基于VCA810的宽带自动增益放大器.docx
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基于VCA810的宽带自动增益放大器
课程设计任务书
学生姓名：
潘琪专业班级：
电子0902
指导教师：
洪建勋工作单位：
信息工程学院
题目：
基于VCA810的宽带自动增益放大器
初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；能够根据需要自行设计电路并对进行仿真分析；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
要求完成的主要任务：
1.用VCA810完成自动增益控制放大器的设计；
2.能熟练使用OrCAD软件对所设计的电路进行仿真；
3.制作出实物并进行测试，记录下测试结果并分析；
4.完成课程设计报告（应包含电路图，仿真分析、调试及设计总结）。
时间安排：
1．2013年1月11日集中，布置课程设计任务、选题；讲解课程设计具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课程设计答疑事项。
2．2013年1月14日至2012年1月24日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。
3.2013年1月25日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要I
AbstractI
1理论分析1
1.1自动增益放大器简介1
1.1.1主要特点和应用范围1
1.1.2常见的实现方法1
1.2自动增益放大器原理分析1
2.1.1工作原理和结构分析1
2.1.2主要性能指标1
2.1.3设计要点1
3电路分析和参数计算1
3.1电路各部分分析1
3.1.1压控增益放大器部分1
3.1.2电压比较电路1
3.1.3幅值检测电路1
3.1.4低通滤波器电路1
3.2总体电路的确定1
4关键部分仿真1
4.1幅值检测部分1
4.2滤波器部分1
5电路的制作、调试及相关参数的测定1
5.1制作和调试过程1
5.2相关参数的测定1
5.3对结果的分析1
6总结1
参考文献1
附录一：
总体原理图1
附录二：
PCB图层1
摘要
自动增益放大器，即AGC，广泛用于信号调理的中间级，来保证信号幅度的稳定性。
该放大器采用TI公司的高性能压控增益放大器VCA810作为核心器件，辅助以其它高性能器件，共同组成了一个宽频带，高精度，大增益调解范围的高性能自动增益放大器。
不仅有较大的学习意义，而且实用价值也很大。
关键词：
自动增益，放大器，信号调理，压控增益
Abstract
Automaticgainamplifier,namelyAGC,widelyusedinsignalconditioningoftheintermediatestage,toensurethestabilityofthesignalamplitude.ThisamplifierbyTIcompany'shighperformancepressurecontrolgainamplifierVCA810asthecoredev-ice,aidedbyotherhigh-performancedevice,composedabroadband,highprecision,largegainmediationrangeofhighperformanceautomaticgainamplifier.Notonlyhavegreatlearningsignificanceandpracticalvalueisverybigalso.
Keywords:
Automaticgain,amplifier,signalconditioning,voltagecontrolgain
1理论分析
1.1自动增益放大器简介
1.1.1主要特点和应用范围
信号采集是工程测试中经常会遇到的问题，它是信号处理技术的关键环节。
在进行采样和量化时,由于频率混迭和信噪比，采集的信号会产生系统误差和随机误差而导致信号失真。
为了保证信号采集的精度，对采样前的模拟信号必须进行适当的调理，即对模拟信号进行滤波和放大，以便充分利用模/数转换器的动态范围。
