2014年全國大學生電子設計競賽設計報告參賽題目：自動增益控制放大器題目編號：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動增益控制放大器（AGC）設計摘要：本設計以可變增益放大器VCA810為核心，通過單片機MSP430控制各模塊，實現電壓增益連續可調，輸出電壓基本恒定。系統主要由可變增益放大器、MSP430單片機、AGC電路、功放電路、檢波電路、比較器、噪聲檢測電路等組成。將輸入信號經程控放大器進行調理歸一處理，輸入給程控增益調整放大器VCA810，將信號放大輸出，通過有效值檢波電路檢測輸出信號，并送給單片機AD采樣，與理想輸出信號數值進行比較，若有多偏差，則通過調整對VCA810的增益控制電壓，來調整放大倍數，從而實現輸出信號的穩定。整個設計使用負反饋原理，實現了自動增益的控制。關鍵字：VCA810MSP430有效值檢測自動增益控制（AGC）方案設計與論證1.1整體方案方案一：采用純硬件電路實現，由AGC和運放構成的電壓比較器和減法電路實現。把實際電壓與理論電壓的差值通過適當幅值和極性的處理，作為AGC的控制信號，從而實現放大倍數的自動調整，實現輸出電壓恒定。方案二：采用可變增益放大器和單片機結合，通過單片機對輸出信號AD采樣并轉化為數字量，與理論輸出電壓值進行比較，得到差值轉換為控制直流電壓，通過DA轉化，對放大器的放大倍數精確調整，從而實現輸出電壓的恒定。方案一理論簡單，只有硬件電路，制作起來相對容易，但其理論低端，精度不夠，沒有創新，通用性不好；方案二控制精確，自動控制速度快，系統可移植性強，功能改變和增加容易，對后期改善和提升電路性能有益。但需要軟硬件配合，系統稍復雜。通過對兩個方案的綜合對比，我們選用方案二。1.2控制模塊方案一：采用MCS-51。Intel公司的MCS-51的發展已經有比較長的時間，以其典型的結構、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統和面向控制功能的豐富的指令系統，為單片機的發展奠定3了良；好的基礎，，應用比較廣泛，各種技術都比較成熟。方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，基于閃存的產品系列，具有最低工作功耗，在其中在24V供電情況下，滿負載驅動8Ω的橋接式揚聲器，聲音失真杭率僅為0.1%。方案二：采用LF353運放作為輸入級，LF353的總體電路設計還是比較簡潔的，在功率運算放大器設計中是主流：輸入放大級是由兩只P溝道JFET組成的共源極差分電路，并且用鏡像恒流源做負載來提高增益；在輸入差分放大級和主電壓放大級之間是一個由射極跟隨器構成的電流放大級，用來提高主電壓放大級的輸入阻抗和共源極差分電路的負載增益.。采用IAF530作為出極，它具有輸出阻抗低，輸出電流大的特點。方案一為集成模塊，使用方便，但其功率不夠，幅度太大；方案二雖需要自己設計電路，但整個電路具有輸入阻抗高輸出阻抗低、聲音失真小，完全適合600歐的負載到8歐負載的變化。故選用方案二。2.1系統整體設計框圖圖1.3系統設計框圖2.2硬件原理圖系統硬件部分設計原理圖如圖1.4所示。圖1.4可變增益放大器圖1.5功放電路圖1.6濾波電路圖1.7比較器圖1.8噪聲檢測電路圖1.9檢波電路圖1.105V電源電路圖1.1115V可調電源電路圖1.12AGC電路2.3軟件流程圖系統軟件流程圖如圖1.10所示，開發板系統初始化后，預置輸出一個控制電壓，然后啟動AD轉化，采樣得到輸出信號，然后與標準電壓比較，修改增益控制電壓，穩定輸出電壓。圖1.102.4參數計算(1)增益方面的計算設計目標輸出電壓變化范圍2V±0.2V，而輸入信號為100mV～5V,我們選定輸出幅度為2V，即Av在2～20倍，根據程控增益調節放大器的連接方式可知，增益的計算公式為G=(40Vg+10)dB,帶寬90MHz。所以將AD采集得到的輸出電壓Vout,與預置電壓進行比較，調整Vg大小，來改變增益，從而實現輸出幅值穩定在某一個數值。（2）緩沖、穩幅的方案與計算因為要用到單片機內部的AD637采樣功能，所以一定要保證單片機的安全，在通過峰值檢測電路的檢測之后，把檢測到的峰值經過一個后級緩沖電路再接一個3V穩壓管之后送給單片機，既保證單片機端口的安全，同時把電路與單片機隔離。競賽工作環境條件系統調試所使用的儀器設備如表所示。儀器名稱型號數量直流穩壓源APS3003S-3D1數字存儲示波器MST1102B1數字萬用表UT531信號發生器EE1643C1表2.1系統測試及數據分析3.1測試方案及數據分析電源±12V供電，負載為8Ω電阻適用頻率范圍約為5Hz～100Khz最大輸入峰峰值（不失真）約為Vin≈3.0Vpp。最大輸出峰峰值（不失真）約為Vout≈16Vpp。最大輸出功率約為Pmax≈4W。功放效率約為η≈57%。表3.1功放測試數據測試流程：（1）噪聲測試：輸入頻率10KHZ和100KHZ的正弦波信號。負載為600歐姆，測試輸出信號，通過示波器讀取輸出信號峰值，然后改變輸入信號峰值，測量輸出信號的峰值。測試數據如表3.2和表3.3所示。輸入正弦波幅度（mV）1000800600400200100806040輸出電壓幅度（mV）①42032028020016034302216輸出電壓幅度（mV）②36032024020010032282214表3.210KHz噪聲測試輸入正弦波幅度（mV）1000800600400200輸出電壓幅度（mV）①360320280200160輸出電壓峰峰（mV）②360320280220140表3.3100KHz噪聲測試(2)穩幅測試：輸入頻率1KHZ的正弦波信號，負載為600歐姆，測試輸出信號，通過示波器讀取輸出信號峰值，然后改變輸入信號峰值，測量輸出信號的峰值變化，計算相對誤差。測試數據如表3.3所示。輸入Vp信號見表3.4。輸入信號（V）0.020.030.040.050.080.0850.090.0950.10.15輸出信號（V）2.162.122.132.102.122.082.082.082.062.14輸入信號（V）11.21.41.61.82.02.22.42.63.0輸出信號（V）2.12.12.082.062.082.082.042.022.022.12表3.4穩幅測試①輸入正弦波頻率（HZ）1002005001K1.5K2K3K5K10K600歐姆下輸出電壓幅度（V）2.022.062.042.062.082.062.042.062.068歐姆下輸出電壓幅度（V）2.042.062.082.042.082.082.022.022.04 表3.5穩幅測試②測試數據分析：系統基本可以按照預置輸出電壓穩定輸出，我們輸出信號穩定電壓為2.1V。設計總結系統能夠滿足題目基本要求：（1）放大器可以從mp3或信號源輸入音頻（100Hz~10kHz）信號，可以帶600Ω負載或驅動8Ω喇叭（2~5W）。（2）當輸入信號幅度在10mV~5V間變化時，放大器輸出默認值保持在2V±0.2V內，波動越小越好。（3）能夠顯示輸入信號幅度大小及頻率高低。（4）能夠在1V~3V范圍內步進式調節放大器輸出幅度，步距0.2V。（5）能夠根據環境噪聲調整自動調節放大器輸出幅度。本設計基本完成了題目要求，實現了的增益自動控制，由于受到器件和部分電