自动增益直流放大器.docx
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自动增益直流放大器
1.绪论
1.1自动增益控制简介
使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。
实现这种功能的电路简称AGC环。
AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。
增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。
控制电压形成电路的基本部件是AGC检波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。
放大电路的输出信号u0经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压uc。
当输入信号ui增大时，u0和uc亦随之增大。
uc增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。
放大电路增益的控制方法有：
①改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数β。
②在放大器各级间插入电控衰减器。
③用电控可变电阻作放大器负载等。
AGC电路广泛用于各种接收机、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内，因而也称自动电平控制；用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制器。
AGC有两种控制方式：
一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC.正向AGC控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。
AGC——AutomaticGainControl的缩写。
所有摄象机都有一个将来自CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。
为此，需利用摄象机的自动增益控制（AGC）电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。
具有AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。
这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。
1.2设计目的
加深对模拟电路、数字逻辑电路、通信电子线路等相关课程理论知识的理解与工程实际运用，掌握电子系统设计的基本方法和一般规则，培养学生的创新思维能力和综合应用能力，要求学生完成一个电子系统设计的全过程：
选题-方案论证-电路设计-电路实现-安装调试-系统测试-总结报告。
1.3设计内容
1.查阅资料，确定设计任务的设计方案；
2.设计电路，进行参数计算；
3.用ptoteus软件进行仿真；
4.电路的安装、调试与测试；
5.写出设计总结报告。
1.4设计要求
输入信号为0～1V时，放大3倍；为1V～2V时，放大2倍；为2V～3V时，放大1倍；3V以上放大0.5倍；自制直流电源。
2.系统总体设计
2.1设计方案
1.设计方案：
将设计电路分为三块，即：
电压比较电路，增益选择电路，放大电路。
电压比较电路：
通过电压比较器将输入电压（vi）与既设定的比较范围比较，确定其放
大倍数；
增益选择电路：
根据译码器和模拟开关的逻辑功能对反馈电阻进得到不同的反馈电阻；
放大电路：
由一般运放构成的负反馈放大电路。
2.1电路流程图
电压比较器
输入信号
模拟开关
运放
反馈电阻
输出信号
电路流程（图1）
3硬件设计
3.1电压比较电路
3.1.1电路参数
电压比较电路的工作原理：
当反向输入端的电压值大于同向输入端的电压值时，电压比较器输出为VCC（+12V），反之则为VEE（-12V）。
在数字电路中，大于0V的电压都认为是高电平1，相反为0。
这里选择的都是1K的电位器，用于选择比较器的阈值电压。
选定的阈值电压分别为1V、2V、3V。
电压比较器的存在使得信号从模拟量转变为数字量，进而加以运算。
3.1.2电路原理图
电压比较电路（图2）
3.2.增益选择电路
3.2.1电路参数
这里用来选择电路的是模拟开关CD4051。
CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。
三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。
3.2.2电路原理图
增益选择电路（图3）
本实验模拟开关的工作情况：
输入信号
A
B
C
导通的端口
放大效果
0～1V
1
1
1
4（X7）
放大3倍
1～2V
1
1
0
12（X3）
放大2倍
2～3V
1
0
0
14（X1）
放大1倍
>=3V
0
0
0
13（X0）
放大0.5倍
本实验模拟开关的工作表（表1）
3.3放大电路
3.3.1电路参数
本实验所用的放大电路为LM324加负反馈的放大电路，Vo=-Rf/R1*Vi。
R1=1K欧，Rf用的是5K欧的电位器（由于调试时，放大3倍的效果不明显，所以在其电位器旁有串联了一个4.7K欧的电阻。
另外，为了不使其输出电压为负值，又加了一个放大倍数为-1的放大器。
3.3.2电路原理图
放大电路图（4-1）
放大电路图（4-2）
3.4系统总体电路
系统总体电路（图5）
4.仿真
仿真时，我分别输入了0.5V，1.5V，2.5V和4V四个信号，经过调节反馈电阻，输出结果分别如图所示：
仿真（图6-1）仿真（图6-2）
仿真（图6-3）仿真（图6-4）
由上面四幅图可以看出，输出信号与输入信号之间的倍数关系与设计要求相符，所以仿真成功。
5.所需元件
元件
数量
+12V直流稳压电源
1
电位器（1K）
3
电位器（5K）
4
LM324
2
CD4051
1
1K电阻
1
10K电阻
2
4.7K电阻
1
所需元件表（表2）
自制直流稳压电源电路图如下：
自制直流稳压电源电路（图7）
6.实物测试
实物测试时，发现放大3倍时，即使电位器调至最大，也无法达到三倍，经分析为反馈电阻太小，因而有串联了一个4.7K的电阻。
接着分别调节变阻器，使放大倍数逐渐符合题目要求。
下表为调节成功后所测量的数据：
输入信号
放大倍数
理论输出信号
实际输出信号
误差
0.56V
3
1.68V
1.61V
4.17%
0.74V
3
2.22V
2.18V
1.80%
0.88V
3
2.64V
2.67V
1.14%
1.15V
2
2.30V
2.24V
2.61%
1.44V
2
2.88V
2.89V
0.35%
1.68V
2
3.36V
3.42V
1.79%
2.04V
1
2.04V
2.00V
1.96%
2.29V
1
2.29V
2.25V
1.75%
2.70V
1
2.70V
2.68V
0.74%
3.07V
0.5
1.535V
1.52V
0.98%
3.54V
0.5
1.77V
1.77V
0.00%
3.98V
0.5
1.99V
2.02V
1.51%
实物测试数据表（表3）
7.总结
方案设计中的不足以及设计中遇到的问题：
1、仿真观察可知：
直流时显示的输出电压为负值，即运算放大器和电阻组成的负反馈放大结构获得的增益为负值。
可以在输出电压值的引线段加上一个增益为-1的运放，使得输出电压与输入电压相位相同，使得增益为正值。
2、直流放大中，在增益显示的仿真结果有微小的误差，然而在较大增益的显示结果中就没有误差。
误差是普遍存在的，只是去修正电路使其误差降到最小，但是自己还是没有找到减小误差的结果。
后来自己查阅资料知道：
同向输入端直接接地与同向输入端串联一个电阻之后接地之间的确会存在误差，但是对整个电路的功能不会产生实质性的影响。
通过本次实验设计，充分感受到数字电路和模拟电路结合设计电路的过程。
在电路设计中，通常可以把复杂的电路按原理和功能拆分为不同的板块，在相对简约方便的情况下选取设计方案，最后宏观整合便得到了相应功能的电路结构。
从总体方案构思，再到分部设计，最后得出自己整个的方案。
“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”，这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。
电子设计并不是简单的依靠一门课的知识，而是多种知识的融合贯。
希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些。
8.参考书目
[1]吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社.2009
[2]胡宴如.模拟电子技术.高等教育出版社.五版.2008
[3]谢自美.电子线路设计.华中大学出版社.三版.2006
[4]章忠全.电子技术基础实验与课程设计.中国电子出版社，1999
[5]郭培源.电子电路及电子器件.高等教育出版社，2000
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