基于PID控制的AGC宽频带放大器设计

彭智刚

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621000)

1 引言

随着现代通信系统的快速发展，为了使通信系统工作稳定，性能完善，适应性更高，一种AGC自动增益控制电路随即产生[1]。目前AGC自控控制增益广泛应用于数字信号处理、微波毫米波端电路设计、高频载波通信等领域。

过去AGC自动增益控制主要采取硬件手段，通过比较器控制电平输入。具有简单、成本低的特点，但是快速性、精确性方面仍有不足。伴随现代通信系统对快速性、精确性要求的提高，目前采用微处理器通过A/D 采样运算处理进行AGC控制居多。本文主要介绍一种PID控制手段，设计一种AGC宽频带放大器，来实现快速AGC控制。

2 系统方案

设计与制作AGC功能的宽频带放大器的总体方案图如图1所示。首先硬件部分选择超宽带，大于40 dB增益调节范围，线性dB可变增益放大器VCA821。放大后输出至检波电路，检波输出波形峰值。通过Stm32 A/D采样，在Stm32内部使用PID算法[7]使输入变量稳定在同一个值。然后通过单片机D/A输出至VCA821的控制端Vg，从而调节放大器的增益，形成一个闭环系统[3]。

图1 AGC宽频带放大器设计框

3 VCA821

选择程控放大器VCA821作为放大芯片，VCA821具有超带宽，大于40dB增益调节范围，线性增益可变的特性，其各引脚及功能如图2所示。

图2 VCA821引脚分布

Vg是控制端，通过改变输入Vg的直流电压从而改变放大器的增益，其输入电压变化范围为0～2 V，通过实际测试，实际可控电压范围为0.5～1.4 V。

Vin+和Vin-为一对反向输入端，在本设计中，将Vin-通过50 Ω电阻下拉到地，输入信号就从Vin+输入。

Rg+和Rg--同样可以起到改变放大器增益的作用，通过改变两端的接入电阻大小来改变放大器的增益。

Vref是电压比较的引脚，也是一个基准电压，这里采用1 KΩ电阻下拉接地的方式是基准电压为0 V。

Vout是芯片输出电压引脚，放大后的信号通过该脚输出。

FB为芯片的反馈端，需要通过输出端接入一个反馈电阻形成反馈调节

4 硬件设计方案

4.1 外围电路

放大器的外围电路参数的选取决定了放大器的增益和带宽。在不产生自激的前提下，合理选取电路参数有利于指标的实现。图3为放大器外围电路图。

在输入端，通过一个0.47 μF大电容作为耦合电容，其作用一方面是隔直通交，滤除输入信号中的直流量；另一方面还起到了选择带宽的作用，电容值大则通低频阻高频，相当于一个低通滤波器[1]。之后旁路一个50 Ω电阻到地，其作用为源匹配，在输入端作为输入电阻50 Ω，减少信号反射对信号源的损坏，并且使得信号尽量多的传输。

图3 VCA821外围电路

在输出端，接入50 Ω负载匹配电阻，该电阻作用是形成负载匹配，使得信号衰减最小，信号能最大传输至下一级电路[2]。

直流电压控制端从输入点切入，首先采用0.01 uF电容接地，之后连接一个100 Ω电阻，最后接入电压控制端Vg。其作用是，电容起到滤波作用，滤除D/A输入信号中的交流成分。电阻起到保护作用，因为输入直流电压为0～2 V，接入100 Ω电阻使电流减小。

Rg+和Rg-两端使用80 Ω电阻，同时反馈电阻Rf使用1 KΩ电阻。这样选取参数是根据芯片数据手册，放大倍数可以达到12倍。在调试中，还选择了Rf=402 Ω，Rg=18 Ω 和Rf=402 Ω，Rg=80 Ω两种方案，但是无法同时达到增益和带宽要求，所以不选用，详细见如上方案设计。

4.2 滤波电路

放大器设计要有适当的滤波电路，否则杂波的干扰可能会导致放大器自激振荡。首先是电源滤波，电源采用3级滤波，分别使用1 μF、0.1 μF、0.01 μF电容旁路到地，3级滤波可以尽可能多的滤除电源中的交流成分。其次，单片机D/A输出端采用0.01 μF电容旁路到地，滤除D/A输出直流中的交流成分。最后模拟信号输入应采用耦合电容滤波，这里滤除的是模拟交流信号中的直流成分。

4.3 峰值检波器

在信号输出后要经过峰值检波器，得到信号的峰值电压。在峰值检波器的设计中，采用1N60P检波二极管和10nF的检波电容完成[5]。1N60P检波二极管为锗检波二极管，导通时存在0.3 V的压降，所以理论上检波出来结果应比实际峰值低300 mV。在实际测试中，输入频率10 MHz，幅值1 V的正弦波，检波得到直流量为360 mV，检波效率为36%。这是由于检波和输入频率和电容放电速度有关，输入频率越高，检波值越大。电容选择值较大，电容快充慢放，检波效率提高。

5 理论分析计算

5.1 步进控制及分贝转换

采用分贝电压控制，由公式(1)，(2)得：

(1)

(2)

当步进控制为2 dB时增益为100.1，即当输入设定为100 mV时输出为125.9 mV。换算结果如表1所示。

将分贝数转化为倍数，列举电压数组，输入设定为100 mV，中心频率10 MHz。当检测到按键0按下时，增益提高2 dB，数组元素标号加2，通过DAC输出对应电压；检测到按键1按下，相应增益减小2 dB，数组标号减2，DAC输出。

表1 分贝换算

5.2 ADC数据采集

选用Stm32F103zet6内部12位ADC，采样最大输入电压3.3 V，最小分辨率0.81 mV，6分频，241个周期，49.793 kHz采样频率。读取采集数值Vin，通过公式(3)得到电压输入幅值。

(3)

5.3 自动增益控制

将无模型自适应控制算法应用于AGC系统,利用闭环被控系统的输入、输出及影响量量测数据[8]。通过STM32内部ADC采集检波电压幅值系数，利用PID算法，将其与预设值相比较，若超过预设值，则系数输出，反之最增大，否则稳定[4]。数据比较通过定时器控制，频率为1 MHz，优先级次于按键中断。然后通过内部12位DAC输出控制电压。

5.4 算法设计

采用经典位置式PID控制算法[6]。通过函数信号发生器产生标准正弦波，将标准正弦波检波所得结果作为目标值，通过与当前实际采得检波值相比较，得到偏差Err[7]，由公式：

Vout=P×Err+1×Sum+D×(L.Err-Err)

(4)

得到应输出电压。其中P、I、D为常数，Sum为累计误差，L.Err为上一次误差。控制流图如图4所示。

图4 PID控制流

6 系统运行结果

当输入频率为10 MHz时，使用AGC自动调节模式，改变输入幅度，记录输出幅度，如表2所示。放大器的放大倍数为12倍，当输出幅度在900～1100 mV时，即AGC控制指标，从而得到输入变化范围，效果如图5所示。

表2 AGC模式测试结果 mV

图5 AGC测试波形

7 结语

在现代通信领域广泛使用AGC自动增益控制，进而确保系统的快速平稳性。目前采取的使用PID控制的AGC宽频带放大器设计结合软硬件设计，可通过软件修正弥补硬件上的不足。但是在输入信号过小时会出现放大倍数不够、过大时出现饱和失真现象。这些在选取程控芯片上可以得到改善，应尽量选取高带宽、增益较大的程控放大器。