毕业设计报告基于AD603的自动增益控制设计与实现.docx
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毕业设计报告基于AD603的自动增益控制设计与实现
题目名称:
_基于AD603的自动增益控制设计与实现
摘要
自动增益控制电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。
本课题主要研究AD603以及它在自动增益控制电路中的运用，设计了一个由AT89S51单片机控制的、利用AD603和运算放大器组成的自动增益控制电路系统，达到了本课题的研究任务。
本课题介绍了自动增益控制的概念原理以及AT89S51单片机的工作原理，最后对系统的测试结果以及设计与实现中应该注意的问题也做了详细分析。
关键词：
放大器；自动增益控制；电压跟随器；滤波器
ABSTRACT
Theautomaticgaincontrolelectriccircuithasbeenwidelyusedinallkindsofreceivers、taperecordersandsignalgatheringsystems,andalsobeenusedincommunicationssystemradar,thebroadcasttelevisionsystemandopticalfibercommunications,microwavecommunications,satellitecommunications.
ThistopicmainlystudiestotheAD603andtheapplicationintheautomaticgaincontrol,andmadeasystemcontrolbyAT89S51singlechip,thisautomaticgaincontrolsystemconsistofAD603andoperationalamplifier,thissystemreceivedtheassignmentofthistopic.
ThistopicalsointroducedintheconceptprincipleoftheautomaticgaincontrolaswellastotheprincipleofworkofAT89S51singlechip,anditpaysattentiontothequestiontothetestresultofthissystem.Finallywehavemakesomeanalysistothedesign.
Keywords：
AutomaticGaincontrol；AD603；AT89S51；SingleChip;OperationalAmplifier
目录
一 绪论 1
二自动增益电路 1
（一）自动增益的概念 1
1.自动增益控制（AGC） 1
（二）自动增益控制电路 1
1.AGC电路的目的与要求 1
2.AGC电路框图 2
3.放大器增益控制的方法 2
（三）AGC的性能指标 5
1.动态范围 5
2.响应时间 5
三 AD603及其运用 7
（一） AD603概述 7
1.AD603的特点、内部结构和工作原理 7
（2）AD603引脚排列、功能及极限参数 7
（二）高增益要求下的AD603级联应用 10
1.顺序控制方式（优化S/N） 10
2.并联控制方式 10
3.低增益波动方式（最小增益误差方式） 11
4.AGC实用电路 11
5.AD603注意事项 13
四 基于AD603的自动增益控制设计 14
（一）方案选择 14
1.放大及增益控制部分 14
2.有效值测量部分 15
3.自动增益部分 15
4..系统总体框图 16
（二）具体电路分析 16
1.输入缓冲及放大部分 16
2.峰值检波 17
3.自动增益控制 17
5.系统总图 18
五软件系统 19
（一）核心程序 19
（二）单片机控制过程 24
（三）系统调试 25
1.测试仪器 25
2.测试过程 25
结论 26
参考文献 27
致谢 29
一 绪论
随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展，自动增益控制电路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。
自动增益控制线路，简称AGC线路，A是AUTO（自动），G是GAIN（增益），C是control（控制）。
它是输出限幅装置的一种，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。
当输入信号较弱时，线性放大电路工作，保证输出声信号的强度；当输入信号强度达到一定程度时，启动压缩放大线路，使声输出幅度降低，满足了对输入信号进行衰减的需要。
也就是说，AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度，扩大了接收机的接收范围，它能够在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。
在电路设计中，这种线路被大量的运用，从尖端的雷达技术到日常的广播电视系统，自动增益控制无疑很好的解决了各种技术中存在的信号强度问题。
目前，实现自动增益控制的手段有很多，在本文中，主要研究的是如何以放大器来实现自动增益控制的目的，也就是自动增益控制放大器。
本系统设计利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围;通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度；输入部分采用低噪声,高速运放OP37作跟随器提高输入阻抗，使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。
二自动增益电路
在现代通信系统和电子设备中，为保证通信高度稳定，广泛采用了各种类型的自动控制电路，以改善设备的性能指标。
（一）自动增益的概念
1.自动增益控制（AGC）
自动增益控制能自动控制系统中某级或某几级放大器的增益大小，使电路或者系统能在外来信号强弱悬殊的条件下，保持输出电平为某一设定值。
它主要运用在各类通信、广播、报警等系统中。
自动控制的基本组成框架如图2-1所示：
图1.1自动控制的基本框架
（二）自动增益控制电路
自动增益控制电路是接收设备中不可缺少的电路。
自动增益控制电路在某种条件下，也称作自动电压（电平）控制电路。
