2011-2012学年第2学期
电子电路综合设计实验
实验报告
实验名称：自动增益控制电路的设计与实现学院：信息与通信工程学院
专业：电子信息工程
班级：
班内序号：
学号：
姓名：chi
任课教师：高惠平
北京邮电大学
时间：2012年3月20日
实验5 自动增益控制电路的设计与实现
摘要：自动增益控制电路的功能是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化的特殊功能电路，简称为 AGC 电路。本实验采用短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，简单有效地实现AGC功能。
自动增益控制电路已广泛用于接收机、录音机、信号采集系统、雷达、广播、电视系统中，以及在无线通信、光纤通信、卫星通信等通信系统也有着非常广泛的应用。
本实验介绍了一种简单的反馈式AGC电路，适用于低频段小信号处理的系统中。关键字：倍压整流，可变衰减，自动增益控制，电压跟随器，反馈。
一、设计任务要求
1、基本要求：
1）设计实现一个AGC电路，设计指标以及给定条件为：
输入信号0.5～50mVrms；
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），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）
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、探究要求：
1）如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；
2）测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。
二、设计思路与总体结构框图
1、设计思路
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，而最大波幅却相差很多。此时，可以使用带自动增益控制的自适应前置放大器，使其增益应能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。
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，本实验中电路采用了短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法，从而简单而有效的实现AGC功能。
在下图1中，可变分压器由一个固定电阻R
1
和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。可变电阻由采用基极—集电极短路方式的双极晶体管微分电阻实现，为改变
Q 1的电阻，可从一个有电压源V
2
和大阻值电阻R
2
组成的电流源直接向短路晶体管注入
电流。为防止R
2影响电路的交流电压传输特性，R
2
的阻值必须远大于R
1
。
由短路三极管构成的衰减器
对于输入Q1集电极的正电流的所有可用值，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，其VI特性曲线如图2所示。可以看出，短路晶体管的微分电阻与流过的直流电流成反比，即器件的微分电导直接与电流成正比。在工作状态下，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，微分电阻都正确地遵守这一规则。图中所示的晶体管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。
输入信号
检波整流控制
可变增益
放大器
输出信号
VI 特性曲线图显示短路晶体管相应的微分电阻图
将上述AGC 电路与一个放大电路相接，互相配合，即可以达到一个实现自动增益控制的放大电路。在本实验中采用一个8050型三极管和一个8550型三极管进行直流耦合互补级联提供大部分电路电压增益，并且利用一个8050型三极管作为缓冲极输入，一个8050型三极管作为射极跟随器输出。 2、总体结构框图
（1）一个简单AGC 电路：
（2）本实验电路框图：
三、分块电路和总体电路的设计
分块电路
（1）输入缓冲极，其设计电路图如图所示；
输入信号V IN 驱动缓冲极Q 1，它的旁路射极电阻R 3有四个作用：
① 它将Q 1的微分输出电阻提高到接近公式（1）所示的值。该电路中 的微分输出电阻增加很多，使R 4的阻值几乎可以唯一地确定这个输出电阻。
R D1≈r be +(1+βr ce /r be )(R 3//r be ) （1）
② 由于R3未旁路，使Q 1电压增益降低至：
A Q1=－βR 4/〔r be +(1+β)R 3〕≈－R 4/ R 3 (2)
③ 如公式（2）所示，未旁路的R 3有助于Q 1集电极电流－电压驱动的线性 响应。
④ Q 1的基极微分输入电阻升至R dBASE =r be +(1+
β)R 3，与只有
r be 相比，
它远远大于Q 1的瞬时工作点，并且对其依赖性较低。
信号范围：0.5～50mVrms 信号范围：0.5～1.5Vrms
输入信号 输入缓冲级级 放大级，提供大部分增益
输出信号
放大级前端
反馈网络
（2）直流耦合互补级联放大部分，电路图如图4所示；
该部分利用直流耦合将Q2与Q3进行级联，构成互补放大器，在电路中对信号起
到大部分的放大作用。
（3）输出极，电路图如图5所示；
Q4作为射极跟随器作为输出端，R14将Q4与信号输出端隔离开来
（4）自动增益控制部分（AGC），电路图如图所示，并且在该图基础上加上R4构成。
