該電路的電源電路（不要求實際搭建），并繪制完整的電路圖。2、提高要求：1）設(shè)計一種采用其他方式的AGC電路；2）采用麥克風(fēng)作為輸入，8喇叭作為輸出

3、的完整音頻系統(tǒng)；3）如何設(shè)計具有更寬輸入電壓范圍的AGC電路；4）測試AGC電路中的總諧波失真（THD）及如何有效的降低THD。四、 設(shè)計思路和總體結(jié)構(gòu)框圖在處理輸入的模擬信號時，經(jīng)常會遇到通信信道或傳感器衰減強度大幅變化的情況；另外，在其他的應(yīng)用中，如監(jiān)控系統(tǒng)中的多個相同傳感器返回的信號中，頻譜結(jié)構(gòu)和動態(tài)范圍大體相似，而最大波幅卻相差甚多。某些情況下這類變動是可以預(yù)測的，能對預(yù)處理放大器的增益進行相應(yīng)調(diào)整。但更多時候會遇到不可預(yù)知的信號，因而會因為非重復(fù)性事件而丟失數(shù)據(jù)。此時，可以使用帶AGC的自適應(yīng)前置放大器，使其增益能隨信號強弱而自動調(diào)整，以保持輸出的相對穩(wěn)定。自動增益控制電路的總體框圖

4、如圖1所示，主要由驅(qū)動緩沖電路、級聯(lián)放大電路、輸出跟隨電路和增益反饋電路4個部分組成。驅(qū)動緩沖電路級聯(lián)放大電路輸出跟隨電路增益反饋電路圖1AGC電路的實現(xiàn)有反饋控制、前饋控制和混合控制等三種，典型的反饋控制AGC由可變增益放大器（VGA）以及檢波整流控制組成，如圖2所示。輸入VGA輸出檢波整流控制圖2本實驗電路采用了一種相對簡單而有效實現(xiàn)預(yù)通道AGC的方法，使用了一個短路雙極晶體管直接進行小信號控制的方法，從而相對簡單而有效實現(xiàn)預(yù)通道AGC的功能。如圖3，可變分壓器由一個固定電阻R1和一個可變電阻構(gòu)成，控制信號的交流振幅?？勺冸娮璨捎没鶚O-集電極短路方式的雙極性晶體管微分電阻實現(xiàn)為改變Q1電阻

5、，可從一個由電壓源VREG和大阻值電阻R2組成的直流源直接向短路晶體管注入電流。為防止R2影響電路的交流電壓傳輸特性。R2的阻值必須遠大于R1。圖3對正電流的I所有可用值（一般都小于晶體管的最大額定發(fā)射極電流），晶體管Q1的集電極-發(fā)射極飽和電壓小于它的基極-發(fā)射極閾值電壓，于是晶體管工作在有效狀態(tài)。短路晶體管的V-I特性曲線非常類似與PN二極管，符合肖特基方程（除了稍高的直流電壓值外），即器件電壓的變化與直流電流變化的對數(shù)成正比。因此，對于V-I曲線上所有直流工作點，短路晶體管的微分電阻與流過的直流電流成反比，換句話說，器件的微分電導(dǎo)直接與電流成正比。由于在其工作狀態(tài)下，共射極連接的雙極型晶

6、體管的電流放大系數(shù)一般在100或100以上，在相當(dāng)大的電流范圍內(nèi)，微分電阻都遵守這一規(guī)則。因此，圖3中VREG的變化就會改變電流I，并控制R1-Q1分壓比。耦合電容C1和C2將電路的衰減器與輸入信號源和輸出負載隔離開來。圖4為一個典型的小信號雙極晶體管的短路V-I特性，圖中顯示，至少可以在五個十倍程范圍內(nèi)控制微分電阻，即控制幅度超過100dB。圖4五、 分塊電路和整體電路的設(shè)計1、分塊電路I 驅(qū)動緩沖電路驅(qū)動緩沖電路如圖5所示，輸入信號VIN驅(qū)動緩沖極Q1，它的旁路射極電阻R3有以下4個作用：(1) 它將Q1的微分輸出電阻提高到接近公式(1)所示的值。 (1)該電路中的微分輸出電阻增加很多，使

7、R3的阻值（27）幾乎可以唯一地確定這個輸出電阻。圖5(2) 由于R3未旁路，使Q1電壓增益降低，此時有 (2)(3) 如公式(2)所示，未旁路的R3有助于Q1集電極電流電壓驅(qū)動的線性響應(yīng)。(4) Q1的基極微分輸入電阻升至，與只有相比，它 遠遠大于Q1的瞬時工作點，并且對其依賴性較低。II 直流耦合互補級聯(lián)放大電路圖6直流耦合互補級聯(lián)放大電路如圖6所示，該部分利用直流耦合將Q2與Q3進行級聯(lián)，為AGC電路提供了大部分的電壓增益。R14是1k的電阻，將發(fā)射機輸出跟隨器Q4與信號輸出端隔離開來。必要時，R14可選用更低的電阻，但如果R14過低，則大電容的連接電纜會使Q4進入寄生振蕩。III AG