但由于信号变化的幅度一般都比较大，如果采用单一的增益放大，放大后的信号幅值很有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号幅值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，希望放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。
于是自动增益控制放大器就出现了。
在输入信号的幅值在一定范围内变化时，它能保持输出信号的幅值变化很小，这样就能方便后级信号处理电路的有效工作。
这就是自动增益控制放大器最主要的特点，也是其最主要的功能。
除了在信号采集中的应用，它还应用在其它很多不同的领域。
如无线和有线的发射机和接收机中，光纤通信中的光发射机和接收机中等等。
只要是要求信号的幅度稳定的场合都会用到自动增益控制放大器，只是相关的性能参数不同而已。
下面就以信号采集系统为例简单介绍它在其中的位置和作用。
如图1为一典型的信号采集系统的结构框图。
图1信号采集系统框图
可见自动增益控制位于信号调理部分，对于后面的A/D采样部分的采样效果影响很大。
保证信号的幅值既不能超过A/D采样的最大值，又要尽量接近最大值，这样获得最大的采样效果，最大限度的利用资源。
于是就需要自动增益控制放大器来完成这一功能。
1.1.2常见的实现方法
常见的实现方法有基于模拟电子技术的模拟自动增益控制器和基于数字电子技术的数字自动增益控制器。
如图2为自动增益控制器的简要结构。
图2自图2自动增益控制器结构
其实它们的主要区别在于控制电压的产生，控制电压的产生方式决定了自动增益控制器的一些主要性能，因此十分关键。
模拟自动增益控制器是采用的模拟滤波器及比较器来实现控制电压的产生，因此设计会比较复杂，不过完成之后总体上还是简单可靠，性能稳定的。
数字自动增益控制器是采用ADC来检测输出信号的幅值，通过软件计算比较，然后再用DAC来产生控制电压。
设计上简单灵活，易于修改，精度较高，不过硬件复杂，可靠性不高。
1.2自动增益放大器原理分析
2.1.1工作原理和结构分析
本系统是采用的模拟自动增益控制器，主要是考虑到硬件电路简单，而且用到的是学过的知识。
下面就详细分析一下模拟自动增益控制器，如图3为模拟自动增益控制器的详细框图。
图3模拟自动增益控制器框图
图中，可控增益放大器的放大倍数AV受控制电压VC的控制，闭环后系统对AV进行自动控制。
环路中电平检测电路检测出反映信号电平的平均值，通过低通滤波器（LPF）后，在比较器中与参考电平VR相比较，产生控制信号VR去控制AF。
若输入电压幅度Vi增加或电路参数变化使增益变大而导致Vo增加时，环路产生一控制信号，使AV减小；反之，在各种因素造成Vo减小时，环路也会产生控制电压VC，使AV增加。
即通过环路控制作用，无论Vi变化或系统参数变化，输出信号电平Vo都将保持在由VR决定的电平上几乎不变。
2.1.2主要性能指标
自动增益控制电路的主要性能指标有三个，分别是动态范围、响应时间和信号的频率范围。
动态范围：
自动增益控制电路利用偏差信号控制输出信号，当输入信号在一定范围内变化时，自动增益控制电路能够大大减小输出信号幅值变化，但是当电路达到平衡状态，自动增益控制电路的输出信号仍会有误差。
对于自动增益控制电路，一方面希望输出信号变化越小越好，即要求输出动态范围小；另一方面希望容许的输入信号变化大，即希望输入信号的动态范围大。
在给定的输出信号动态范围内，允许的输入信号动态范围越大，表明自动增益控制电路的动态范围越宽，性能也就越好。
响应时间：
自动增益控制电路通过可控增益放大电路调节增益，实现对输出信号电平控制，而增益的变化又由输入信号的变化决定。
自动增益控制电路的响应既要跟得上输入信号的变化速度，而又不至于发生反调制现象，这就是自动增益控制电路的时间响应特性。
信号频率范围：
信号的频率不同，幅值检测电路和低通滤波器电路的工作情况就不同，太高或太低都不能正常工作。
因此频率范围是有限的，一般是根据信号的特点专门设计这部分电路。
2.1.3设计要点
上面已经说到了自动增益控制电路的主要性能有两个都与幅值检测电路和低通滤波器电路有关，因此设计自动增益放大器很大的一部分工作都落在了这两部分电路的设计上了。
这次设计制作的是宽带的自动增益放大器，故幅值检测的工作频带应该比较广，而且低通滤波器的截止频率也应该很低，这样才能满足要求。
