基于VCA810的自動增益控制放大器的設計與實現

王書立，王勤宏

(蘇州市職業大學 a.藝術學院；b.計算機工程學院，江蘇 蘇州 215104)

自動增益控制(automatic gain control，AGC)電路是指能將放大電路的增益隨輸入信號強度的改變而自調整的控制電路。它能夠在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號的幅度保持恒定或僅在較小范圍內變化。AGC電路不會因為輸入信號太小而無法正常工作，也不會因為輸入信號太大而使接收機發生飽和或堵塞。當前，該電路已被廣泛應用于各種接收機、錄音機和信號采集系統中[1-3]。本研究以STM32F103RET6和VCA810為核心部件，設計并實現了一個輸出幅度保持、步進式調節和任意設定的自動增益控制音頻放大器。

1 設計方案

1.1 AGC方案比較

所需的設計目標是將音頻放大器的輸出保持在默認值并實現放大器輸出的步進式調節和能夠隨著輸入信號及環境噪聲幅度的改變自動調節放大倍數?？梢娙绾螌崿FAGC是本研究的關鍵問題。常見實現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合的AGC。本研究選擇基于電路反饋的利用放大器實現AGC的方法，有以下三種實現方案。

方案一：通過兩級放大器級聯實現AGC。將經過兩級AD603級聯后放大的信號，一路送入下一級信號通道，另一路輸入到三極管。利用三極管發射極的PN結完成AGC檢波。當輸入信號增大時，經三極管反饋回到AD603之后相應地減小輸出的壓控電壓；當輸入信號減小時，壓控電壓則會相應地增大，即壓控電壓與輸入信號的強度成反比，符合AGC電壓反向控制要求。

方案二：利用放大器和場效應管共同組成的電路實現AGC。整個電路由包括場效應管在內的壓控增益放大器、整流濾波電路和直流放大器組成，實現增益的閉環控制。輸出電壓經過整流電路和濾波電路形成壓控電壓，加到場效應管的柵極，當壓控電壓發生變化時，源極和漏極之間的電阻亦發生變化，因此放大器的放大倍數也發生變化；故當輸入信號強時可自動減小放大器的倍數，當輸入信號弱時可自動增大放大器的倍數，從而實現信號的自動調節，達到AGC的目的。

方案三：通過單片機調節放大器的壓控電壓實現AGC。選用TI公司生產的集成壓控增益放大器VCA810實現主增益控制，壓控增益放大器的增益與控制電壓成線性關系，控制電壓由單片機控制DAC產生。VCA810具有-40~+40 dB的增益控制范圍，精度達到1 dB，帶寬25 MHz，并且具有低噪聲的特性，很適合音頻信號的放大[4]。

上述三種方案都能達到AGC的目的?？紤]到壓控增益放大器VCA810的性能優于AD603，而且通過單片機調節放大器的壓控電壓，可以使增益控制更為精確和靈活。本研究采用方案三實現AGC。

1.2 總體設計方案

本研究選擇由單片機主控制模塊、自動增益控制模塊、功率放大模塊、分級處理模塊、測頻模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊、話筒輸入模塊和電源模塊組成，總體設計方案如圖1所示。其中：單片機主控制模塊以ARM微處理器STM32F103RET6[5-6]為處理控制核心；自動增益控制模塊在方案三的基礎之上增加分組處理模塊，用于測量輸入和輸出信號前級的預處理[7-8]；話筒輸入模塊用于測量環境噪聲。

圖1 系統總體設計方案

2 硬件設計

自動增益控制模塊和分級處理模塊是實現放大器輸出幅度保持、顯示、步進式調節和任意設定等功能的關鍵模塊，下面重點介紹這兩個模塊的硬件電路設計。

2.1 自動增益控制模塊的設計

TI公司生產的壓控增益放大器VCA810的增益控制采用反饋的形式，通過調節控制電壓VG來控制放大增益，從而控制輸出幅度。增益與電壓的關系為G(dB)=-40．(VG+1) dB，其中，-2 V≤VG≤0 V。當VG=0 V時，G(dB)=-40 dB；當VG=-2 V 時，G(dB)=40 dB，可見其增益的變化范圍為-40～+40 dB。本系統的設計目標是實現放大器輸出幅度的保持、步進式調節和任意設定等功能，故放大增益需要根據輸出幅度設置的變化而變化，為此，采用TI公司生產的低功耗單電源運算放大器OPA830作為比較器，比較VCA810輸出電壓Vo和設置電壓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Vo大于預設置電壓Vc，OPA830輸出擺向OPA830的VS，二極管正向偏置，給電容C10充電，這個正向增加的電壓將會使VCA810的控制電壓上升，導致其增益下降，輸出下降。R16/R18/C10共同決定了這個過程的時間常數，即AGC的修正時間。在修正時間內，當-VS通過R17將電容C10的電壓向反方向修正時，則相應地增加VCA810的增益。這個過程的時間常數由R16/R17/C10共同確定。并且因為R16和R17可實現分壓，因而可限制加在C10上的最大反向電壓，這個限制可以有效保護基于VCA810的AGC電路的輸入過載。

STM32F103RET6控制DAC產生的控制電壓為0～2.5 V。為了任意設定輸出電壓幅度，設置電壓Vc由雙極性輸出電路產生，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 分級處理模塊的設計

分級處理模塊的設計框圖如圖4所示?？紤]到輸入信號的幅度在10 mV~5 V，為了實現輸入信號的精確測量，需要對輸入信號進行分級處理。對幅度在0~600 mV的輸入信號在測量前先進行放大，對幅度在600 mV~5 V的輸入信號在測量前先進行衰減。另外，因放大器輸出幅度在1~3 V，為了實現對輸出信號的測量，對較大的輸出信號在測量前也需要進行衰減。通過合理設置元件參數，使用圖5所示的電路可以實現信號的放大或衰減。

