自动增益放大系统的简易设计

司马明

摘  要：本设计以程控增益放大器AD603为核心，通过单片机STC89C52控制各模块，实现了输入信号及环境噪声幅度自动调节音量的自动增益控制音响放大器。文章重点介绍了程控放大模块、噪声采集模块、有效值检测模块等主要电路模块。系统从mp3或信号源输入音频（100 Hz～10 kHz）信号给程控增益放大器AD603，将信号放大输出，通过峰值检测电路检测出输出信号，并送给单片机AD采样，与理想输出信号数值进行比较，若有多偏差，则通过调整对AD603的增益控制电压，从而实现带动600 Ω负载或驱动8 Ω喇叭。

关键词：AD603;STC89C52;自动增益控制

中图分类号：TN72      文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0011-02

1  系统方案论证

1.1  控制方案的论证与选择

 方案一：  采用AD603和运放构成电压比较减法电路实现。将输入电压与理想电压的误差经相应的幅值和极性处理后作为AD603的控制信号，从而实现放大倍数的自动调节，实现输出电压的恒定。该方案结构简单，制作容易成本低，但控制精度不够，适用性不强。

 方案二：以单片机作为控制器件，通过单片机对输入信号进行AD采样，与理想输出信号比较得到误差，根据误差调整AD603增益控制电压，从而实现对AD603放大倍数的精确控制，实现输出电压的恒定。该方案控制精确，控制速度快，系统整体稳定性高，功能改变和增加容易。但系统的设计稍复杂。

 通过对两个方案的综合对比，我们选用方案二。

1.2  程控增益放大论证与选择

 方案一：使用多个高速运放和模拟开关构成程控增益放大。通过控制模拟开关选择不同的反馈电阻实现可控增益。这种方案结构简单，易实现，但由于模拟开关其导通电阻很大，使得各通道信号容易相互干扰，甚至影响通频带宽，同时  若要实现增益连续可调，整体结构复杂，调试麻烦。

 方案二：采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器AD603。通过单片机控制D/A输出高精度直流电压来控制AD603内部的衰减网络，实现精度〒0.5 dB增益可调。用少数外围器件级联两片AD603可实现增益-20～60 dB连续可调，满足题目要求。

  综上所述：本设计采用方案二，用高精度10位DAC输出直流电压控制AD603实现程控增益放大。

1.3  控制模块的论证与选择

 方案一：控制模块为MCS-51单片机。MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。但MCS-51优点是控制简单方便，成本较低，其缺点资源有一定的限制，在扩展功能方面需要外扩单元。

 方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，基于闪存的产品系列，具有最低工作功耗，在1.8 V～3.6 V的工作电压范围内性能高达25 MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管路模块。MSP430的优点是资源丰富，操作语言灵活，但对编程的要求有所提高。

 由于设计本身对MCU性能要求不太高，对两个方案的综合对比，我们选择成本低，能实现设计要求的单片机MCS-51做我们的主控制器。

1.4  系统总体设计

 根据本设计的要求，可得系统整体结构由单片机控制模块、程控放大模块、噪声采集模块、有效值检测模块、扬声器模块、键盘输入模块和液晶显示模块组成，如图1所示。

2  理论分析与参数计算

2.1  自动增益控制的原理

 自动增益控制电路的主要作用是使设备输出电平保持一定的数值。对自动增益控制电路的主要要求是控制范围要宽，信号失真要小，要有适当的响应时间，同时不能影响系统的噪声性能。当输入信号的电平在一定范围内变化时，尽管自动增益控制电路能够大大减小输出信号电平的变化，但是不能完全消除电平的变化。对于自动增益控制系统来说，一方面希望输出信号电平的变化越小越好，另一方面则希望输入信号电平的变化范围越大越好。在给定输出电平变化范围内，允许输入信号电平的变化范围越大，就意味着自动增益控制电路的控制范围越宽。

AGC电路工作原理分为增益受控放大电路和控制电压形成电路。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压U0而改变。控制电压形成电路的基本部件是AGC整流器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。

2.2  自动增益控制的实现

 AD603是宽频带、低噪音、低畸变、高增益、高精度压控VGA芯片。AD603有三种工作模式：-10～30 dB、0～40 dB和10～ 50 dB，本模块选择90 MHz带宽的两级级联电路形式。