3电路分析和参数计算
3.1电路各部分分析
3.1.1压控增益放大器部分
自动增益控制放大器的增益之所以能够改变，其关键在于有一个增益可控的放大器单元，常用的是压控增益放大器。
它具有一个电压控制端，放大器的增益与该引脚的输入电压直接相关，反馈回来的电压就是从这里输入来达到调控目的的。
在前面已经介绍过了，自动增益控制电路的动态范围这一关键参数主要取决于压控增益放大器的性能。
美国TI公司所生产的高性能压控增益放大器中有一款叫做VCA810。
该芯片的增益调节范围为-40dB-+40dB，带宽较为稳定，在25MHz以上，控制电压范围为-2V-0V。
如此理论上的输入动态范围可以做到80dB，这样性能就十分优越了。
如图4所示为压控增益放大器部分的电路图。
图4压控增益放大器
电路上有两个输入端：
Vi和VC及一个输出端VO，与上面框图上的各信号是对应的，这样第一个核心部分的电路就这样确定了。
3.1.2电压比较电路
说到电压比较，可能首先想到的就是电压器，但在这里并不合适。
电压比较器是专为电压比较而设计的，反应速度快，不能很好的输出稳定的控制电压。
而此电路的频带较宽，在低频时反应速度过快就难以稳定。
因此这里是用一个运放来完成这一任务的，而且不是让运放工作在开环状态，而是工作在闭环状态的。
这样能在低频时获得比较好的调控效果，避免了因速度过快而难以稳定的现象。
如图5就是电压比较电路的电路图。
图5电压比较电路的电路图
输入的电压是分别是经过幅值检测和低通滤波后VDC和设置电压Vset，输出电压为VC，这样的接法与VCA810的增益调节方式一同构成了负反馈。
这样电压比较电路也确定了。
3.1.3幅值检测电路
幅值检测电路的构成方法有很多，有简单的二极管峰值检测，也有复杂的真有效值检测。
由于对输出电压的检测精度要求不高，而且为了简化电路，同时现有的集成解决方案中难以做到较宽的频带。
因此就采用了二极管峰值检测法。
如图6所示为这一部分的原理图
图6幅值检测电路
输入信号为整个系统的输出信号VO，输出信号为VP，运放的加入是为了防止该电路影响整个系统的输出，DF1、C7、R5和C8构成了峰值检测电路，DF2是为了补偿DF1的压降。
整个电路的输出是带有交流的波动的，这也是为什么要再加入一级低通滤波器的原因。
这样幅制检测部分也设计完了。
3.1.4低通滤波器电路
前面也讲到了加入低通滤波器的原因了，其中的交流成分的频率就是系统输出信号的频率，故低通滤波器的截止频率要低于信号最低的频率。
这里就采用一个特殊的低通滤波器来实现的，如图7为该滤波器的原理图。
图7滤波器电路
把运放构成的差动放大器进行简单的改进，就构成了如上的低通滤波器。
该滤波器的截止频率很低，是一个典型的一阶低通滤波器。
很容易求得：
截止频率
fO=（式1）
去图上的参数可以算出来该低通滤波器的截止频率为83mHz，由一阶低通滤波器的衰减特性可得在8.3Hz时具有高达40dB的衰减，有效的抑制了交流成分的干扰。
这样输出电压VDC就是十分稳定的直流信号了。
到此所有的单元电路都已设计完毕了。
3.2总体电路的确定
在单元电路设计完成之后，就可以将它们整合到一起，来组成一个完整的系统。
在组合的过程中还有一些要改进的。
具体的改进如下：
在输入端加上阻抗匹配，为了让系统更稳定，避免因传输线效应而产生振荡及其它不稳定现象。
而且输入是采用的SMA连接器，最大限度的保证信号的有效输入。
在反馈的回路上加入一些RC滤波器，这样进一步减小噪声和交流信号对系统工作效果的影响。
同时采用高性能的低噪声放大器来承担滤波和比较的任务，进一步减小噪声。
在输出加上了一级放大来获得更大的输出，同时也起到一定的隔离作用，避免因为负载的变化而影响压控增益放大器的正常工作。
在输出同样加入了阻抗匹配的部分，输出的接口也是采用的SMA连接器，这样最大限度的保证了信号的不失真传输。
在电源去耦方面也做到了在电源的输入端和每个芯片的电源引脚都有去耦电容，去耦电容为10uF和0.1uF搭配使用，这样可以获得更好的效果，保证系统有效工作频带内的电源去耦效果。
这样整个电路就全部设计完成了，系统的总体电路图见附录一。
4关键部分仿真
4.1幅值检测部分
按照之前设计的原理图在OrCAD中画好仿真图，仿真图如图8所示。
设置好相关参数，然后对其进行交流瞬态分析，分析的结果见图9.