圖4 分級處理模塊設計

圖5 放大/衰減電路

3 系統軟件設計

根據設計目標，系統軟件主要負責測量和顯示輸入信號的幅度及頻率，進而自動控制放大器的增益，并根據鍵盤輸入設定放大器的輸出。為了便于修改和調試，系統軟件采用模塊化程序設計，包括初始化、采集信號、鍵盤掃描、穩定輸出等子程序，主程序流程圖如圖6所示。在主程序中設計有4種工作模式，分別為穩定輸出模式、步進調節輸出模式、自動調節輸出模式與輸入輸出指示模式?？梢允褂面I盤任意切換模式進行工作，顯示器顯示當前模式下采集到的信號值與工作狀態。

圖6 主程序流程圖

4 系統性能測試

將本系統在無強噪聲干擾的辦公室環境中，分別使用信號發生器、MP3、萬用表、示波器等儀器設備進行多次實驗測試。

4.1 輸出穩定性測試

從信號發生器輸入頻率為100 Hz~10 kHz的音頻信號，放大器分別帶600 Ω負載和驅動8 Ω喇叭（2~5 W）。調節輸入信號幅度在10 mV~5 V，系統的設計目標是輸出信號保持在2 V內，測量放大器實際輸出信號并記錄，測量結果見表1、表2。其中，相對誤差=[(測量值－2 V)/2 V]×100%。

表2 放大器驅動8 Ω喇叭時的測量參數及結果

由表1和表2可知，放大器可以從MP3或信號源輸入音頻（100 Hz~10 kHz）信號，帶600 Ω負載或驅動8 Ω喇叭（2~5 W）。當輸入信號幅度在10 mV~5 V時，放大器輸出默認值保持在(2±0.2) V內，而且波動較小。

4.2 顯示功能測試

在輸出穩定性測試的同時，觀察并記錄LCD上顯示的輸入信號幅度大小及頻率高低，同信號發生器的顯示值進行比較。表3是輸入信號的顯示比較。其中，相對誤差=[(顯示值－實際值)/實際值]×100%。

表3 輸入信號的顯示比較

由表3可知，放大器能夠顯示輸入信號的幅度大小及頻率高低。當輸入信號幅度較大時，測量精度較高，對微小信號的測量精度還有待進一步提高，即分級處理模塊還需要進一步改進。

4.3 輸出調節性能測試

從信號發生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號，放大器帶600 Ω負載，輸出默認值為2 V。系統的設計目標是能夠在1~3 V內步進式調節放大器輸出幅度，步距為0.2 V。分別正向和反向步進式調節放大器輸出幅度，結果見表4、表5。其中，相對誤差=[(實際輸出－理論輸出)/理論輸出]×100%。

表4 正向調節時的輸出

表5 反向調節時的輸出

由表4和表5可知，系統能夠在1~3 V內步進式調節放大器輸出幅度。

4.4 輸出自動調節功能測試

系統的設計目標是能夠根據環境噪聲的改變自動調節放大器輸出幅度。用一個MP3外放音頻信號作為環境噪聲，通過調節MP3外放的音量實現環境噪聲的調整。對此進行以下幾項測試：

1）從信號發生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號，放大器帶600 Ω負載，先讓環境噪聲從小到大，再從大到小，觀測放大器的輸出幅度。

2）從信號發生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號，放大器驅動8 Ω喇叭。同樣先讓環境噪聲從小到大，再從大到小，觀測放大器的輸出幅度。

3）從MP3輸入音頻信號，放大器驅動8 Ω喇叭。同樣先讓環境噪聲從小到大，再從大到小，觀測放大器的輸出幅度。

三項測試的結果表明：環境噪聲從小到大，放大器的輸出幅度也會從小到大；環境噪聲從大到小，放大器的輸出幅度也會從大到小，結果如圖7所示，當信號發生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號，放大器帶600 Ω負載，在環境噪聲從小到大的過程中，放大器輸出幅度VP也由設定值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 其他功能測試

1）輸出自動檢測功能測試。設計目標是系統能夠自動檢測輸出信號幅度并在LCD上顯示。從信號發生器輸入1 kHz、100 mV的音頻信號，放大器帶600 Ω負載，在1~3 V內步進式調節放大器輸出幅度，記錄并比較示波器上的輸出測量值和LCD上的輸出自動檢測值。結果見表6，其中，相對誤差=[(輸出自動檢測值－輸出測量值)/輸出測量值]×100%。由表6可知，在測試過程中，自動檢測的相對誤差絕對值小于3.5%。

2）輸入輸出變化指示功能測試。從MP3輸入音頻信號，放大器驅動8 Ω喇叭，在LCD上顯示出輸入信號、輸出信號和話筒輸入信號幅度大小的變化，結果如圖8所示。

表6 輸出自動檢測的結果

圖8 輸入輸出變化指示的顯示結果

5 結論

自動增益控制電路已廣泛用于各種接收機、錄音機和信號采集系統中，另外在光纖通信、微波通信、衛星通信等通信、雷達以及廣播電視系統中也得到了廣泛的應用。本研究選擇基于電路反饋的利用放大器實現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、改變放大倍數無需添加外圍電阻網絡等優點，設計一個通過STM32F103RET6調節壓控增益放大器VCA810壓控電壓的自動增益控制放大器。實驗結果表明，當輸入音頻信號頻率的區間為100 Hz~10 kHz，幅度為10 mV~5 V時，該放大器能夠實現輸出幅度的保持、步進式調節和任意設定等功能，并能夠根據環境噪聲的改變自動調節輸出幅度。