电子电路综合设计实验报告

电子电路综合设计实验报告课题名称：自动增益控制电路的设计院系：信息与通信工程班级：2012211112学号:2012210345班内序号：14姓名：廖雨农任课老师：廖滨、 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、自动增益控制、反馈三、实验任务1、基本要求：设计实现一个AGC电路，设计指标以及给定条件为：（1）电源电压：9V；（2）输入信号：0.5mV50mV；（3）输出信号：0.5V1.5V；（4）信号带宽：100Hz5kHz；（5）设计该电路的电源电路。2、提高要求：（1）设计一种采用其他方式的AGC电路。（2）采用麦克风输入、8口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。四、设计思路及总体结构框图1、电路结构框图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，如图本实验电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效实现AGC 的功能。图3中，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。可变电阻采用基极一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V2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。对正电流的I所有可用值，晶体管Q1的集电极一发射极饱和电压小于它的基极一发射极阈 值电压，于是晶体管工作在有效状态。短路晶体管的VI特性曲线非常类似于PN二极管，符 合肖特基方程，除了稍高的直流电压值外，器件电压的变化与直流电流变化的对数成正比。 因此，对于VI曲线上所有直流工作点，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比， 换句话说，器件的微分电导直接与电流成正比。由于在其工作状态下，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，微分电阻都遵守这 一规则。因此，图3中V2的变化就会改变电流I,并控制R1-Q1分压比。耦合电容C1和C2将电路 的衰减器与输入信号源和输出负载隔离开来下图为一个典型的小信号双极晶体管的短路VI 特性，图中显示，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。2、驱动缓冲电路驱动缓冲电路如图5所示，输入信号VIN驱动缓冲极Q1，它的旁路射极电阻R3有四个作 用：首先，它将Q1的微分输出电阻提高到接近公式(1)所示的值。RD1rbe+(1+prcerbe)(R3/rbe) (1)该电路中的微分输出电阻增加很多，使R4的阻值(27kQ )几乎可以唯一地确定整个输出电 阻。其次，由于R3未旁路，使Q1电压增益降低至：AQ1= 8 R4/(r施+(1+0)R斜R4/R3(2)第三，如公式(2)所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流一电压驱动的线性响应。第四，Q1的基极微分输入电阻升至RdBASE=rbe+(1+/3)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 。0驱动缓冲电路3、直流耦合电路直流耦合互补级联放大电路如图6所示，Q2和Q3构成了直流耦合互补级联放大电路，为 AGC电路提供了大部分的电压增益。R14是1kQ电阻，将发射极输出跟随器Q4与信号输出 端隔离开来。必要时，R14可选用更低的电阻，但如果R14过低，则大电容的连接电缆会使 Q4进入寄生振荡。&4、AGC反馈电路AGC反馈电路如图7所示，电阻R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图3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的共发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，其阻值可以选大些，从而能够有 较长的AGC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。当把大的C3值和Q6的最小微分电阻作比较时，即最大信号波幅在完全控制下，其电抗对 最低频率信号频谱成分而言是可以忽略的。D1和D2构成一个倍压整流器，它从输出级Q4 提取信号的一部分，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决定了 AGC的开始时间，若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数 产生极点，导致不稳定。电阻R17决定AGC的释放时间。为确保对高频信号的良好响应， D1和D2可以使用肖特基或快速PN硅二极管。（如上图）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，用耐压较高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。