  AD603带内纹波较大，两级芯片级联时最大增益可达60 dB，因此，模块中在两级AD603中间有适当的高速缓冲器以改善其通带特性，同事也能防止高增益时电路可能产生的震荡问题;为拓宽其增益的设置范围，本模块的最后一级设计了放大电路，改变电阻值就可以改变其放大倍数，放大器增益默认设置为0 dB;另外，为方便调节增益，模块电路设置了两种方式：手动方式通过调节电位器控制增益、自动方式通过外部DA控制增益，模块配合凌志的电子系统设计开发板中C8051F020单片机的DAC0控制增益。

AD603由5脚和7脚的连接方式不同而有三种：

 方案一：5脚和7脚短接，增益为-10bD～50 dB，带宽为90 MHz;

 方案二：5脚和7脚间接一个2.5 K电阻，在经过5.6 pF电容接地，该方案增益为综合考虑课题要求。增益在约0 ～40 dB，带宽为30 MHz;

方案三：5脚接18 pF电容到地，该方案增益为10 ～50 dB，带宽为9 MHz;综合考虑课题要求，增益在约0 ～30 dB之间，再考虑带宽所采用的方案一芯片连接，如图2所示。

2.3  自动增益控制的理论计算

 若用mi=代表自动增益控制电路输入信号电平的变化范围，则mo=代表自动增益控制电路输出信号电平的变化范围。当给定mo时，mi越大的自动增益控制范围越宽。取  ng=，称ng为增益控制倍数，显然ng越大控制范围越宽。

ng====（1）

式中，Amax=Vomin/Vimin是自动增益控制的最大增益;

Amin=V/V是自动增益控制的最小增益。

3  电路设计和程序设计

3.1  系统原理电路的设计

 电路主要由四块芯片构成，第一级AD603程控放大电路、高速缓冲电路、第二级AD603程控放大电路、末级缓冲/放大电路。两级AD603的控制模式都选择90 MHz带宽模式，按照官方芯片手册的连续方式来设计电路，两级AD603的增益控制引脚直接短接，实现增益的同步设置;中间级高速运放只做缓冲器作用末级运放根据用户时间需要来设计放大器增益，放大器连接方式为同相输入比例放大，其增益值有R1和R3的壁纸来决定，本模块默认不焊接R3，构成末级缓冲器。

 AD603在90M带宽模式下的增益控制范围为-10～30 dB，两级AD603级联后的增益控制范围为-20～60 dB，二本模块中为了使电路匹配50 Ω阻抗，在中间级联的电路衰减了8倍。

3.2  MIC拾音电路设计

 MIC将外界的声音信号变为音频信号，经C2耦合给Q1的基极进行调制，当有声音信号时，三极管的集电极电容发生变化，导致振荡频率发生变化，完成频率调制。Q2，R6，R9，C4，C5，C13，C14及C5组成三点式电容谐振电路，产生高频载波信号并进行调制。

3.3  有效值检测模块

 有效值检测模块输入端接隔直电容C3，如果只测交流信号，加此电容;否则将其短路。它可以将任何交流输入信号的有效值变换成等值的直流电压，由9脚输出直流电压。9脚输出端接滤波电容C6，也称平均电容。当输入的频率一定时，直流误差仅与平均电容C6有关，而不受后置滤波器的影响。交流纹波分量可以用增大平均电容C6的值来减小。

 AD637供电电源可以从正负3 V到正负18 V。随供电电压的不同，最大输出电压也相应改变，一般是输出电压最大值比供电电源电压小1 V左右。AD637有片选功能，可将器件静态电流从2.2 mA降低到350 uA。

4  结  语

 本文重点介绍了增益放大系统的主要组成电路。在此过程中，选用合适的集成电路为电路设计带来了方便，同时还应注意的是，严格的参数计算给设计带来了可靠的理论支撑，这是电子设计实战中给我们带来的经验。

参考文献：

[1] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，

2006，（1）.

[2] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，

2006，（1）.

[3] 谢自美.电子线路设计·调试（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社，

2006，（8）.