8、C反饋電路AGC反饋電路如圖7所示，電阻R4構(gòu)成可變衰減器的固定電阻，類似于圖5中的電阻R1，而Q6構(gòu)成衰減器的可變電阻部分。晶體管Q5為Q6提供集電極驅(qū)動電流，Q5的共射極結(jié)構(gòu)只需要很少的基極電流。采用這種方法時，決定AGC釋放時間的電阻R17阻值可以選大些，從而能有較長時間AGC釋放時間。電阻R19用于限制通過Q5和Q6的最大直流控制電流。當(dāng)把大的C5值與Q5的最小微分電阻進行比較時，即最大信號波幅在完全控制下，其電抗對最低頻率信號頻譜成分而言是可以忽略的。D1和D2構(gòu)成一個倍壓整流器，它從輸出級Q4提取信號的一部分，并為Q5生成控制電壓。這種結(jié)構(gòu)可以容納非對稱信號波形的兩極性的大峰值振幅

9、。電阻R15決定了AGC的開始時間，若與C6組合的R15過小，則使反饋傳輸函數(shù)產(chǎn)生極點，導(dǎo)致不穩(wěn)定。電阻R17決定了AGC的釋放時間，為確保對高頻信號成分的良好響應(yīng)，D1和D2可以使用肖特基或快速PN硅二極管。當(dāng)輸入信號變大時，輸出跟著增大，Q6的微分電阻就會跟這變小，輸入進入放大級的信號就會變小，是輸出減?。环粗斎胱冃r，輸出自動變大。從而實現(xiàn)自動增益控制功能。圖79V-9VIV 9V穩(wěn)壓源電路設(shè)計圖89V穩(wěn)壓源電路如圖8所示，電路由指示電路、變壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路五部分組成。輸入AC220V、50Hz的交流信號后，通過保險絲（圖中未畫出）送到上電指示電路和變壓器的原邊繞組

10、，上電指示電路由1只普通紅色發(fā)光二極管串接1只150k、功率0.25W的限流電阻而成。通過電源變壓器得到較低的副邊電壓U2并送到整流電路。整流電路由4個1N4001二極管組成橋式整流電路，當(dāng)正弦交流電壓為正的時候，右上、左下二極管導(dǎo)通，當(dāng)交流電壓為負的時候右下、左上二極管導(dǎo)通，使輸出的電壓周期變?yōu)樵瓉淼囊话耄译妷嚎倿檎?，從而初步達到變交流電壓為直流電壓的目的。經(jīng)過整流以后的電壓經(jīng)濾波電容C1、C2的濾波作用，將整流以后的電壓里的交流成分濾除。當(dāng)濾波電容不接負載時，由于電容沒有放電回路，所以輸出的是一個恒定的電壓量；當(dāng)濾波電容接負載時，由于有了放電回路，電容的放電時間常數(shù)為一定值，使放電的時間

11、被控制在一定的范圍，從而達到濾波的目的。選用1000F的電解電容作濾波電容。每個穩(wěn)壓器的輸入和輸出端接入的電容C5 、C6 、C7、C8目的是實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾。D2、D3兩只1N4001二極管如圖跨接在穩(wěn)壓器的輸入與輸出端之間。2、總體電路圖8完整的AGC電路圖如圖8所示，有效的AGC范圍為5mV-50mV輸入電壓，在這個范圍內(nèi)，輸出電壓的變化不超過5dB，正弦輸入信號從5mV到50mV步長變化時的AGC開始時間約為0.3s，從50mV輸入至5mV的AGC釋放時間約為100s。六、 實現(xiàn)功能本實驗所完成的電路實現(xiàn)了自動增益控制的功能，輸入變化較大

12、時（40dB以內(nèi)），輸出變化較?。?dB以內(nèi)）。測試方法：先保持恒定的信號頻率，將輸入信號的有效值從5mV逐漸提高到50mV；之后再保持輸入信號有效值不變，講頻率從100Hz逐漸提高到5kHz，分別用示波器記錄輸入輸出波形，用交流毫伏表測量輸入輸出有效值并記錄數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)記錄表格如下：UiUo/mVf/Hz14mVpp(5mV) 28 mVpp(10mV)56 mVpp(20 mV)84 mVpp(30 mV)112 mVpp(40mV)140 mVpp(50mV)1006216616786876946995006426847097237347431k6436857117257367452k

