自動(dòng)增益放大系統(tǒng)的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)

司馬明

摘 ?要：本設(shè)計(jì)以程控增益放大器AD603為核心，通過(guò)單片機(jī)STC89C52控制各模塊，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)及環(huán)境噪聲幅度自動(dòng)調(diào)節(jié)音量的自動(dòng)增益控制音響放大器。文章重點(diǎn)介紹了程控放大模塊、噪聲采集模塊、有效值檢測(cè)模塊等主要電路模塊。系統(tǒng)從mp3或信號(hào)源輸入音頻（100 Hz～10 kHz）信號(hào)給程控增益放大器AD603，將信號(hào)放大輸出，通過(guò)峰值檢測(cè)電路檢測(cè)出輸出信號(hào)，并送給單片機(jī)AD采樣，與理想輸出信號(hào)數(shù)值進(jìn)行比較，若有多偏差，則通過(guò)調(diào)整對(duì)AD603的增益控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)600 Ω負(fù)載或驅(qū)動(dòng)8 Ω喇叭。

關(guān)鍵詞：AD603;STC89C52;自動(dòng)增益控制

中圖分類號(hào)：TN72 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）03-0011-02

1 ?系統(tǒng)方案論證

1.1 ?控制方案的論證與選擇

?方案一： ?采用AD603和運(yùn)放構(gòu)成電壓比較減法電路實(shí)現(xiàn)。將輸入電壓與理想電壓的誤差經(jīng)相應(yīng)的幅值和極性處理后作為AD603的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的恒定。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易成本低，但控制精度不夠，適用性不強(qiáng)。

?方案二：以單片機(jī)作為控制器件，通過(guò)單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行AD采樣，與理想輸出信號(hào)比較得到誤差，根據(jù)誤差調(diào)整AD603增益控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)AD603放大倍數(shù)的精確控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的恒定。該方案控制精確，控制速度快，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性高，功能改變和增加容易。但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)稍復(fù)雜。

?通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的綜合對(duì)比，我們選用方案二。

1.2 ?程控增益放大論證與選擇

?方案一：使用多個(gè)高速運(yùn)放和模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成程控增益放大。通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)選擇不同的反饋電阻實(shí)現(xiàn)可控增益。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但由于模擬開(kāi)關(guān)其導(dǎo)通電阻很大，使得各通道信號(hào)容易相互干擾，甚至影響通頻帶寬，同時(shí) ?若要實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試麻煩。

?方案二：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器AD603。通過(guò)單片機(jī)控制D/A輸出高精度直流電壓來(lái)控制AD603內(nèi)部的衰減網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)精度〒0.5 dB增益可調(diào)。用少數(shù)外圍器件級(jí)聯(lián)兩片AD603可實(shí)現(xiàn)增益-20～60 dB連續(xù)可調(diào)，滿足題目要求。

? 綜上所述：本設(shè)計(jì)采用方案二，用高精度10位DAC輸出直流電壓控制AD603實(shí)現(xiàn)程控增益放大。

1.3 ?控制模塊的論證與選擇

?方案一：控制模塊為MCS-51單片機(jī)。MCS-51以其典型的結(jié)構(gòu)、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統(tǒng)和面向控制功能的豐富的指令系統(tǒng)，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟。但MCS-51優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單方便，成本較低，其缺點(diǎn)資源有一定的限制，在擴(kuò)展功能方面需要外擴(kuò)單元。

?方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，基于閃存的產(chǎn)品系列，具有最低工作功耗，在1.8 V～3.6 V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25 MIPS。包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管路模塊。MSP430的優(yōu)點(diǎn)是資源豐富，操作語(yǔ)言靈活，但對(duì)編程的要求有所提高。

?由于設(shè)計(jì)本身對(duì)MCU性能要求不太高，對(duì)兩個(gè)方案的綜合對(duì)比，我們選擇成本低，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的單片機(jī)MCS-51做我們的主控制器。

1.4 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

?根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，可得系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由單片機(jī)控制模塊、程控放大模塊、噪聲采集模塊、有效值檢測(cè)模塊、揚(yáng)聲器模塊、鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊組成，如圖1所示。

2 ?理論分析與參數(shù)計(jì)算

2.1 ?自動(dòng)增益控制的原理

?自動(dòng)增益控制電路的主要作用是使設(shè)備輸出電平保持一定的數(shù)值。對(duì)自動(dòng)增益控制電路的主要要求是控制范圍要寬，信號(hào)失真要小，要有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，同時(shí)不能影響系統(tǒng)的噪聲性能。當(dāng)輸入信號(hào)的電平在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，盡管自動(dòng)增益控制電路能夠大大減小輸出信號(hào)電平的變化，但是不能完全消除電平的變化。對(duì)于自動(dòng)增益控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面希望輸出信號(hào)電平的變化越小越好，另一方面則希望輸入信號(hào)電平的變化范圍越大越好。在給定輸出電平變化范圍內(nèi)，允許輸入信號(hào)電平的變化范圍越大，就意味著自動(dòng)增益控制電路的控制范圍越寬。

AGC電路工作原理分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓U0而改變?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考茿GC整流器和低通平滑濾波器，有時(shí)也包含門電路和直流放大器等部件。

2.2 ?自動(dòng)增益控制的實(shí)現(xiàn)

