北邮模电实验下 AGC自动增益实验报告 - 图文

电子电路综合实验

实验四 自动增益控制(AGC)电路的设计与实现

实验报告

姓名：曹爽 学号：2013210640 班级：2013211124 班内序号：06

2015年4月27日

目录

一、 课题名称 ............................................................................................................................. 1 二、 摘要 ..................................................................................................................................... 1 三、 设计任务要求 ..................................................................................................................... 1 四、 设计思路和总体结构框图 ................................................................................................. 1 五、 分块电路和整体电路的设计 ............................................................................................. 3 六、 实现功能 ............................................................................................................................. 7 七、 故障及问题分析 ................................................................................................................. 9 八、 总结和结论 ......................................................................................................................... 9 九、 电路图与实物图 ............................................................................................................... 10 十、 所用仪器及元器件清单 ................................................................................................... 12 十一、 参考文献 ........................................................................................................................... 12

一、 课题名称

自动增益控制(AGC)电路的设计与实现

二、 摘要

自动增益控制(AGC)电路的功能是在输入信号幅度变化较大时，将输出信号幅度稳限制在一个很小范围内变化的特殊功能电路，能使放大电路的增益自动地岁信号强度而调整。该电路广泛应用于广播电视、无线通信、光纤通信、传感器嗲安陆等。

本实验利用三极管设计并实现AGC电路，同时对AGC电路的原理和实现过程中出现的问题进行了详尽的分析。

关键词：自动增益、AGC、驱动缓冲、直流耦合互补级联、反馈 三、 设计任务要求

1、基本要求：

当音频输入信号在40dB的变化范围内，输出信号的幅度变化不超过5dB。 1）设计指标以及给定条件为：

输入信号：5～50mVrms； 输出信号：0.5～1.5Vrms； 信号带宽：100～5KHz；

2）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），并绘制完整的电路图。 2、提高要求：

1）设计一种采用其他方式的AGC电路；

2）采用麦克风作为输入，8Ω喇叭作为输出的完整音频系统； 3）如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；

4）测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。

四、 设计思路和总体结构框图

在处理输入的模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况；另外，在其他的应用中，如监控系统中的多个相同传感器返回的信号中，频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差甚多。某些情况下这类变动是可以预测的，能对预处理放大器的增益进行相应调整。但更多时候会遇到不可预知的信号，因而会因为非重复性事件而丢失数据。此时，可以使用带AGC的自适应前置放大器，使其增益能随信号强弱而自动调整，以保持输出的相对稳定。

自动增益控制电路的总体框图如图1所示，主要由驱动缓冲电路、级联放大电路、输出跟随电路和增益反馈电路4个部分组成。

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驱动缓冲电路 级联放大电路 输出跟随电路 增益反馈电路 图1

AGC电路的实现有反馈控制、前馈控制和混合控制等三种，典型的反馈控制AGC由可变增益放大器（VGA）以及检波整流控制组成，如图2所示。

VGA 输入 输出

检波整流控制

图2

本实验电路采用了一种相对简单而有效实现预通道AGC的方法，使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而相对简单而有效实现预通道AGC的功能。如图3，可变分压器由一个固定电阻R1和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。可变电阻采用基极-集电极短路方式的双极性晶体管微分电阻实现为改变Q1电阻，可从一个由电压源VREG和大阻值电阻R2组成的直流源直接向短路晶体管注入电流。为防止R2影响电路的交流电压传输特性。R2的阻值必须远大于R1。

C1R1C2R2VinQ1VREGVout

图3

对正电流的I所有可用值（一般都小于晶体管的最大额定发射极电流），晶体管Q1的集电极-发射极饱和电压小于它的基极-发射极阈值电压，于是晶体管工作在有效状态。短路晶体管的V-I特性曲线非常类似与PN二极管，符合肖特基方程（除了稍高的直流电压值外），即器件电压的变化与直流电流变化的对数成

2

正比。

因此，对于V-I曲线上所有直流工作点，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，换句话说，器件的微分电导直接与电流成正比。由于在其工作状态下，共射极连接的双极型晶体管的电流放大系数一般在100或100以上，在相当大的电流范围内，微分电阻都遵守这一规则。

因此，图3中VREG的变化就会改变电流I，并控制R1-Q1分压比。耦合电容C1和C2将电路的衰减器与输入信号源和输出负载隔离开来。图4为一个典型的小信号双极晶体管的短路V-I特性，图中显示，至少可以在五个十倍程范围内控制微分电阻，即控制幅度超过100dB。