1.AGC电路的目的与要求
接收机工作时，它所收到的信号强度有很大的差异，数值可能由几uA到几百mA，强弱之比约为103~104数量级。
假如接收机的增益是常数，则过强的输入信号则会引起大信号堵塞，增加混频的组合频率干扰及非线性失真，输入信号过强也会引起后级中频放大器的工作范围超出线性区进入饱和区或者截止区，使信号产生严重失真。
电视接收机若遇到这种情况，信号的同步脉冲会被压缩或者削去，导致同步失控。
使图像严重失真或者使图像同步不稳。
自动增益控制的作用是当输入信号强弱变化很大时，能自动保持接收机输出电压基本不变。
也就是，当输入信号较弱时，AGC电路不起作用，接收机的增益较大；当输入信号较强时，AGC电路进行控制，使接收机的增益自动减小。
对于AGC系统的要求主要有：
增益控制范围要大，例如电视接收机的AGC控制范围需在20～60dB以上；要保持整机良好的信号噪声比特性；控制灵敏度要高，如电视接收机，需在3dB以内；在控制增益变化时，被控放大器的幅频特性及群时延特性不能改变，使信号失真尽可能的小；控制特性受温度的影响要小。
2.AGC电路框图
图2-2所示的为带有AGC电路的调幅接收机电路结构框图。
从接收天线获得的调幅信号经高放、变频、中放等各电路的作用后，在检波输出端产生带有直流成分的音频信号或视频信号。
检波输出信号经过低通滤波器，滤出反映电台载波信号强、弱，即uA强、弱的直流成分，经直流放大后，去控制接收机放大器的增益。
受控制的放大器主要是接收机的前级或前几级中频放大器、高频放大器，有些接收机连变频器的增益也被控制。
通常，广播收音机只控制中放级的增益，电视接收机则先后控制中放和高放的增益。
对于一些简单的AGC电路，常常只有滤波器，不加直流放大器，如广播收音机就是这种情况，而在电视接收机中，毫无例外的都采用带有直流放大器的AGC系统。
图1.2 带有AGC电路的调幅接收机况图
3.放大器增益控制的方法
自动增益控制的方法很多，这里简单介绍几种。
（1）放大管工作点电流控制法
这种方法常常应用在广播收音机、电视接收机等的整机电路中，使用十分广泛。
小信号放大器的电压增益与放大管集电极电流ic的关系如图1-3所示。
图中，曲线可分为OP、PQ、QR3个区域。
①OP区域，称为反向AGC方式。
放大管工作在此区域时，增益会随ic的增加而增加，随ic减小而减小。
这种方式的特点是电流ic的数值小、省电，但在信号太强时，ic下降得太厉害，会进入放大管的非线性区域，造成信号的包络失真。
广播收音机中常用反向AGC方式，如图1-4（a）所示。
图中VAGC为负值，当电台信号强时，VAGC负值增加，使放大管的电流ic减小，导致增益下降。
图1.3ic与β的关系曲线 图1.4 改变ic控制放大器增益
②QR区域，称为正向AGC方式。
此区内，增益将随ic的增加而减小，随ic的减小而增加。
正向AGC专用管QR段曲线较陡，当外加信号过强时，ic增加不多，增益却很快减小，而非线性失真并不大。
电视接收机高频调谐器中的高频放大电路常常采用这种控制方式。
如图1-4（b）所示，VAGC为正值，电台信号强时，VAGC值增加，高放管的电流ic也增加，导致增益下降。
（2）放大管集电极电压控制法
晶体管的放大量（增益）与集电极供电电压Vce有直接关系，改变Vce可实现放大器的增益控制。
这种控制方法无论是在分立元件系统或是集成电路系统中均有应用。
图1-5是这种控制方法的一种典型电路。
图中，在电源供电电路里串入了较大的电阻R（阻值一般为几千），当电台信号增强时，VAGC增大，ic增大，Vce减小，从两个方面使增益下降，通常为正向AGC方式。
图1.5 改变Vce实现增益控制 图1.6增益的负载控制法
（3）放大器负载控制法
小信号放大器的增益还与负载直接有关，若能使负载受VAGC电压控制，也就实现了对放大器增益的控制，其原理电路如图1-6所示。
图中，在放大器负载回路两端并接二极管VD，在电台信号较弱时，VAGC值小，VD截止，对LC回路无影响，放大器增益较高，随着电台信号的增强，VAGC值增加，VD向导通方向变化。
其等效电阻会减小，使回路的损耗加大，总谐振阻抗降低，放大器的增益也随之降低。
（4）差动电路增益控制法
在集成电路中，广泛采用差动电路作为基本单元，其增益控制一般采用分流方式或采用改变射极负反馈深度方式。
图-7是典型电路之一。
这个电路是由两个单差动电路组合而成，信号us由VT3、VT2作共e-b组合放大电路放大，VAGC由VTl加入控制VT1、VT2的分流，达到控制VT2增益的目的。
这种双差动AGC电路被广泛应用在集成电路彩色电视接收机中的图像中放、色度放大、直流音量控制、直流对比度控制、色饱和度控制等的手控或遥控系统中。
图1.7差动电路增益控制法 图1.8双栅MOS管增益控制
（5）双栅MOS管增益控制
双栅MOS管增益控制典型电路如图7-8所示，它常用在电视接收机或调频接收机的高频放大电路中。
图1-8（a）中的高频信号由g1栅极输入，g2作AGC控制极。
双栅MOS管实质上可看成是两个场效应管作共源—共栅的级联，即s→g1→d1（s2）→g2→d。
由转移特性可知，在1V＜Vg1s＜1V范围内，ID曲线的斜率大，即放大器的增益高，且线性范围也宽，比晶体管优越得多，可克服大信号阻塞。
g2栅极电压的大小可以改变转移特性的斜率，即可以改变放大器的增益，这是VAGC在g2作增益控制的依据。
由双栅MOS管的特性可知，当Vg2s电压增加时，漏极电流ID升高，放大器的增益也升高。
因此，当电台信号减弱时，VAGC值增加而使增益升高，实现自动增益控制目的，此种控制属于反向AGC方式。
图（b）中，信号与VAGC电压均由g1栅极加入，双栅MOS管第一栅偏置电压的高低可直接控制漏极电流ID的大小，起到增益控制作用，其控制原理与晶体管相似，在此不赘述。
上述两种AGC电路在彩色电视接收机的高频放大器中得到广泛的应用。
（三）AGC的性能指标
AGC的性能指标主要有两个，一是动态范围，二是响应时间。
1.动态范围
AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间的电压误差的自动控制电路。
所以当电路达到平衡以后，仍会有电压误差存在。
从对AGC电路的实际要求考虑，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要求输出信号电压振幅的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅的变化范围越大越好。