?AD603是寬頻帶、低噪音、低畸變、高增益、高精度壓控VGA芯片。AD603有三種工作模式：-10～30 dB、0～40 dB和10～ 50 dB，本模塊選擇90 MHz帶寬的兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路形式。

? AD603帶內(nèi)紋波較大，兩級(jí)芯片級(jí)聯(lián)時(shí)最大增益可達(dá)60 dB，因此，模塊中在兩級(jí)AD603中間有適當(dāng)?shù)母咚倬彌_器以改善其通帶特性，同事也能防止高增益時(shí)電路可能產(chǎn)生的震蕩問(wèn)題;為拓寬其增益的設(shè)置范圍，本模塊的最后一級(jí)設(shè)計(jì)了放大電路，改變電阻值就可以改變其放大倍數(shù)，放大器增益默認(rèn)設(shè)置為0 dB;另外，為方便調(diào)節(jié)增益，模塊電路設(shè)置了兩種方式：手動(dòng)方式通過(guò)調(diào)節(jié)電位器控制增益、自動(dòng)方式通過(guò)外部DA控制增益，模塊配合凌志的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板中C8051F020單片機(jī)的DAC0控制增益。

AD603由5腳和7腳的連接方式不同而有三種：

?方案一：5腳和7腳短接，增益為-10bD～50 dB，帶寬為90 MHz;

?方案二：5腳和7腳間接一個(gè)2.5 K電阻，在經(jīng)過(guò)5.6 pF電容接地，該方案增益為綜合考慮課題要求。增益在約0 ～40 dB，帶寬為30 MHz;

方案三：5腳接18 pF電容到地，該方案增益為10 ～50 dB，帶寬為9 MHz;綜合考慮課題要求，增益在約0 ～30 dB之間，再考慮帶寬所采用的方案一芯片連接，如圖2所示。

2.3 ?自動(dòng)增益控制的理論計(jì)算

?若用mi=代表自動(dòng)增益控制電路輸入信號(hào)電平的變化范圍，則mo=代表自動(dòng)增益控制電路輸出信號(hào)電平的變化范圍。當(dāng)給定mo時(shí)，mi越大的自動(dòng)增益控制范圍越寬。取 ?ng=，稱ng為增益控制倍數(shù)，顯然ng越大控制范圍越寬。

ng====（1）

式中，Amax=Vomin/Vimin是自動(dòng)增益控制的最大增益;

Amin=V/V是自動(dòng)增益控制的最小增益。

3 ?電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)

3.1 ?系統(tǒng)原理電路的設(shè)計(jì)

?電路主要由四塊芯片構(gòu)成，第一級(jí)AD603程控放大電路、高速緩沖電路、第二級(jí)AD603程控放大電路、末級(jí)緩沖/放大電路。兩級(jí)AD603的控制模式都選擇90 MHz帶寬模式，按照官方芯片手冊(cè)的連續(xù)方式來(lái)設(shè)計(jì)電路，兩級(jí)AD603的增益控制引腳直接短接，實(shí)現(xiàn)增益的同步設(shè)置;中間級(jí)高速運(yùn)放只做緩沖器作用末級(jí)運(yùn)放根據(jù)用戶時(shí)間需要來(lái)設(shè)計(jì)放大器增益，放大器連接方式為同相輸入比例放大，其增益值有R1和R3的壁紙來(lái)決定，本模塊默認(rèn)不焊接R3，構(gòu)成末級(jí)緩沖器。

?AD603在90M帶寬模式下的增益控制范圍為-10～30 dB，兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)后的增益控制范圍為-20～60 dB，二本模塊中為了使電路匹配50 Ω阻抗，在中間級(jí)聯(lián)的電路衰減了8倍。

3.2 ?MIC拾音電路設(shè)計(jì)

?MIC將外界的聲音信號(hào)變?yōu)橐纛l信號(hào)，經(jīng)C2耦合給Q1的基極進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)，三極管的集電極電容發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生變化，完成頻率調(diào)制。Q2，R6，R9，C4，C5，C13，C14及C5組成三點(diǎn)式電容諧振電路，產(chǎn)生高頻載波信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制。

3.3 ?有效值檢測(cè)模塊

?有效值檢測(cè)模塊輸入端接隔直電容C3，如果只測(cè)交流信號(hào)，加此電容;否則將其短路。它可以將任何交流輸入信號(hào)的有效值變換成等值的直流電壓，由9腳輸出直流電壓。9腳輸出端接濾波電容C6，也稱平均電容。當(dāng)輸入的頻率一定時(shí)，直流誤差僅與平均電容C6有關(guān)，而不受后置濾波器的影響。交流紋波分量可以用增大平均電容C6的值來(lái)減小。

?AD637供電電源可以從正負(fù)3 V到正負(fù)18 V。隨供電電壓的不同，最大輸出電壓也相應(yīng)改變，一般是輸出電壓最大值比供電電源電壓小1 V左右。AD637有片選功能，可將器件靜態(tài)電流從2.2 mA降低到350 uA。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

?本文重點(diǎn)介紹了增益放大系統(tǒng)的主要組成電路。在此過(guò)程中，選用合適的集成電路為電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便，同時(shí)還應(yīng)注意的是，嚴(yán)格的參數(shù)計(jì)算給設(shè)計(jì)帶來(lái)了可靠的理論支撐，這是電子設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)中給我們帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)。

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