一種低成本AGC電路研制

李林凱，蹇興亮，邊曉東，吳 昊，張廣琦

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

在放置式電磁渦流探傷檢測中，需要對探頭當(dāng)前的位置坐標(biāo)進行自動測量并實時傳送給微處理器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用探頭本身作為激勵線圈，在其周圍固定安裝4個位置檢測線圈，激勵線圈的磁場會在4個位置檢測線圈中產(chǎn)生不同大小的感應(yīng)電動勢，由此可確定激勵線圈（探頭）的位置。由于激勵線圈產(chǎn)生的磁場隨距離增大迅速衰減，4個位置檢測線圈檢測到的信號變化范圍很大，可達到60dB（1000倍）以上。當(dāng)傳感器離激勵線圈很近時，信號很強；當(dāng)傳感器離激勵線圈較遠時，信號很弱。采用AGC放大電路可適應(yīng)大動態(tài)范圍的信號處理。

1 AGC電路的工作原理

AGC電路由可變增益放大器和控制電壓產(chǎn)生電路組成［1-2］。電路的電壓增益不是常數(shù)，而是隨輸入信號的增大而減少，AGC電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用運放和場效應(yīng)管構(gòu)成的可變增益放大器原理如圖2所示［3-4］。

圖1 AGC電路結(jié)構(gòu)

運放A1，A2均為同相運算放大器。加在A2同相輸入端的控制電壓為負(fù)值，負(fù)得越多，場效應(yīng)管柵極電壓也就越負(fù)，結(jié)型場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，漏源之間的電阻RDS就越大，運放A1的電壓增益1+Rf1／RDS就越小，反之亦然［5］。

圖2 可變增益放大器原理

2 AGC電路主要組成器件選擇

低成本的AGC電路主要元件包含1個LM324及1個場效應(yīng)管3DJ6F。LM324為通用四運放集成電路，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立，開環(huán)增益為100dB。靜態(tài)電流小，電源電壓范圍為±3～±18V，也可單電源使用。

本電路采用的場效應(yīng)管3DJ6F，屬于N溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管。在此，使它工作在可變電阻區(qū)，溝道尚未夾斷，漏極電流與漏源之間電壓近似線性關(guān)系，漏源之間的電阻RDS隨柵源之間的電壓改變，柵源之間電壓越負(fù)，RDS就越大。RDS可從幾十歐變化到幾千歐。

3 AGC電路設(shè)計

在項目中要求對位置檢測線圈中的感應(yīng)電壓進行放大，然后送A／D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。初步查明，在探頭（激勵線圈）有效移動范圍內(nèi)，感應(yīng)電動勢峰峰值大小可從2μV變化為16mV。而12位的A／D轉(zhuǎn)換器，允許輸入信號的電平為0～2.42V，工作電壓為3.3V。因此，要設(shè)計一種AGC放大電路，當(dāng)信號變化范圍很大時，能連續(xù)改變放大器的放大倍數(shù)，使輸出電壓保持在一定的范圍之內(nèi)。輸入信號電壓Ui峰值變化范圍為2μV～16mV時，放大器的輸出電壓Uo峰值對應(yīng)為5mV～2.4V。

3.1 AGC電路的設(shè)計原理

系統(tǒng)使用LM324，并采用二級放大結(jié)構(gòu)，如圖3所示。第1級放大由放大器和場效應(yīng)管組成；第2級放大由運放器構(gòu)成，主要是提高電路的整體放大倍數(shù)，對增益的控制，是關(guān)鍵技術(shù)，在輸出端采用半波整流，給場效應(yīng)管提供一個偏置電壓。

