基于VCA810的自動(dòng)增益控制放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王書(shū)立，王勤宏

(蘇州市職業(yè)大學(xué) a.藝術(shù)學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

自動(dòng)增益控制(automatic gain control，AGC)電路是指能將放大電路的增益隨輸入信號(hào)強(qiáng)度的改變而自調(diào)整的控制電路。它能夠在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下，使輸出信號(hào)的幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化。AGC電路不會(huì)因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無(wú)法正常工作，也不會(huì)因?yàn)檩斎胄盘?hào)太大而使接收機(jī)發(fā)生飽和或堵塞。當(dāng)前，該電路已被廣泛應(yīng)用于各種接收機(jī)、錄音機(jī)和信號(hào)采集系統(tǒng)中[1-3]。本研究以STM32F103RET6和VCA810為核心部件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輸出幅度保持、步進(jìn)式調(diào)節(jié)和任意設(shè)定的自動(dòng)增益控制音頻放大器。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 AGC方案比較

所需的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將音頻放大器的輸出保持在默認(rèn)值并實(shí)現(xiàn)放大器輸出的步進(jìn)式調(diào)節(jié)和能夠隨著輸入信號(hào)及環(huán)境噪聲幅度的改變自動(dòng)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)?？梢?jiàn)如何實(shí)現(xiàn)AGC是本研究的關(guān)鍵問(wèn)題。常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)AGC的方法可以分為以下三類：基于電路反饋的AGC；基于光路反饋的AGC；光路反饋和電路反饋相結(jié)合的AGC。本研究選擇基于電路反饋的利用放大器實(shí)現(xiàn)AGC的方法，有以下三種實(shí)現(xiàn)方案。

方案一：通過(guò)兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)AGC。將經(jīng)過(guò)兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)后放大的信號(hào)，一路送入下一級(jí)信號(hào)通道，另一路輸入到三極管。利用三極管發(fā)射極的PN結(jié)完成AGC檢波。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，經(jīng)三極管反饋回到AD603之后相應(yīng)地減小輸出的壓控電壓；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，壓控電壓則會(huì)相應(yīng)地增大，即壓控電壓與輸入信號(hào)的強(qiáng)度成反比，符合AGC電壓反向控制要求。

方案二：利用放大器和場(chǎng)效應(yīng)管共同組成的電路實(shí)現(xiàn)AGC。整個(gè)電路由包括場(chǎng)效應(yīng)管在內(nèi)的壓控增益放大器、整流濾波電路和直流放大器組成，實(shí)現(xiàn)增益的閉環(huán)控制。輸出電壓經(jīng)過(guò)整流電路和濾波電路形成壓控電壓，加到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，當(dāng)壓控電壓發(fā)生變化時(shí)，源極和漏極之間的電阻亦發(fā)生變化，因此放大器的放大倍數(shù)也發(fā)生變化；故當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)可自動(dòng)減小放大器的倍數(shù)，當(dāng)輸入信號(hào)弱時(shí)可自動(dòng)增大放大器的倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到AGC的目的。

方案三：通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)放大器的壓控電壓實(shí)現(xiàn)AGC。選用TI公司生產(chǎn)的集成壓控增益放大器VCA810實(shí)現(xiàn)主增益控制，壓控增益放大器的增益與控制電壓成線性關(guān)系，控制電壓由單片機(jī)控制DAC產(chǎn)生。VCA810具有-40~+40 dB的增益控制范圍，精度達(dá)到1 dB，帶寬25 MHz，并且具有低噪聲的特性，很適合音頻信號(hào)的放大[4]。

上述三種方案都能達(dá)到AGC的目的?？紤]到壓控增益放大器VCA810的性能優(yōu)于AD603，而且通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)放大器的壓控電壓，可以使增益控制更為精確和靈活。本研究采用方案三實(shí)現(xiàn)AGC。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

本研究選擇由單片機(jī)主控制模塊、自動(dòng)增益控制模塊、功率放大模塊、分級(jí)處理模塊、測(cè)頻模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、LCD顯示模塊、話筒輸入模塊和電源模塊組成，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控制模塊以ARM微處理器STM32F103RET6[5-6]為處理控制核心；自動(dòng)增益控制模塊在方案三的基礎(chǔ)之上增加分組處理模塊，用于測(cè)量輸入和輸出信號(hào)前級(jí)的預(yù)處理[7-8]；話筒輸入模塊用于測(cè)量環(huán)境噪聲。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)增益控制模塊和分級(jí)處理模塊是實(shí)現(xiàn)放大器輸出幅度保持、顯示、步進(jìn)式調(diào)節(jié)和任意設(shè)定等功能的關(guān)鍵模塊，下面重點(diǎn)介紹這兩個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。

2.1 自動(dòng)增益控制模塊的設(shè)計(jì)