13、6436857117257367453k6436847097247367455k639682708722733742從140mVpp，5kHz到14mVpp，5kHz，共用時1分54秒；從140mVpp，100Hz到14mVpp，100Hz，共用時2分07秒。由數(shù)據(jù)可見，當(dāng)輸入從5mV到50mV變化時，輸出在621mV到742mV之間，滿足實驗要求。部分波形圖：（以最低頻率最低電壓和最高頻率最高電壓為例）當(dāng)輸入信號為14mVpp，100Hz正弦波時，輸出電壓有效值如下：波形圖如下：當(dāng)輸入信號為140mVpp，5kHz正弦波時，輸出電壓有效值如下：波形圖如下：七、 故障及問題分析1. 第一次連接

14、好電路后，示波器上沒有輸出信號，通過分級檢查發(fā)現(xiàn)問題出在Q4的部分，電阻R19連接錯誤，導(dǎo)致后面的電路開路。重新正確連接該電阻之后問題得到解決。2. 排除故障后，發(fā)現(xiàn)輸出的電壓范圍偏低，最低限只有300mV左右，沒有達到0.5V到1.5V的要求。通過分析發(fā)現(xiàn)是級聯(lián)放大電路的放大倍數(shù)不夠。適當(dāng)調(diào)低集電極電阻R9 、R12和輸出端電阻R14之后，放大倍數(shù)顯著提高，可以達到要求的范圍。3. 在調(diào)試電路的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)波形突然消失而后又慢慢恢復(fù)的情況。分析后認(rèn)為是電容接觸不良所致。通過重新插緊面包板上的元器件，該問題得到了解決。4. 調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)輸出波形有明顯的失真現(xiàn)象。分析之后發(fā)現(xiàn)是三極管靜

15、態(tài)工作點過低，通過調(diào)整相關(guān)電阻，提高靜態(tài)工作點，使波形輸出正常。但輸出波形仍有部分失真。八、 總結(jié)和結(jié)論1. 實驗結(jié)果在實驗要求的100Hz到5kHz頻率范圍內(nèi)，以5kHz為例，當(dāng)輸入信號從5mV變化到50mV時，輸出大約從639mV變化到742mV，放大倍數(shù)從127.80倍到14.84倍，能夠?qū)崿F(xiàn)要求的自動增益的功能。2. 心得體會本次AGC實驗相比于上學(xué)期做的電路實驗要復(fù)雜得多，從實物圖就可以看出，電路模塊較多，所用元器件較多，需要通過細致認(rèn)真的分析每一部分的功能，才能了解整體電路的原理。這需要我對電子電路方面的知識有較高的理解能力和分析能力。同時，由于是第一次做綜合電路實驗，電路也相對復(fù)

16、雜，在搭建的時候往往不得要領(lǐng)，無法分配好面包板的有限空間，導(dǎo)致布線布局較亂，甚至有元件短路的情況發(fā)生。經(jīng)過后來的分析和修改，以及換用不同顏色的線表示不同的極性，解決了布線等問題。此外，這樣的綜合實驗中，一旦發(fā)現(xiàn)電路出現(xiàn)問題，往往難以直接找出原因。這就要求我們有耐心，認(rèn)真細致地分段檢查電路故障，不能一出現(xiàn)錯誤重新搭建電路。通過分段檢查的方式，我也對過去學(xué)習(xí)的電子電路知識有了更深的理解，對電路實驗和故障排除的方法有了更深的體會，對各元器件故障的檢查方式有了一次親身實踐，從而鍛煉自己的實踐能力和動手能力。實驗仿真時需要用到Multisim軟件，由于元器件較多，布置和連接元件的時候需要按照一定的先后順序，之后再進行仿真。這又一次鍛煉了我的軟件應(yīng)用能力，以及做實驗之前先仿真的意識。最后，AGC實驗要求設(shè)計9V直流電源的電路，這個設(shè)計原理是我在大一下學(xué)期電路分析基礎(chǔ)課程中學(xué)習(xí)到的。同時，我通過查閱書籍和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)文獻，對這一內(nèi)容進行了復(fù)習(xí)，并且利用Multisim軟件親自設(shè)計了指示、變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路。這對自己的電路設(shè)計能力是一次很好的鍛煉。九、 電路圖與實物圖Multisim繪制的電路圖實物圖波形圖未加AGC反饋電路前Q4輸出波形圖（調(diào)試過程中）加入AGC反饋之后總體輸出波形圖十、 所用儀器及元器件清單名稱數(shù)量名稱數(shù)量數(shù)字式萬用表1臺NPN三極管(80