圖3 基于LM324的AGC電路原理

3.2 AGC電路的組成部分

一級放大為同相比例運放［6］，輸出為：

R5為第一級放大的反饋電阻；RDS為場效應(yīng)管3DJ6F漏極與源極之間的電阻。RDS是可變的，通過控制柵極的電壓來控制RDS，從而達到增益的自動控制。

二級放大也為同相比例運放［6］，輸出為：

通過調(diào)節(jié)R11可以對放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，設(shè)計二級放大主要是為了確保能對很微弱的信號進行適當(dāng)比例的放大，使最后輸出信號的值在一個較好的范圍之內(nèi)?？刂齐妷寒a(chǎn)生電路采用半波整流，根據(jù)二級管的單向?qū)ㄐ?，在電容C2和C3兩端得到與輸入信號成正比的直流電壓，再通過運算放大器的放大，在結(jié)型場效應(yīng)管柵極得到控制電壓，大小為：

UA為圖3中A點的電位。

4 電路實驗測試與分析

4.1 AGC電路的測試數(shù)據(jù)

AGC電路的實際測試如圖4所示。由于使用的函數(shù)信號發(fā)生器的最低擋位的最大輸出信號為2 mV，為了確保能夠準(zhǔn)確地輸出2μV信號，在函數(shù)信號發(fā)生器后加了衰減器進行衰減1000倍。對輸入頻率為1kHz的正弦信號進行AGC電路測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。通過表1測試數(shù)據(jù)可以看出，在輸入頻率為1kHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號時，隨著輸入信號的增大，AGC電路的放大倍數(shù)在逐漸減小；當(dāng)輸入信號峰峰值小于2μV時，通過二極管D1整流獲得的電壓幾乎為0，柵極電壓為0，漏源之間的電阻為最小，且不在可變電阻區(qū)，AGC電路無法正常工作；當(dāng)輸入信號大于20mV時，由于從第二級放大電路反饋回來的負(fù)電壓的絕對值較大，3DJ6F結(jié)型場效應(yīng)管溝道完全夾斷，漏源電阻不變化，整個AGC電路不起作用。

圖4 AGC測試

表1 基于LM324的AGC電路測試數(shù)據(jù)

4.2 不同頻率下Uo與Ui的關(guān)系

通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，可繪出不同頻率下輸出信號Uo與輸入信號Ui的關(guān)系曲線，如圖5所示。頻率變大時，Uo與Ui間的放大倍數(shù)Au不斷變小；當(dāng)輸入信號頻率高于50kHz時，輸出信號幾乎為零，該電路對頻率從200Hz到20kHz的輸入信號有較好的增益調(diào)節(jié)控制作用。

圖5 不同頻率下Uo與Ui的曲線

4.3 不同輸入信號下Au與f之間的關(guān)系

分析實驗數(shù)據(jù)后繪出放大倍數(shù)Au與頻率f之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。電路的頻帶較窄，隨著輸入信號電壓值的增大，放大倍數(shù)逐漸減小。

圖6 不同輸入信號下Au與f之間的曲線

5 結(jié)束語

根據(jù)電磁渦流無損探傷中探頭位置測量裝置研制的需要，設(shè)計了適應(yīng)大動態(tài)范圍信號處理的AGC放大電路。電路使用LM324集成運放芯片，利用二級放大達到整個電路的高增益，再利用結(jié)型場效應(yīng)管工作于可變電阻區(qū)，引入反饋控制，從而達到AGC的作用。通過實驗采集數(shù)據(jù)并繪圖分析，AGC電路對2μV到20mV之間的微弱信號有較好的增益控制作用，AGC電路的頻帶寬大概為5 kHz，對輸入為2μV到20mV，頻率為1kHz的信號有良好的增益可調(diào)作用，放大倍數(shù)在100倍到2500倍之間變化。但是AGC電路的頻帶較窄，輸入信號的范圍較小，當(dāng)輸入信號太小時容易受到外界噪聲的干擾，可以通過在第二級放大處用一個3DJ6F取代圖3中的R1，構(gòu)成二級AGC放大電路，2個結(jié)型場效應(yīng)管的柵極直接相連，從而對動態(tài)范圍較大的輸入信號有更好的作用。

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