其中R4构成可变衰减器的固定电阻，Q6构成衰减器的可变电阻部分。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。电阻R17决定了AGC 的释放时间。电阻R19用于限制通过Q5和Q6的最大直流控制电流。D1和D2构成一个倍压整流器，从输出级Q4提取信号的一部分，为Q5生成控制电压。电阻R15决定了AGC的开始时间。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。
总体电路
最终设计的总体电路图如下：
电路参数如图中标示，输入信号为0.5～50mVrms，信号带宽为100～5KHZ
四、所实现功能说明
1、基本功能：
输入的信号范围在0.5～50mVrms 时，经过输入缓冲级，直流耦合互补级联放大信号（提供大部分增益），经过射极跟随器，接输出端同时引反馈回去到放大级前端，反馈由具有倍压整流作用的D1、D2和可变衰减器，对不同的输入信号，反馈信号大小不一样，使经输入缓冲级放大电路放大的信号与反馈信号叠加，叠加后的信号幅度在很小的范围波动，再经过放大，使输出电压0.5～1.5Vrms ，信号带宽满足覆盖100Hz ～5KHz 的要求，实现了自动增益控制。 2、直流电源：Vcc=9V 3、主要测试数据：
4、 测试方法：
（1） 输入端接输入信号，电压
有效值0.5～50mV ，频率在100Hz ～5KHz ，为得到不同 频率不同电压下的增益数据，采取单变量法测试，即保持一个变量不变，改变另一变量，使其在规定范围内按一定的步长变化，用示波器观察输入输出信号，使用交流毫伏表测量输入输出的信号电压的有效值，计算增益； （2）具体测试过程如下：
f/Hz Vi/mVrms
100
1000
3000
5000
5 0.74 0.74 0.74 0.74
10
0.76 0.76 0.76 0.76 20 0.78 0.78 0.78 0.78 30 0.80 0.80 0.80 0.80 50
0.84
0.84
0.84
0.84
保持输入电压有效值0.5mV，改变信号频率从100Hz变化到5KHz（为取得更多的数据，可以每次增大500Hz，多测数据；为测试电路的带宽，可以改变频率到更低和更高的值，使输出信号电压衰减到3dB处，测出上限截止频率），测量记录如上表格所示；（3）由测出的数据可以计算出增益，同时可见，再输入电压在规定的范围内大幅波动时，输出电压在规定的范围内以很小幅度波动，即可认为输入在规定范围内变化时，输出不变，实现了自动增益控制的功能；
（4）为了解反馈网络在自动增益控制电路中的作用，可以在反馈输出端接示波器通道来观察测量反馈输出信号，亦可把反馈引回的线去掉，用示波器观察测量没有反馈时的输出信号，记录测量的数据，分析可以看出反馈网络在该电路中举足轻重的地位，这也是该电路称为反馈式AGC的原因。
（5）用示波器观察输入缓冲级（该实验中注释为Q1）的集电极输出波形，记录测量数据；把反馈去掉，同样观察测量Q1集电极的波形，对比可见，有反馈的时候Q1的集电极输出信号幅值基本为2mV，而无反馈的时候，Q1的集电极输出信号幅值为伏级上的，比有反馈的时候大的多，可见自动衰减的负反馈信号与经缓冲级放大的信号叠加，使信号维持在一个比较稳定的值。
测量倍压整流电路（D1、D2构成）的输出信号波形，增进对倍压整流器的工作原理的理解。
经过以上步骤，自动增益控制电路的测试基本完成。
五、故障及问题分析
首先，我花费了很长时间来连接电路。第一次连接到一半的时候，发现元器件全都挤凑在一起，布局很不合理，倘若连接完毕后进行检查和测试等都会带来不便，于是我将电路板拆掉重新连接。第二次连接完成后，却无法得到预期的输出波形，而是一个会在电源接通后自动进行充放电的直流。经过检查却一直没有找到哪个元器件接错，加之元器件和导线未经修剪显得电路板外观依然不清楚明了，我又进行了第三次连接。这一次终于得到了近似正弦波的信号。
其次，这个信号有很大的干扰和震荡，我初步分析有元器件接触不良，于是检查了每个元件的引脚接触。当我按了一下电阻R2时，发现输出电压的波形立刻减少了很多干扰，于是证明R2是接触不良的。
再次，尽管此时输出信号基本稳定，但并不是理论预期的波形，它并没有实现自动增益控制的功能，而且每当我用手轻轻碰一下面包板，输出信号就会重新充放电，因此我推测还是有元件没接好导致不稳定。依然通过排查的方式，发现二极管D1接触不良。因为我将D1跨接在了两块板子之间，而板子有些松动，导致二极管与面包板之间是开路的，使得倍压整流与反馈电路不能正常工作。后来我用透明胶带将两块塑料板之间固定住，解决了D1容易断路的问题。
最终完成了能够实现自动增益控制的完整的电路板。
六、总结和结论
1、本实验综合性较强，考察了理论分析与动手实践的综合能力，让我们通过实验，更深的理解了模拟电路的知识精髓。
2、本实验采用了反馈式自动增益控制电路，主要由输入缓冲级、直流耦合互补级联、信号输出级、倍压整流与反馈几个部分组成。倍压整流与反馈实现了自动增益控制的功能。
3、由于自动增益控制电路比较复杂，我们在实验中应该学会整体协调与局部分析。当电路的输出电压波形不符合预期时，要根据实际的输出与理论分析的输出之间的差距来分析故障发生在哪里，例如当输出不能实现自动增益控制时，可以基本确定是倍压整流与反馈的电路出现问题，这样可使我们缩小排查的范围，提高实验效率，同时加深理解了电路每一部分的具体功能。
3、本实验需要我们有较强的动手能力和统筹安排能力。在连接电路前，应该先将元件清单列出，统一整理好后做好标注以便在后期连接电路的过程中选择或更改元器件。另外，在连接电路之前，应该先设计好具体的电路布局，使得整体清晰美观，这样可以避免不必要的返工。
4、输出的信号电压基本为0.78Vrms，以很小幅度波动，在实验要求的范围内，输出信号带宽为50Hz～225KHz，覆盖要求的频率宽度，可以处理很宽频带的信号，说明该电路对信号处理能力强，但同时带来一个问题，通频带宽，选择性差。