图8仿真原理图
图9仿真结果
在图中可以看得很清楚，仿真开始后，电容充电，大概到50ms的时候就可以稳定了，最终的结果虽然有点误差，但这个误差是恒定的。
用于AGC电路是可以很正常工作的。
4.2滤波器部分
同样也用OrCAD画好仿真图，仿真图如图10所示。
设置好相关的参数后对其进行仿真。
不过这个仿真有两个步骤，由于是滤波器，先对其进行交流分析，然后在对其进行交流瞬态分析。
分析的结果如图11和图12所示。
图10仿真原理图
图11仿真结果
图12仿真结果
仿真的结果也很清楚，在交流仿真的结果中可以看到其截止频率与理论计算的一致，而且衰减特性也是相同的，是典型的一阶低通滤波器的衰减特性。
在瞬态仿真中可以看到在输入信号为100mV，1kHz的信号时，输出的波动只有几微伏，抑制效果是非常明显的。
总体而言，仿真的结果都是符合要求的。
由于一些条件的限制，不能对整体的电路进行仿真。
不过由于理论研究比较清楚，可以直接进行制作了。
5电路的制作、调试及相关参数的测定
5.1制作和调试过程
为了最大限度的提高电路的性能，减少分布参数对电路的影响，电路上的元件除少数为直插元件之外，所有核心元件和电阻电容都是采用的贴片封装。
这样就必须为其设计印制电路板（PCB），PCB的设计可以采用比较有名的Altiumdesigner来设计。
该软件功能十分强大，完全能胜任此项任务。
关于PCB设计和制作的详细过程就不详述了，这不是本文的重点。
设计好的PCB见附录二。
设计制作完毕后，先进行一些常规的检测，确认不误后就可以按如下的步骤进行调试了。
先不连反馈回路，给控制端加固定的电压，看放大器的工作是否正常。
这部分完成后就可以测试幅值检测单元。
通过改变输入信号的幅值就可以得到不同幅值的输出，这时用示波器观察幅值测量电路的输出。
还可以改变信号的频率来观察效果，这部分的结果是能达到一个基本稳定的直流信号，而且它的大小与信号的幅值呈线性关系。
滤波器电路需要单独测试，有信号源为其输入一个带直流偏置的交流信号，然后用示波器观察滤波器的输出，也可以改变输入信号的各种参数来测试滤波器的效果。
最终结果是能得到一个稳定的直流信号，该信号为原信号直流电平的0.9倍，几乎看不到任何交流成分。
前面的电路都正常了，就可以把它们连好来测试整体效果了。
这时可以用示波器观察控制电压的变化情况。
至此调试过程就完成了，可以对相关的参数进行测量了。
5.2相关参数的测定
调试完成后就可以测试AGC的一些关键参数了，整个过程中，系统的供电为±5V。
先测量的是动态范围，设定输入信号频率为10kHz，输出为1.8VP-P，用示波器来观察输出，具体参数如表一所示。
表一：
AGC的动态范围测试
输入幅值（V）
0.01
0.02
0.05
0.1
0.5
1
5
10
输出幅值
（V）
1.63
1.64
1.66
1.68
1.74
1.80
1.82
1.86
测试完了AGC的动态范围之后，再来测量AGC的工作频率范围，设定输入信号幅值为500mV，输出为1.8V，测试数据见表二
表二：
AGC的工作频率范围测试
频率（Hz）
5
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
15M
幅值
（V）
1.80
1.88
1.84
1.80
1.80
1.80
1.82
1.70
1.54
5.3对结果的分析
用表一的数据可以计算出输入动态范围是大于60dB的，输出动态范围很小，仅为1.1dB，性能十分优越。
实际上性能还可以更高，只是受限于条件，信号源的幅值变化范围有限。
表二的数据可以直观的看到其频率范围为5Hz-10MHz的，足有六个数量级，适用频带很广。
在15MHz以上时，输出幅值有所下降。
在有限的条件下对该系统进行了简单的测试，总的来说性能是十分优越的，达到了最初的设计要求。
6总结
本次集成电路课设和以往的课设不同，这次课设的题目比较开放，可以自己出题。
这样更能检查自己的学习情况，同时也是一个更好的学习机会。
所以在制作电路是就会遇到很多意想不到的问题。
不过有了之前调试电路的经验和对理论知识的进一步学习，成功的制作出达到要求的作品还是不难的。
在查阅资料的过程中学到了不少知识，伴随着的是问题一个个的解决，这也是让人很值得高兴的一个过程。
像这样可以学到不少东西的课设已经剩下的不多了，在学校剩下的时间也不多了，应该抓住这样好的学习和锻炼的机会，为进入社会做好更好的准备。
参考文献
[1]吴友宇．模拟电子技术基础．北京：
清华大学出版社，2009.5
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[3]郑吉华．水中超声波接收机自动增益和信号处理技术．南京理工大学，2007.7
[4]袁夕君，张卫民．信号采集系统中自动增益电路的设计．铁路计算机应用，2004.2
[5]张立志，饶龙记，邬江兴．自动增益控制环路方程的一种简化处理方法及环路稳定时间分析．通信学报，2005.6
[6]黄争．德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南．上海：
德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部，2010.6
[7]贾新章等.OrCAD/Capture9实用教程。
西安电子科技大学出版社，1999
附录一：
总体原理图
附录二：
PCB图层
如下分别为总体效果、顶层布线层和底层布线层。
本科生课程设计成绩评定表
姓名
潘琪
性别
男
专业、班级
电子科学与技术0902
课程设计题目：
基于VCA810的宽带自动增益放大器
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 