因此，AGC的动态范围是在给定输出信号振幅变化范围内。
由此可见，AGC电路的动态范围越大，性能越好。
例如，收音机的AGC性能指标为：
输入信号强度变化26dB时，输出电压的变化不超过5dB。
在高级通信机中，AGC指标为输入信号强度变化为60dB时，输出电压的变化不超过6dB；输入信号在10uv以下时，AGC不起作用。
2.响应时间
AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制，而增益变化又取决于输入信号振幅的变化，随意要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。
对AGC电路的响应时间长短的要求，取决于输入信号的类型和特点。
根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。
而响应时间的长短的调节由环路带宽决定，主要是低通滤波器的带宽。
低通滤波器带宽越宽，则响应时间越短，但容易出现反调制现象。
所谓的反调制是指当输入调幅信号时，调幅信号的有用调幅变化被AGC电路的控制作用所抵消。
三 AD603及其运用
（一） AD603概述
很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。
在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。
AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。
它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。
管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。
该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。
1.AD603的特点、内部结构和工作原理
（1）AD603的特点
AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。
可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制、A/D范围扩展和信号测量等系统中。
（2）AD603引脚排列、功能及极限参数
AD603的引脚排列如图1所示，表1所列为其引脚功能。
序号
代号
说明
1
GPOS
正电压控制端
2
GNEG
负电压控制端
3
VINP
运算输入端
4
COMM
公共端
5
VPOS
正电压输入端
6
VOUT
运算输出端
7
VNEG
负电压输入端
8
FDBK
反馈端
表3.1 AD603引脚功能描述
图3.1 AD603引脚排列
AD603的极限参数如下：
电源电压Vs：
±7.5V；
输入信号幅度VINP：
+2V；
增益控制端电压GNEG和GPOS：
±Vs；
功耗：
400mW；
工作温度范围：
AD603A：
-40℃～85℃；
AD603S：
-55℃～+125℃；
存储温度：
-65℃～150℃
（3）AD603内部结构及原理
AD603内部结构图如图2-2所示。
AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF（31.07~51.07）的放大器、0~-42.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。
图3.2 AD603结构框图
AD603利用了X-AMP由一个0~-42.14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。
其中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6.02dB，可对输入信号提供0~-42.14dB的衰减。
X-AMP结构的一个重要优点是优越的噪声特性，在1MHz宽带，最大不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。
AD603的简化原理框图如图3-2所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。
图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。
增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。
以上特点很适合构成程控增益放大器。
图2中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。
当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。
当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-10～30dB。
当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为10～50dB。
如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。
AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。
（4）工作原理概述
信号从精密无源梯形网络的输入短输入，对输入信号的衰减量由高阻（50兆欧）低偏流差分输入的增益控制电路的控制电压VG（VGPOS-VGNEG）决定，即由VG控制梯形网络的“滑动触点”至相应的“节点”处，可实现0~-42.14dB的衰减。
固定增益放大器的增益GF通过VOUT与FDBK端连接形式确定，当VOUT与FDBK端短路连接时，GF=31.07dB；当VOUT与FDBK之间开路时，GF=5.07dB；在OUT与FDBK之间外接意的电阻REXT，可将GF设置为31.07~51.07dB之间的任意值。
值得注意的是，在该模式下其增益精度有所降低，当外接电阻为2千欧左右时，增益误差最大。
若在VOUT与FDBK端连接一个电阻可获得一个稍高的增益，最大增益约为60dB。
设计AD603的增益，可设置位三种形式。
模式一：
将VOUT与FDBK短路，即为宽频带模式（90MHz宽频带），AD603的增益设置为-11.07dB~+31.07dB.