TI公司生產(chǎn)的壓控增益放大器VCA810的增益控制采用反饋的形式，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓VG來(lái)控制放大增益，從而控制輸出幅度。增益與電壓的關(guān)系為G(dB)=-40．(VG+1) dB，其中，-2 V≤VG≤0 V。當(dāng)VG=0 V時(shí)，G(dB)=-40 dB；當(dāng)VG=-2 V 時(shí)，G(dB)=40 dB，可見(jiàn)其增益的變化范圍為-40～+40 dB。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)放大器輸出幅度的保持、步進(jìn)式調(diào)節(jié)和任意設(shè)定等功能，故放大增益需要根據(jù)輸出幅度設(shè)置的變化而變化，為此，采用TI公司生產(chǎn)的低功耗單電源運(yùn)算放大器OPA830作為比較器，比較VCA810輸出電壓Vo和設(shè)置電壓Vc，所用壓控增益放大電路如圖2所示。

圖2 壓控增益放大電路

當(dāng)Vo大于預(yù)設(shè)置電壓Vc，OPA830輸出擺向OPA830的VS，二極管正向偏置，給電容C10充電，這個(gè)正向增加的電壓將會(huì)使VCA810的控制電壓上升，導(dǎo)致其增益下降，輸出下降。R16/R18/C10共同決定了這個(gè)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，即AGC的修正時(shí)間。在修正時(shí)間內(nèi)，當(dāng)-VS通過(guò)R17將電容C10的電壓向反方向修正時(shí)，則相應(yīng)地增加VCA810的增益。這個(gè)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)由R16/R17/C10共同確定。并且因?yàn)镽16和R17可實(shí)現(xiàn)分壓，因而可限制加在C10上的最大反向電壓，這個(gè)限制可以有效保護(hù)基于VCA810的AGC電路的輸入過(guò)載。

STM32F103RET6控制DAC產(chǎn)生的控制電壓為0～2.5 V。為了任意設(shè)定輸出電壓幅度，設(shè)置電壓Vc由雙極性輸出電路產(chǎn)生，所用雙極性輸出電路如圖3所示。由圖3可知，該雙極性輸出電路的主芯片是TI公司生產(chǎn)的由CMOS 輸入、RRIO、精密寬電源范圍放大器LMP7701，其Vc的變化為-5 ~+5 V。

圖3 雙極性輸出電路

2.2 分級(jí)處理模塊的設(shè)計(jì)

分級(jí)處理模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。考慮到輸入信號(hào)的幅度在10 mV~5 V，為了實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的精確測(cè)量，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分級(jí)處理。對(duì)幅度在0~600 mV的輸入信號(hào)在測(cè)量前先進(jìn)行放大，對(duì)幅度在600 mV~5 V的輸入信號(hào)在測(cè)量前先進(jìn)行衰減。另外，因放大器輸出幅度在1~3 V，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的測(cè)量，對(duì)較大的輸出信號(hào)在測(cè)量前也需要進(jìn)行衰減。通過(guò)合理設(shè)置元件參數(shù)，使用圖5所示的電路可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大或衰減。

圖4 分級(jí)處理模塊設(shè)計(jì)

圖5 放大/衰減電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)測(cè)量和顯示輸入信號(hào)的幅度及頻率，進(jìn)而自動(dòng)控制放大器的增益，并根據(jù)鍵盤(pán)輸入設(shè)定放大器的輸出。為了便于修改和調(diào)試，系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括初始化、采集信號(hào)、鍵盤(pán)掃描、穩(wěn)定輸出等子程序，主程序流程圖如圖6所示。在主程序中設(shè)計(jì)有4種工作模式，分別為穩(wěn)定輸出模式、步進(jìn)調(diào)節(jié)輸出模式、自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出模式與輸入輸出指示模式?？梢允褂面I盤(pán)任意切換模式進(jìn)行工作，顯示器顯示當(dāng)前模式下采集到的信號(hào)值與工作狀態(tài)。

圖6 主程序流程圖

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

將本系統(tǒng)在無(wú)強(qiáng)噪聲干擾的辦公室環(huán)境中，分別使用信號(hào)發(fā)生器、MP3、萬(wàn)用表、示波器等儀器設(shè)備進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4.1 輸出穩(wěn)定性測(cè)試

從信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為100 Hz~10 kHz的音頻信號(hào)，放大器分別帶600 Ω負(fù)載和驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭（2~5 W）。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅度在10 mV~5 V，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是輸出信號(hào)保持在2 V內(nèi)，測(cè)量放大器實(shí)際輸出信號(hào)并記錄，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1、表2。其中，相對(duì)誤差=[(測(cè)量值－2 V)/2 V]×100%。

表2 放大器驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭時(shí)的測(cè)量參數(shù)及結(jié)果

由表1和表2可知，放大器可以從MP3或信號(hào)源輸入音頻（100 Hz~10 kHz）信號(hào)，帶600 Ω負(fù)載或驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭（2~5 W）。當(dāng)輸入信號(hào)幅度在10 mV~5 V時(shí)，放大器輸出默認(rèn)值保持在(2±0.2) V內(nèi)，而且波動(dòng)較小。

