自动增益控制放大器

2014年全国大学生电子设计竞赛

设计报告

参赛题目：自动增益控制放大器

题目编号：H

日期：二〇一四年八月十二日

至二〇一四年八月十五日

自动增益控制放大器（AGC）设计

摘要：本设计以可变增益放大器VCA810为核心，通过单片机MSP430控制各模块，实现电压增益连续可调，输出电压基本恒定。系统主要由可变增益放大器、MSP430单片机、AGC电路、功放电路、检波电路、比较器、噪声检测电路等组成。将输入信号经程控放大器进行调理归一处理，输入给程控增益调整放大器VCA810，将信号放大输出，通过有效值检波电路检测输出信号，并送给单片机AD采样，与理想输出信号数值进行比较，若有多偏差，则通过调整对VCA810的增益控制电压，来调整放大倍数，从而实现输出信号的稳定。整个设计使用负反馈原理，实现了自动增益的控制。

关键字：VCA810 MSP430 有效值检测自动增益控制（AGC）

一、方案设计与论证

1.1整体方案

方案一：采用纯硬件电路实现，由AGC和运放构成的电压比较器和减法电路实现。把实际电压与理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为AGC的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。

方案二：采用可变增益放大器和单片机结合，通过单片机对输出信号AD采样并转化为数字量，与理论输出电压值进行比较，得到差值转换为控制直流电压，通过DA转化，对放大器的放大倍数精确调整，从而实现输出电压的恒定。

方案一理论简单，只有硬件电路，制作起来相对容易，但其理论低端，精度不够，没有创新，通用性不好；方案二控制精确，自动控制速度快，系统可移植性强，功能改变和增加容易，对后期改善和提升电路性能有益。但需要软硬件配合，系统稍复杂。通过对两个方案的综合对比，我们选用方案二。

1.2控制模块

方案一：采用MCS-51。Intel公司的MCS-51的发展已经有比较长的时间，以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定3了良；好的基础，，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。

方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一个16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，基于闪存的产品系列，具有最低工作功耗，在

1.8V-3.6V 的工作电压范围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。

方案一采用MCS-51控制简单，但资源有限，功能实现有困难，而且需要大量外扩单元；而方案二MSP430资源丰富，操作语言灵活，但对编程的要求有所提高。综合考虑下，我们采用MAP430作为我们的主控制器。

1.3 程控可变增益放大器

方案一：LM358是由两个独立的高增益运算放大器组成。可以是单电源工作，也可以是双电源工作，电源的电流消耗与电源电压大小无关。应用范围包括变频放大器、DC增益部件和所有常规运算放大电路。利用模拟开关CD4051程控切换运算放大器反馈电阻从而改变放大器的增益，到达程控调理信号，将输入信号从

10mV~5V的信号调理到0~3.3V的范围，以便后续电路处理。该方案电路简单，单片机控制模拟开关程控调节增益方便，确点是：模拟开关的导通电阻较大（1KΩ）并且随着频率的变化而变化，增益出现非线性。

方案二：由于输入信号在10mV~5V变化，范围较大，所以利用程控可变增益放大器分段放大。程控可变增益放大器采用OP07作为可变增益放大器的放大芯片，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。程控可变增益放大器采用单片机控制四路继电器合理切换，达到自动分段测试输入信号，将输入信号调理到0.2V~1.4范围内，以便后续电路处理。

方案二具有低噪声、高增益的特性，而且调节方便，增益线性好，性能较方案一好，所以采用第二方案。

1.4 AGC电路

方案一：采用AD603。它提供精确的引脚可选增益，90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB，9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。两片AD603级联时，总增益的控制范围为84.28db。

图1.1 采用AD603的AGC电路

方案二：采用VCA810。可变增益放大器VCA810提供了差分输入单端输出转换，用来改变高阻抗的增益控制输入超过- 40DB增益至+40 dB的范围内成dB/ V的线性变化。从±5V电源工作，将调整为VCA810的增益控制电压在0V输入- 40DB 增益在-2V输入到+40 dB。

图1.2 采用VCA810的AGC电路

相比之下，VCA810应用要简单些，调试起来方便些，电压也限制在+—5V，不会有+10V比较符合之前的电路设计风格，对噪声的控制上，1片VCA810的性能要优于2片AD603。综合考虑下，选择方案二。

1.5功放电路

方案一：采用TPA3112D1集成功放，TPA3112D1是一款具有SpeakerGuardTM 的25W单声道、无需外加滤波器的D类音频放大器，运用在电视和消费类音频设备中。该芯片供电范围为8V~26V；采用H桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的LC滤波器的情况下直接驱动感性负载；输入的音频信号可以是差分形式，

其中在24V供电情况下，满负载驱动8Ω的桥接式扬声器，声音失真杭率仅为0.1%。

方案二：采用LF353运放作为输入级，LF353的总体电路设计还是比较简洁的，在功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益.。采用IAF530作为出极，它具有输出阻抗低，输出电流大的特点。

方案一为集成模块，使用方便，但其功率不够，幅度太大；方案二虽需要自己设计电路，但整个电路具有输入阻抗高输出阻抗低、声音失真小，完全适合600欧的负载到8欧负载的变化。故选用方案二。

2.1系统整体设计框图

图1.3 系统设计框图

2.2硬件原理图

系统硬件部分设计原理图如图1.4所示。