图4

五、 分块电路和整体电路的设计

1、分块电路

I驱动缓冲电路

驱动缓冲电路如图5所示，输入信号VIN驱动缓冲极Q1，它的旁路射极电阻R3有以下4个作用：

(1) 它将Q1的微分输出电阻提高到接近

公式(1)所示的值。

RD1?rbe?(1??rcerbe)?R3//rbe? (1)

该电路中的微分输出电阻增加很多，使R3的阻值（27Ω）几乎可以唯一

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地确定这个输出电阻。

(2) 由于R3未旁路，使Q1电压增益降低，此时有

AQ1?－图5

?R4R?－4rbe?(1??)R3R3(2)

(3) 如公式(2)所示，未旁路的R3有助于Q1集电极电流－电压驱动的线性响

应。 (4) Q1的基极微分输入电阻升至RdBASE?rbe??1???R3，与只有rbe相比，它

远远大于Q1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。

II直流耦合互补级联放大电路

图6

直流耦合互补级联放大电路如图6所示，该部分利用直流耦合将Q2与Q3进行级联，为AGC电路提供了大部分的电压增益。R14是1kΩ的电阻，将发射机输出跟随器Q4与信号输出端隔离开来。必要时，R14可选用更低的电阻，但如果R14过低，则大电容的连接电缆会使Q4进入寄生振荡。

IIIAGC反馈电路

AGC反馈电路如图7所示，电阻R4构成可变衰减器的固定电阻，类似于图5中的电阻R1，而Q6构成衰减器的可变电阻部分。晶体管Q5为Q6提供集电极驱动电流，Q5的共射极结构只需要很少的基极电流。采用这种方法时，决定AGC释放时间的电阻R17阻值可以选大些，从而能有较长时间AGC释放时间。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。

当把大的C5值与Q5的最小微分电阻进行比较时，即最大信号波幅在完全控制下，其电抗对最低频率信号频谱成分而言是可以忽略的。D1和D2构成一个倍压整流器，它从输出级Q4提取信号的一部分，并为Q5生成控制电压。这种结构

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可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。

电阻R15决定了AGC的开始时间，若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数产生极点，导致不稳定。

电阻R17决定了AGC的释放时间，为确保对高频信号成分的良好响应，D1和D2可以使用肖特基或快速PN硅二极管。

当输入信号变大时，输出跟着增大，Q6的微分电阻就会跟这变小，输入进入放大级的信号就会变小，是输出减小；反之输入变小时，输出自动变大。从而实现自动增益控制功能。

图7

IV9V稳压源电路设计

9V

-9V

图8

9V稳压源电路如图8所示，电路由指示电路、变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路五部分组成。

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输入AC220V、50Hz的交流信号后，通过保险丝（图中未画出）送到上电指示电路和变压器的原边绕组，上电指示电路由1只普通红色发光二极管串接1只150kΩ、功率0.25W的限流电阻而成。通过电源变压器得到较低的副边电压U2并送到整流电路。

整流电路由4个1N4001二极管组成桥式整流电路，当正弦交流电压为正的时候，右上、左下二极管导通，当交流电压为负的时候右下、左上二极管导通，使输出的电压周期变为原来的一半，且电压总为正，从而初步达到变交流电压为直流电压的目的。

经过整流以后的电压经滤波电容C1、C2的滤波作用，将整流以后的电压里的交流成分滤除。当滤波电容不接负载时，由于电容没有放电回路，所以输出的是一个恒定的电压量；当滤波电容接负载时，由于有了放电回路，电容的放电时间常数为一定值，使放电的时间被控制在一定的范围，从而达到滤波的目的。

选用1000μF的电解电容作滤波电容。每个稳压器的输入和输出端接入的电容C5、C6、C7、C8目的是实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。D2、D3两只1N4001二极管如图跨接在稳压器的输入与输出端之间。

2、总体电路

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图8

完整的AGC电路图如图8所示，有效的AGC范围为5mV-50mV输入电压，在这个范围内，输出电压的变化不超过5dB，正弦输入信号从5mV到50mV步长变化时的AGC开始时间约为0.3s，从50mV输入至5mV的AGC释放时间约为100s。

六、 实现功能

本实验所完成的电路实现了自动增益控制的功能，，输入变化较大时（40dB以内），输出变化较小（5dB以内）。

测试方法：先保持恒定的信号频率，将输入信号的有效值从5mV逐渐提高到50mV；之后再保持输入信号有效值不变，讲频率从100Hz逐渐提高到5kHz，分别用示波器记录输入输出波形，用交流毫伏表测量输入输出有效值并记录数据。