如图7所示，在P1输入信号的负半周，二极管D2导通，D1截止，电流经过D2对电路中 的电容C7充电至接近信号峰值，并基本保持不变；在输入信号的正半周，二极管D1导通， D2截止，此时，加在C7上的反向电压和输入电压共同通过D1对电容C6充电，充电电压 峰值为加在D1两端的电压峰值。如此反复充电，C6上的电压就基本上就维持在加在D1、D2上的交流电压峰值两倍。故称倍 压整流电路。5、总体电路设计完整的AGC电路如图8所示，有效的AGC范围为0.5mV至50mV输入电压，即40dB动 态范围。在这个输入范围内，输出电压的变化不超过5dB，正弦输入信号从0.5mV至50mV 步长变化时的AGC开始时间约为0.3秒，从50mV输入至0.5mV的AGC释放时间约为100 秒。该电路主要由输入前级、中间直流互补级联放大级、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后端之间，使信号自动衰减为一 定的值（小幅波动），实现自动增益控制。五、电路仿真和测试1、Multisim电路仿真图VCC-LC2 T100UF_LC6丁 22叩F一邱C8-1kQ 10pFC9 3.3pF9.0VC7 1000pFR17 1.5kaR18 1.8MQ2N5551输出波形图:2、电路测试测试方法：输入端接输入信号，电压有效值0.550mV，频率在100Hz5KHz,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。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；由测出的数据可以计算出增益，同时可见，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；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；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。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。f/HzVi/mV?mS10010003000500050.740.740.740.74100.760.760.76.0.76200.780.780.780.78300.800.800.800.80500.840.840.840.84六、故障和问题分析首先，这个电路的搭建前前后后就花费了我不少时间，我一共搭了三次。第一次，电路没有输出波形。然后我仔细检查，认真排查导线、电阻、电容、三极管布局情 况，简化了导线，合理安排电路布局，第二次就出现了输出波形，但存在明显失真。在保证 电路搭建方面没有问题，我合理怀疑是元器件的原因，因为好多跟理想电阻值相同的电阻并 没有，所以前两次我都是大致近似了一下。第三次，通过电阻的串接或者并接，我精确阻值， 最终实验成功。整个实验过程中，我主要解决了两个故障。第一个，信号严重失真。通过测量，我发现静态 工作点有问题。解决方法：阻值的调整。第二个，输出信号不会自动调节。解决办法:AGC 反馈回路出现问题，经排查，发现电容电压不对，说明二极管接反，反馈的信号无法对电容 充电。七、总结和结论1. 本实验综合性较强，考察了理论分析与动手实践的综合能力，让我们通过实验，更深的理 解了模拟电路的知识精髓。2. 本实验采用了反馈式自动增益控制电路，主要由输入缓冲级、直流耦合互补级联、信号输 出级、倍压整流与反馈几个部分组成。倍压整流与反馈实现了自动增益控制的功能。3.由 于自动增益控制电路比较复杂，我们在实验中应该学会整体协调与局部分析。当电路的 输出电压波形不符合预期时，要合理利用各种资源分析实际的输出与理论分析或仿真的输出 之间的差距来找出故障。例如当输出不能实现自动增益控制时，可以基本确定是倍压整流与 反馈的电路出现问题。这样可使我们缩小排查的范围，提高实验效率，同时加深对电路每一 部分具体功能的理解。4. 实验要求的输入信号较小，要求我们对示波器的使用相当熟练才能调整出完美无噪声的波 形，加深了我们对示波器使用的掌握程度。5. 本实验需要我们有较强的动手能力和统筹安排能力。在连接电路前，应该先将元件清单列 出，统一整理好后做好标注以便在后期连接电路的过程中选择或更改元器件。另外，在连接 电路之前，应该先设计好具体的电路布局，使得整体清晰美观，这样可以避免不必要的返工。6. 输出的信号电压峰峰值基本为2.9V，以很小幅度波动，在实验要求的范围内，输出信号 带宽大约为50Hz225KHz，覆盖要求的频率宽度，可以处理很宽频带的信号，说明该电路 对信号处理能力强，但选择性差。此次模电实验让我收获很多，期间我巩固了书本上的理论知识，更学到了教材上没有的电路 查错和调试技巧，将理论与实践相结合让我对电路的理解又更进一步。更重要的是这个实验 教会我要有坚持不懈、严谨求实的态度，把每一步做好，踏实不急躁就能得到预期结果。八、仪器和元器件名称数量数字式万用表1台稳压电源1台示波器1台集成运算放大器2个PNP三极管（8550）1个NPN三极管（8050）5个二极管（1N4148）2个电阻电容若干其他九、参考文献1 电子测量与电子电路实践北京邮电大学电路实验中心2 百度文库