自动增益控制放大器的设计与实现

程望斌, 杨陈明, 江 武, 贺利苗, 佘凯华, 龙 杰

(1. 湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 经济与管理学院, 湖南 岳阳 414006)

自动增益控制放大器的设计与实现

程望斌1, 杨陈明1, 江 武1, 贺利苗2, 佘凯华1, 龙 杰1

(1. 湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 经济与管理学院, 湖南 岳阳 414006)

为实现稳定输出, 需对放大器系统的增益进行自动控制. 本文提出了自动增益控制放大系统的总体设计方案,并对主要功能模块进行了方案比较与论证, 重点对硬件系统和软件系统进行了详细设计, 最后对系统进行了完整测试, 并对检测结果进行了分析. 结果表明: 系统稳定可靠、操控方便, 具有较好的人机交互性能.

自动增益控制; MSP430单片机; 直流放大; PGA2310

引言

随着电子信息技术的迅速发展, 信号传输与增益控制技术广泛应用于军事、工业等行业, 具有较好的研发价值. 自动增益控制, 可以使系统的输出信号保持在一定范围内, 因此在信号传输领域得到广泛应用.本文设计的数字式自动增益控制放大器, 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[1]:当输入信号较弱时, 线性放大电路工作, 保证输出信号的强度; 当输入信号强度达到一定程度时, 启动压缩放大线路, 使输出幅度降低, 衰减输入信号, 从而实现放大器的自动增益控制.

1 系统总体设计方案

系统共分为三大部分: 第一部分为稳幅功能模块, 采用−95.5dB～31.5dB程控放大, 通过NE5532跟随器, 实现稳幅功能. 比如对幅值在10mV～1V的输入信号, 可使输入信号有效值稳定在353.5mV左右, 且在其频率带宽范围内, 保证其幅频曲线稳定, 以及后级的功率放大电路稳定. 第二部分为峰值检波模块,其采用AD637进行真有效值峰值检波. 第三部分为功率放大器, 采用运放NE5532, 在满功率带宽为100KHz且幅值达到10V时, 其压摆率为9V/us, 能够满足要求, 并且能支持±20V供电. 再利用场效应管实现其输出电流的扩流, 就能使功率到达10W. 通过单片机MSP430G2553控制既实现了放大器电压增益Av可自动调节并显示, 又降低了整个系统的成本. 因而系统效率高, 成本低, 可靠性和稳定性较强.

输入信号经过电压跟随器, 将输入信号送给PGA2310自动调节增益AGC模块, 通过控制器MSP430G2553对其进行控制. 而AD637真有效值检波模块是对PGA2310的输出信号进行峰值检波, 并将检测的真有效值反馈给单片机从而达到环路控制的目的[2]. 为了设计的更人性化, 特增加了显示模块,能够显示AGC放大器当前增益的分贝值. 功率放大部分是对AGC模块的输出信号进行功率放大, 驱动10Ω的负载. 系统总体设计框图如图1所示.

图1 系统总体设计框图

2 方案论证与选择

(1) AGC电路方案论证与选择

方案一: 典型的是采用场效应管或三极管控制增益. 主要利用场效应管的可变电阻区(或三极管等效为压控电阻)实现增益控制[3].

方案二: 采用TI公司VCA810压控放大芯片, 用两级VCA810级联实现−40dB～40dB的程控放大. VCA810具有低失调电压, 一级放大倍数最大范围−40dB～40dB, 且外围电路简单, 但由于单级放大倍数过大易引起自激, 故采用两级级联放大.

方案三: 采用TI公司PGA2310数字程控放大芯片, 单级放大倍数的最大范围−95.5dB～31.5dB, 并且内部含有两个相互独立的通道, 其构成的外围电路简单, 易操控, 精确度较高.

方案比较: 方案一采用大量分立元件, 电路复杂, 稳定性差, 调试较繁琐, 且精度不够. 方案二需要两级级联, 实现效果较好, 但由于MSP430G2553内部没有DA, 需要外加DA芯片控制, 搭建电路较复杂.方案三能够直接由单片机控制, 电路简单, 容易实现.

(2) 峰值检波电路方案论证与选择

方案一: 基本的峰值检波电路是由二极管电路和电压跟随器组成的, 此电路能够检测的信号频率范围宽, 但受二极管导通压降等因素的影响, 检波精度差.

方案二: 真有效值检波电路采用ADI公司的AD637, 该芯片真有效值, 输出为信号的真有效值电压.

方案比较: 方案一电路简单, 容易调试, 受器件的影响使得测量精度失准. 方案二采用集成芯片实现峰值检波, 外围电路搭建容易, 并且抗噪声性能好、精度高.

(3) 功率放大方案论证与选择

方案一: 由多个高速缓冲器BUF634并联实现扩流输出, 提升放大器带负载能力[4].

方案二: 用分立元件构成末级放大电路, 利用集成运放和MOSFET扩流来实现放大.

方案比较: 方案一效果好但成本较高; 方案二虽然实现较为麻烦, 但是成本低廉, 效果较好. 故采用方案二.