原始数据记录表格如下： Uo/mV Ui 14mVpp 28mVpp 56mVpp 84mVpp 112 mVpp 140 mVpp (5mV) (10mV) (20 mV) (30 mV) (40mV) (50mV) f/Hz 100 500 1k 2k 3k 5k 621 642 643 643 643 639 661 684 685 685 684 682 678 709 711 711 709 708 687 723 725 725 724 722 694 734 736 736 736 733 699 743 745 745 745 742 从140mVpp，5kHz到14mVpp，5kHz，共用时1分54秒； 从140mVpp，100Hz到14mVpp，100Hz，共用时2分07秒。 由数据可见，当输入从5mV到50mV变化时，输出在621mV到742mV之间，满足实验要求。

部分波形图：（以最低频率最低电压和最高频率最高电压为例） 当输入信号为14mVpp，100Hz正弦波时，输出电压有效值如下：

波形图如下：

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当输入信号为140mVpp，5kHz正弦波时，输出电压有效值如下：

波形图如下：

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七、 故障及问题分析

1. 第一次连接好电路后，示波器上没有输出信号，通过分级检查发现问题出在Q4的部分，电阻R19连接错误，导致后面的电路开路。重新正确连接该电阻之后问题得到解决。

2. 排除故障后，发现输出的电压范围偏低，最低限只有300mV左右，没有达到0.5V到1.5V的要求。通过分析发现是级联放大电路的放大倍数不够。适当调低集电极电阻R9、R12和输出端电阻R14之后，放大倍数显著提高，可以达到要求的范围。

3. 在调试电路的过程中，经常会出现波形突然消失而后又慢慢恢复的情况。分析后认为是电容接触不良所致。通过重新插紧面包板上的元器件，该问题得到了解决。

4. 调试过程中，发现输出波形有明显的失真现象。分析之后发现是三极管静态工作点过低，通过调整相关电阻，提高静态工作点，使波形输出正常。但输出波形仍有部分失真。

八、 总结和结论

1. 实验结果

在实验要求的100Hz到5kHz频率范围内，以5kHz为例，当输入信号从5mV变化到50mV时，输出大约从639mV变化到742mV，放大倍数从127.80倍到14.84倍，能够实现要求的自动增益的功能。 2. 心得体会

本次AGC实验相比于上学期做的电路实验要复杂得多，从实物图就可以看出，电路模块较多，所用元器件较多，需要通过细致认真的分析每一部分的功能，才能了解整体电路的原理。这需要我对电子电路方面的知识有较高的理解能力和分析能力。同时，由于是第一次做综合电路实验，电路也相对复杂，在搭建的时候往往不得要领，无法分配好面包板的有限空间，导致布线布局较乱，甚至有元件短路的情况发生。经过后来的分析和修改，以及换用不同颜色的线表示不同的极性，解决了布线等问题。

此外，这样的综合实验中，一旦发现电路出现问题，往往难以直接找出原因。这就要求我们有耐心，认真细致地分段检查电路故障，不能一出现错误重新搭建电路。通过分段检查的方式，我也对过去学习的电子电路知识有了更深的理解，对电路实验和故障排除的方法有了更深的体会，对各元器件故障的检查方式有了一次亲身实践，从而锻炼自己的实践能力和动手能力。

实验仿真时需要用到Multisim软件，由于元器件较多，布置和连接元件的时候需要按照一定的先后顺序，之后再进行仿真。这又一次锻炼了我的软件应用能力，以及做实验之前先仿真的意识。

最后，AGC实验要求设计9V直流电源的电路，这个设计原理是我在大一下学期《电路分析基础》课程中学习到的。同时，我通过查阅书籍和网络相关文献，对这一内容进行了复习，并且利用Multisim软件亲自设计了指示、变压、整流、滤波、稳压电路。这对自己的电路设计能力是一次很好的锻炼。

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九、 电路图与实物图

Multisim绘制的电路图

实物图

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波形图

未加AGC反馈电路前Q4输出波形图（调试过程中）

加入AGC反馈之后总体输出波形图

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十、 所用仪器及元器件清单

名称 数字式万用表 直流稳压电源 函数信号发生器 双踪示波器 面包板

PNP三极管(8550)

数量 1台 1台 1台 1台 1个 1个

名称 NPN三极管(8050) 二极管(1N4148)

电阻 电容 导线

数量 5个 2个 19个 10个 若干

十一、 参考文献

1. 《电子测量与电子电路综合设计型实验讲义》，北京邮电大学电子工程学

院电路中心，2015

2. 《电子测量与电子电路实践》，任维政、高英、高慧平、陈凌霄，科学出

版社，2013

3. 《电路分析基础》，吕旌阳等，北京邮电大学出版社，2014 4. 《电子电路基础》，林家儒等，北京邮电大学出版社，2014 5. 《电源技术基础（模拟部分）》(第四版)，康华光、陈大钦，高等教育出

版社，1999

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/crf3.html