模式二：
VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿。
根据放大器的增益关系式，选取合适的REXT，可获得所需要的模式一与模式三之间的增益值。
当REXT=2.15千欧时，增益范围为-1~+41dB。
模式三：
VOUT与FDBK之间开路，FDBK对COMN连接一个18uF的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，其增益范围为+8.92~+51.07dB，带宽为9MHz.
在以上三种模式中，增益G（dB）与控制电压VG的关系曲线如图2-3所示。
当VG在-500mV~+500mV范围内以40dB/V（既25mV/dB）进行线性增益控制，增益G（dB）与控制电压VG之间的关系为：
GdB）=40VG+Goi（i=1,2,3），其中VG=VGPOS-VGNEG（单位为伏特），Goi分别为三种不同模式的增益常量：
GO1=10dB，GO2=10~30dB（由REXT决定，当REXT=2.15千欧时，GO2=20dB），GO3=30dB。
当VG<-500mV或VG>+500mV时，增益（dB）与控制电压VG之间不满足线性关系,当VG=-526mV时，Gmin（dB）=GF-42.14；VG=+526mV时，Gmax（dB）=GF。
图3.3增益G（dB）与控制电压VG的关系曲线
（二）高增益要求下的AD603级联应用
在要求高增益的场合，可采用两片或多片AD603级联的形式，级间通常采用电容耦合。
两片AD603级联时，总增益控制范围为84.28dB=（42.14*2）.在级联应用中，有两种增益控制连接方式，即顺序控制方式和并联控制方式。
可根据实际应用情况选择，其选择取决于是要获得最高即时噪比还是优化增益误差波动。
1.顺序控制方式（优化S/N）
两片AD603级联的顺序控制方式是将两片AD603的两个正增益控制输入端（GPOS）以并联形式由一个正电压VG（GPOS对地的电压）驱动，而两级的负增益控制输入端（GNEG）分别加一个稳定的电压，使VG1 和VG2满足2*0.526V的点位差是，则第一级的增益达到最大值是,第二级的增益才从最小值开始提高。
在顺序控制方式中，ISNR（即时信噪比）在增益控制范围内维持可能的最高水平。
2.并联控制方式
两片AD603级联的控制方式是将两级的正增益控制输入端（GPOS）以并联的形式由一个正电压VG驱动，而两级的负增益控制输入端（GNEG）以并联形式接地或加一个稳定的电压，即VG1=VG2，于是两级的增益同步变化，并联控制方式在线性范围内的控制能力为80dB/V（40dB/V*2），即在较小的控制电压下便可获得较高的增益，其总增益是单片AD603的两倍。
但在并联方式工作时其增益误差是顺序控制方式的两倍，输出信造币随着增益的提高而线性降低。
3.低增益波动方式（最小增益误差方式）
由于即使在增益温度状态下也存在一定的增益误差，且呈现周期性的纹波状态，若设置两片AD603级联时所对应的VG1和VG2间存在合适的电位差（约93.75mV），即可使两级的增益误差相互抵消，以实现在所需增益范围内总增益误差最小。
4.AGC实用电路
AD603的原理可知，其增益控制VG若与输入信号成反比，便可实现AGC功能，获得AGV电路的增益控制电压，通常采用半波检测电路或RMS（有效值）电路。
本文结合实际应用给出了一种利用AD590与一只三极管等组成宽范围温度补偿的半波检测电路和两片AD603级联而构成的AGC实用电路，如图2-4所示。
图3.4 AGC实用电路
宽范围温度补偿的半波检测电路由温度传感器AD590（典型值为1A）、Q、R2和CAV构成，基本原理为：
在VOUT为正半周时Q截止，在VOUT为负半周时Q导通，流入CAV的平均电流Icav=Iad590-Iqc（温度在300K时，Iad590=300uA），当增益控制电压Vcav处于稳定状态时，在一个周期内Q中的整流电流的平均值必须与Iad590保持平衡，如果AD603的输出幅度太小以至于不满足改条件，则Vcav将迅速上升，引起增益提高，最终使Q充分导通。
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