3 系统硬件设计

3.1 PGA2310构成的程控AGC电路

程控AGC电路如图2所示. 为提高信号的稳定性, 信号经信号输入端口至NE5532运放构成跟随缓冲电路. 将此信号输入至PGA2310 Vin-L引脚, 其正负电源引脚各加入10uf和0.1uf的电容滤波, 然后PGA2310输出信号通过NE5532跟随器输入至AD637构成的真有效值检波电路, 最后MSP430单片机AD采集检波后的直流信号. 设定当输入直流或交流时, 如果检波输出信号大于353mV或小于353mV, 单片机自动检测并且调节PGA2310增益, 使PGA2310输出直流电压信号时幅值稳定在0.5V左右, 输出交流信号时峰值稳定在1V左右.

图2 程控AGC电路图

3.2 AD637真有效值检波电路

PGA2310程控输出信号输入至AD637 Vin管脚, 当输入为0时, 调节RP2滑动变阻器使检波输出也为0; 当有输入信号时, 调节RP1滑动变阻器使输出信号为输入信号有效值, 得到正确的检波直流信号.检波电路图如图3所示.

图3 AD637真有效值检波电路图

3.3 功率放大

为实现较好的功率放大要求, 后级需要驱动10Ω负载, 由于普通运放不能提供驱动负载所需功率, 所以必须进行功率放大以提供所需功率并且将信号放大2倍. 我们采用如图4所示运放加MOS管电路, 具有带负载能力强等优点.

图4 功率放大电路图

4 系统软件设计

本系统软件设计部分基于MSP430单片机平台, 主要完成增益控制、AD采集、预置信息液晶显示和按键控制[5], 系统以友好的人机界面展现给用户. 系统设计流程图如图5所示.

图5 系统设计流程图

在图5中, 我们采用条件判断语句控制AGC模块的增益, 并且还添加了一些容错措施, 以达到AGC放大器在频带内稳定输出的目的, 为后级的功率放大电路的稳定提供了保证.

5 系统测试及结果分析

5.1 测试仪器

TDS1012双踪示波器、SU3080数字函数信号发生器、直流稳压电源、万用表等.

5.2 直流信号放大测试

测试方法: 幅度可变的直流电压信号(0.01V/0.1V/1V)至测试输入端, 然后用双踪示波器测测试输出信号. 测试结果见表1.

表1 直流信号放大测试结果

测试条件: 输入直流电压信号(0.01V/0.1V/1V)分别由滑动变阻器分压得到.

5.3 交流信号放大测试

测试方法:

(1) 从函数发生器输入频率为10KHz且幅值可变的交流电压信号(0.01V/0.1V/1V)至测试输入端, 然后用双踪示波器测试输出信号. 测试结果见表2.

表2 交流信号放大测试结果(信号频率为10KHz)

(2) 从函数发生器输入信号幅值为1V且频率可变的交流电压信号至测试输入端, 然后用双踪示波器测试输出信号. 测试结果见表3.

5.4 测试结果分析

由测试数据可知, 放大器增益控制, 交直流放大, 带宽和带负载能力等指标都达到了要求. 在测量输入信号幅值低于10mV时, 由于输入信号幅度过小、噪声的掩盖和仪器磨损等原因, 所以此项测试结果有误差.

6 总结

本文设计的系统实际输入信号有效值达到5mV, 在现有的仪器条件下, 信号幅度输出小时噪声大, 导致输出波形噪声较大. 放大器在驱动 10Ω负载时, 通频带带宽超过 100KHz, 带内失真小, 但功率放大器对扩流MOSFET需配对, 否则容易产生交越失真. 如果对功率放大电路进行改善, 就能拓宽带宽[6], 增大信号载体的容量.

[1] 陈亮名, 杨 昆. 基于宽带高增益的放大器设计[J]. 电子设计工程, 2014, 22(15): 146～148

[2] 赖小强, 李双田. 数字闭环自动增益控制系统设计与实现[J]. 网络新媒体技术, 2013, 2(3): 40～44

[3] 李怀良, 庹先国, 朱丽丽, 等. 中低频宽动态范围AGC放大器设计[J]. 电测与仪表, 2013, 50(566): 96～99

[4] 于国义, 张 乐, 崔先慧, 等. 用于CMOS图像传感器的AGC放大器设计[J]. 中国科技, 2013, 8(1): 10～13

[5] 李晓宇, 宫 平, 李杉杉, 等. 自增益电路在激光测距中的应用[J]. 电子设计工程, 2014, 22(18): 77～78, 83

[6] 陈铖颖, 黑 勇, 戴 澜, 等. 面向助听器应用的低功耗自动增益控制环路[J]. 微电子学, 2013, 43(4): 464～467

Design and Realization of Automatic Gain Control Amplifier

CHENG Wang-bin1, YANG Chen-ming1, JIANG Wu1, HE Li-miao2, SHE Kai-hua1, LONG Jie1
(1. College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Economics and Management, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

To achieve the stable output, amplifier system needs to be automatically regulated. This paper presents the automatic gain control amplifier system overall design, compares and demonstrates the main function module scheme. The hardware system and software system is emphasis designed in detail. Finally system is completely tested, and the testing results are analyzed. The results show that the system has good man-machine interactive performance and also the system is stable and reliable, in addition, and it is easy to control.

automatic gain control; MSP430 microcomputer; Dc amplifier; PGA2310

TN432

A

1672-5298(2015)02-0048-05

2015-04-05

程望斌(1979− ), 男, 湖北崇阳人, 硕士, 湖南理工学院信息与通信工程学院副教授. 主要研究方向: 光电子技术、学科竞赛