4.2 顯示功能測(cè)試

在輸出穩(wěn)定性測(cè)試的同時(shí)，觀察并記錄LCD上顯示的輸入信號(hào)幅度大小及頻率高低，同信號(hào)發(fā)生器的顯示值進(jìn)行比較。表3是輸入信號(hào)的顯示比較。其中，相對(duì)誤差=[(顯示值－實(shí)際值)/實(shí)際值]×100%。

表3 輸入信號(hào)的顯示比較

由表3可知，放大器能夠顯示輸入信號(hào)的幅度大小及頻率高低。當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，測(cè)量精度較高，對(duì)微小信號(hào)的測(cè)量精度還有待進(jìn)一步提高，即分級(jí)處理模塊還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4.3 輸出調(diào)節(jié)性能測(cè)試

從信號(hào)發(fā)生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號(hào)，放大器帶600 Ω負(fù)載，輸出默認(rèn)值為2 V。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠在1~3 V內(nèi)步進(jìn)式調(diào)節(jié)放大器輸出幅度，步距為0.2 V。分別正向和反向步進(jìn)式調(diào)節(jié)放大器輸出幅度，結(jié)果見(jiàn)表4、表5。其中，相對(duì)誤差=[(實(shí)際輸出－理論輸出)/理論輸出]×100%。

表4 正向調(diào)節(jié)時(shí)的輸出

表5 反向調(diào)節(jié)時(shí)的輸出

由表4和表5可知，系統(tǒng)能夠在1~3 V內(nèi)步進(jìn)式調(diào)節(jié)放大器輸出幅度。

4.4 輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)功能測(cè)試

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠根據(jù)環(huán)境噪聲的改變自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器輸出幅度。用一個(gè)MP3外放音頻信號(hào)作為環(huán)境噪聲，通過(guò)調(diào)節(jié)MP3外放的音量實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲的調(diào)整。對(duì)此進(jìn)行以下幾項(xiàng)測(cè)試：

1）從信號(hào)發(fā)生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號(hào)，放大器帶600 Ω負(fù)載，先讓環(huán)境噪聲從小到大，再?gòu)拇蟮叫?，觀測(cè)放大器的輸出幅度。

2）從信號(hào)發(fā)生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號(hào)，放大器驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭。同樣先讓環(huán)境噪聲從小到大，再?gòu)拇蟮叫?，觀測(cè)放大器的輸出幅度。

3）從MP3輸入音頻信號(hào)，放大器驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭。同樣先讓環(huán)境噪聲從小到大，再?gòu)拇蟮叫?，觀測(cè)放大器的輸出幅度。

三項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果表明：環(huán)境噪聲從小到大，放大器的輸出幅度也會(huì)從小到大；環(huán)境噪聲從大到小，放大器的輸出幅度也會(huì)從大到小，結(jié)果如圖7所示，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號(hào)，放大器帶600 Ω負(fù)載，在環(huán)境噪聲從小到大的過(guò)程中，放大器輸出幅度VP也由設(shè)定值1 V變化到1.362 V，甚至是2.719 V。

圖7 放大器輸出幅度的變化

4.5 其他功能測(cè)試

1）輸出自動(dòng)檢測(cè)功能測(cè)試。設(shè)計(jì)目標(biāo)是系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)輸出信號(hào)幅度并在LCD上顯示。從信號(hào)發(fā)生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號(hào)，放大器帶600 Ω負(fù)載，在1~3 V內(nèi)步進(jìn)式調(diào)節(jié)放大器輸出幅度，記錄并比較示波器上的輸出測(cè)量值和LCD上的輸出自動(dòng)檢測(cè)值。結(jié)果見(jiàn)表6，其中，相對(duì)誤差=[(輸出自動(dòng)檢測(cè)值－輸出測(cè)量值)/輸出測(cè)量值]×100%。由表6可知，在測(cè)試過(guò)程中，自動(dòng)檢測(cè)的相對(duì)誤差絕對(duì)值小于3.5%。

2）輸入輸出變化指示功能測(cè)試。從MP3輸入音頻信號(hào)，放大器驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭，在LCD上顯示出輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和話筒輸入信號(hào)幅度大小的變化，結(jié)果如圖8所示。

表6 輸出自動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果

圖8 輸入輸出變化指示的顯示結(jié)果

5 結(jié)論

自動(dòng)增益控制電路已廣泛用于各種接收機(jī)、錄音機(jī)和信號(hào)采集系統(tǒng)中，另外在光纖通信、微波通信、衛(wèi)星通信等通信、雷達(dá)以及廣播電視系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。本研究選擇基于電路反饋的利用放大器實(shí)現(xiàn)AGC的方案。為了使增益控制更為精確和靈活，利用VCA810集成度高、改變放大倍數(shù)無(wú)需添加外圍電阻網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)STM32F103RET6調(diào)節(jié)壓控增益放大器VCA810壓控電壓的自動(dòng)增益控制放大器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輸入音頻信號(hào)頻率的區(qū)間為100 Hz~10 kHz，幅度為10 mV~5 V時(shí)，該放大器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出幅度的保持、步進(jìn)式調(diào)節(jié)和任意設(shè)定等功能，并能夠根據(jù)環(huán)境噪聲的改變自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出幅度。