5、该自动增益控制电路，输入信号范围为0.5～50mVrms输出信号为0.5～1.5Vrms 信号带宽：100～5KHz，适合应用于低频段小信号处理的系统中。
7、科学工作者要具备坚持不懈、严谨求实的态度
七、PROTEL绘制的原理图
1、PROTEL绘制的AGC电路原理图：
2、用PROTEL生成的PCB板
覆铜膜：
2、用PROTEL生成的3D效果图：
底部三维效果：
线路框架图：
实物效果
八、所用元器件及测试仪表清单
1、元器件清单
Polarized
Capacitor (Radial) C1 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C2 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C3 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C4 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C5 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C6 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C7 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C8 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C9 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Polarized
Capacitor (Radial) C10 RB7.6-15 Cap Pol1 1 Default Diode D1 DSO-C2/X3.3 Diode 1 Default Diode D2 DSO-C2/X3.3 Diode 1 Header, 2-Pin JP1 HDR1X2 Header 2 1 Header, 2-Pin JP2 HDR1X2 Header 2 1 Header, 2-Pin JP3 HDR1X2 Header 2 1
NPN General
Purpose Amplifier Q1 BCY-W3/D4.7 2N3904 1 NPN General
Purpose Amplifier Q2 BCY-W3/D4.7 2N3904 1 PNP General
Purpose Amplifier Q3 BCY-W3/D4.7 2N3906 1 NPN General
Purpose Amplifier Q4 BCY-W3/D4.7 2N3904 1 NPN General
Purpose Amplifier Q5 BCY-W3/D4.7 2N3904 1 NPN General
Purpose Amplifier Q6 BCY-W3/D4.7 2N3904 1 Resistor R1 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R2 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R3 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R4 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R5 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R6 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R7 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R8 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R9 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R10 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R11 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R12 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R13 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R14 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R15 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R16 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R17 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R18 AXIAL-0.4 Res2 1
Resistor R19 AXIAL-0.4 Res2 1
2、测试仪器清单
（1）信号发生器；
（2）示波器；
（3）交流毫伏表；
（4）万用表；
（5）直流稳压电源；
九、参考文献
[1]《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路实验中心
[2]《Protel DXP 电子设计使用教程》袁鹏平付刚罗开玉化学工业出版社
[3]《电子电路基础》刘宝玲主编高等教育出版社