2014年江苏省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
日 期： 二〇一四 年 八 扬声器结构月 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：自动增益控制(AGC)电路广泛地应用于现代电子设备中，本系统设计一款AGC控制放大器。整个系统以VCA810作为核心压控放大模块，以TI公司的MSP430 5438A型单片机作为微控制器，以继电器实现输入信号量程切换，以AD637型模块作为检波电路实现信号和噪声的检测、以计数器实现频率的测量，以ADS1118型A/D芯片和DAC124S085型D/A芯片分 别实现模数和数模转换，基于TDA2030A实现音频功放电路，采用线性电源给系统供电。主要工作原理为，输入信号通过量程切换后进入压控放大模块或压控衰减电路，经A/D采样，输入至微控制器判断信号大小，据此控制开关电路进行量程分档，并输出控制信号至自动增益控制电路，以实现可控电平恒定输出。 经系统测试，设计要求的各项功能均达到， 性能指标良好。当输入信号幅度在
10mV~ 5V之间时，输出电压保持在2V0.2V内。能够在1V~ 3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距为0.2V。 关键字：AGC放大器 压控放大器 噪声检测 有效值检波
1、方案设计与论证
2、1.1整体方案
方案一：采用纯硬件电路实现，由VC810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VC810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。
优点：该方案理论简单，制作起来也相对容易，只有硬件电路。
缺点：稳定性差，精度不够，没有创新，通用性不好。
方案二：采用VCA810和430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电压，通过DA转化，对程控增益放大器VCA810的放大倍数惊醒调整，从而实现输出电压的恒定。
优点：该方案控制精确，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。
缺点：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无心磨床自动上料机控制模块
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了良好的基础，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。
MCS-51优点是控制简单，二缺点也明显因为资源有限，功能实现有困难，而且需要大量外扩单元。
台卡制作方案二：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。
MSP430的优点是资源丰富，操作语言灵活，但对编程的要求有所提高。
所以综合考虑，我们采用MSP430 5438A作为我们的主控制器。
1.3 开关电路
主要元件：op07(双极性运算放大集成电路) 、继电器
工作原理：根据H题的题意输入信号的幅度在10mV~ 5V之间，然而AD637采样电平在0.2V~
2V之间因此经小组讨论我们决定将输入信号分为四个档位。
第一档（1/5档）：先假设输入电压在1.4V~5V之间，并将输入电压衰减5倍，如果衰减后的电压在0.28V~ 1V之间则输入信号进入下一级，如果衰减后的电压不在0.28V~ 1V之间则进入第二档位。
第二档（x1档）：如果AD637反馈的电压在0.35V~ 1.54V之间则对输入信号不做处理，如果AD637反馈电压不在0.35V~ 1.54V之间则进入第三档。
第三档（x5）档：如果AD637反馈的电压在0.07V~ 0.25V则将输入信号放大5倍，此时AD637的采样电路在0.35V~ 1.25V之间。如果AD637反馈电压不在
0.07V~ 0.25V之间则输入电压进入第四档位。
第四档（x20）档：如果反馈电压在0.01V~ 0.07V之间则将输入信号放大20倍，此时AD采样电路信号范围在0.2V~ 1.4V之间。开关电路如图1所示：
图1 开关电路
1.4电压增益调整模块
方案一：使用AD603,AGC电路如图2所示：
图2 AD603
方案二：使用VCA810，AGC电路如图3所示：
图3 VAC810
相比之下 VCA810应用要简单些，调试起来方便些 而且电压也限制在+—5V，不会有+10V
比较符合之前的电路设计风格，程控增益方面VCA810 一个芯片 就足可以实现，满足要求-40db ---- 40db。所以我们选择方案二。
使用方法：
MCU通过DA转换后输入一个0 ~ -2V的直流电压到VCA810的VC（第三脚），VCA810提供-40DB~+40DB范围的增益。自动增益控制电路如图2所示：
图2 自动增益控制电路
1.5检波电路模块
AD637(DC转换器)描述：
AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz的输入信号。
与ADI公司以前的单芯片均方根转换器一样，AD637也为用户提供辅助dB输出。均方根输出信号的对数通过一个单独引脚输出，支持直接dB测量，可用范围为60 dB。用户利用外部编程的基准电流，可以选择0 dB基准电压与0.1 V至2.0 V均方根范围内的任何电平相对应。AD637模块电路如图3所示：
图3 仙台病毒AD637模块电路
1.6 比较电路
主要芯片：LM393
LM393是高增益,宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC(集成电路板integrated circuit，缩写：IC) 并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。比较电路如图4所示：
图4 比较电路
1.7 功放电路
功率放大器
根据功率放大器采用器件的基本特性，其增益Av=R74/R72+1，则增益带宽积约为100KHz，设计电压增益为6倍。
放大器稳定性
在放大器电路中为了提高运算精度，在电路中加了负反馈回路，而且负反馈越深，闭环特性越好。但是在级联运放放大电路中，当工作频率较高时，它所产生的附加相移可能会使负反馈回路的开环增益下降到1以前达到180°，使原来处于负反馈回路的放大器转变为不可控的正反馈状态，产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。放大器不自激，即放大器稳定的条件是：当时或时。电路模块如图5所示：
图5 功放电路
4. 测试结果与分析：
电源±12V供电，负载为8Ω电阻，经过测试得如下结果：
（1）适用频率
适用频率范围约为2Hz ~100KHz。
（2）最大输入峰峰值
最大输入（不失真）峰峰值约为Vin≈3.3Vpp。
（3）最大输出峰峰值
最大输出（不失真）峰峰值约为Vout≈19.4Vpp。
（4）最大输出功率
最大输出功率约为Pmax≈8.88W。
（5）功放效率
功放效率约为η≈66.2%。
1.8电动雕刻刀噪声检测电路
主要芯片：LM358
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358该型号，市场上比较常见，在各大网站上，搜索比较频繁，价格一直相对平稳。有些分析人士，还把该型号归类为电源电路，因为它使用范围比较宽。LM358最近一段时间市场销量比较稳定，主流品牌是TI、NS、国产品牌，国外品牌的价格一直相对偏高，最新报价有小幅度下滑，在0.4-0.7元/PCS区间波动。国产品牌价格就非常低，相比月初，价格同样也有了小幅度下滑，网络报价一般在在0.13-0.15元之间波动。噪声检测电路如下图6所示：
图6 噪声检测电路
二．理论分析及计算
2.1增益积计算
设计目标输出电压变化范围1.8V～2.2V，而输入信号为防鼠器100mV～5V,我们选定输出幅度为2V，即Av在2～20倍，根据程控增益调节放大器的连接方式可知，增益的计算公式为G=(40Vg+10)dB,带宽90MHz。所以将AD采集得到的输出电压Vout,与预置电压进行比较，调整Vg大小，来改变增益，从而实现输出幅值稳定在某一个数值。
2.2后级缓冲及稳幅
因为要用到单片机内部的AD采样功能，所以一定要保证单片机的安全，在通过峰值检测电路的检测之后，把检测到的峰值经过一个后级缓冲电路再接一个3V稳压管之后送给单片机，既保证单片机端口的安全，同时把电路与单片机隔离。
3、系统总体设计
3.1系统整体设计框图
系统整体框图如下图4所示。
3.2软件流程图
系统软件流程图如图6所示，开发板系统初始化后，预置输出一个控制电压，然后启动AD转化，采样得到输出信号，然后与标准电压比较，修改增益控制电压，稳定输出电压。
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