基于VCA810的自动增益控制放大器的设计与实现

王书立，王勤宏

(苏州市职业大学 a.艺术学院；b.计算机工程学院，江苏 苏州 215104)

自动增益控制(automatic gain control，AGC)电路是指能将放大电路的增益随输入信号强度的改变而自调整的控制电路。它能够在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号的幅度保持恒定或仅在较小范围内变化。AGC电路不会因为输入信号太小而无法正常工作，也不会因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。当前，该电路已被广泛应用于各种接收机、录音机和信号采集系统中[1-3]。本研究以STM32F103RET6和VCA810为核心部件，设计并实现了一个输出幅度保持、步进式调节和任意设定的自动增益控制音频放大器。

1 设计方案

1.1 AGC方案比较

所需的设计目标是将音频放大器的输出保持在默认值并实现放大器输出的步进式调节和能够随着输入信号及环境噪声幅度的改变自动调节放大倍数。可见如何实现AGC是本研究的关键问题。常见实现AGC的方法可以分为以下三类：基于电路反馈的AGC；基于光路反馈的AGC；光路反馈和电路反馈相结合的AGC。本研究选择基于电路反馈的利用放大器实现AGC的方法，有以下三种实现方案。

方案一：通过两级放大器级联实现AGC。将经过两级AD603级联后放大的信号，一路送入下一级信号通道，另一路输入到三极管。利用三极管发射极的PN结完成AGC检波。当输入信号增大时，经三极管反馈回到AD603之后相应地减小输出的压控电压；当输入信号减小时，压控电压则会相应地增大，即压控电压与输入信号的强度成反比，符合AGC电压反向控制要求。

方案二：利用放大器和场效应管共同组成的电路实现AGC。整个电路由包括场效应管在内的压控增益放大器、整流滤波电路和直流放大器组成，实现增益的闭环控制。输出电压经过整流电路和滤波电路形成压控电压，加到场效应管的栅极，当压控电压发生变化时，源极和漏极之间的电阻亦发生变化，因此放大器的放大倍数也发生变化；故当输入信号强时可自动减小放大器的倍数，当输入信号弱时可自动增大放大器的倍数，从而实现信号的自动调节，达到AGC的目的。

方案三：通过单片机调节放大器的压控电压实现AGC。选用TI公司生产的集成压控增益放大器VCA810实现主增益控制，压控增益放大器的增益与控制电压成线性关系，控制电压由单片机控制DAC产生。VCA810具有-40~+40 dB的增益控制范围，精度达到1 dB，带宽25 MHz，并且具有低噪声的特性，很适合音频信号的放大[4]。

上述三种方案都能达到AGC的目的。考虑到压控增益放大器VCA810的性能优于AD603，而且通过单片机调节放大器的压控电压，可以使增益控制更为精确和灵活。本研究采用方案三实现AGC。

1.2 总体设计方案

本研究选择由单片机主控制模块、自动增益控制模块、功率放大模块、分级处理模块、测频模块、键盘输入模块、LCD显示模块、话筒输入模块和电源模块组成，总体设计方案如图1所示。其中：单片机主控制模块以ARM微处理器STM32F103RET6[5-6]为处理控制核心；自动增益控制模块在方案三的基础之上增加分组处理模块，用于测量输入和输出信号前级的预处理[7-8]；话筒输入模块用于测量环境噪声。

图1 系统总体设计方案

2 硬件设计

自动增益控制模块和分级处理模块是实现放大器输出幅度保持、显示、步进式调节和任意设定等功能的关键模块，下面重点介绍这两个模块的硬件电路设计。

2.1 自动增益控制模块的设计

TI公司生产的压控增益放大器VCA810的增益控制采用反馈的形式，通过调节控制电压VG来控制放大增益，从而控制输出幅度。增益与电压的关系为G(dB)=-40．(VG+1) dB，其中，-2 V≤VG≤0 V。当VG=0 V时，G(dB)=-40 dB；当VG=-2 V 时，G(dB)=40 dB，可见其增益的变化范围为-40～+40 dB。本系统的设计目标是实现放大器输出幅度的保持、步进式调节和任意设定等功能，故放大增益需要根据输出幅度设置的变化而变化，为此，采用TI公司生产的低功耗单电源运算放大器OPA830作为比较器，比较VCA810输出电压Vo和设置电压Vc，所用压控增益放大电路如图2所示。

图2 压控增益放大电路

当Vo大于预设置电压Vc，OPA830输出摆向OPA830的VS，二极管正向偏置，给电容C10充电，这个正向增加的电压将会使VCA810的控制电压上升，导致其增益下降，输出下降。R16/R18/C10共同决定了这个过程的时间常数，即AGC的修正时间。在修正时间内，当-VS通过R17将电容C10的电压向反方向修正时，则相应地增加VCA810的增益。这个过程的时间常数由R16/R17/C10共同确定。并且因为R16和R17可实现分压，因而可限制加在C10上的最大反向电压，这个限制可以有效保护基于VCA810的AGC电路的输入过载。

STM32F103RET6控制DAC产生的控制电压为0～2.5 V。为了任意设定输出电压幅度，设置电压Vc由双极性输出电路产生，所用双极性输出电路如图3所示。由图3可知，该双极性输出电路的主芯片是TI公司生产的由CMOS 输入、RRIO、精密宽电源范围放大器LMP7701，其Vc的变化为-5 ~+5 V。

图3 双极性输出电路

2.2 分级处理模块的设计

分级处理模块的设计框图如图4所示。考虑到输入信号的幅度在10 mV~5 V，为了实现输入信号的精确测量，需要对输入信号进行分级处理。对幅度在0~600 mV的输入信号在测量前先进行放大，对幅度在600 mV~5 V的输入信号在测量前先进行衰减。另外，因放大器输出幅度在1~3 V，为了实现对输出信号的测量，对较大的输出信号在测量前也需要进行衰减。通过合理设置元件参数，使用图5所示的电路可以实现信号的放大或衰减。

图4 分级处理模块设计

图5 放大/衰减电路

3 系统软件设计

根据设计目标，系统软件主要负责测量和显示输入信号的幅度及频率，进而自动控制放大器的增益，并根据键盘输入设定放大器的输出。为了便于修改和调试，系统软件采用模块化程序设计，包括初始化、采集信号、键盘扫描、稳定输出等子程序，主程序流程图如图6所示。在主程序中设计有4种工作模式，分别为稳定输出模式、步进调节输出模式、自动调节输出模式与输入输出指示模式。可以使用键盘任意切换模式进行工作，显示器显示当前模式下采集到的信号值与工作状态。

图6 主程序流程图

4 系统性能测试

将本系统在无强噪声干扰的办公室环境中，分别使用信号发生器、MP3、万用表、示波器等仪器设备进行多次实验测试。

4.1 输出稳定性测试

从信号发生器输入频率为100 Hz~10 kHz的音频信号，放大器分别带600 Ω负载和驱动8 Ω喇叭（2~5 W）。调节输入信号幅度在10 mV~5 V，系统的设计目标是输出信号保持在2 V内，测量放大器实际输出信号并记录，测量结果见表1、表2。其中，相对误差=[(测量值－2 V)/2 V]×100%。

表2 放大器驱动8 Ω喇叭时的测量参数及结果

由表1和表2可知，放大器可以从MP3或信号源输入音频（100 Hz~10 kHz）信号，带600 Ω负载或驱动8 Ω喇叭（2~5 W）。当输入信号幅度在10 mV~5 V时，放大器输出默认值保持在(2±0.2) V内，而且波动较小。

4.2 显示功能测试

在输出稳定性测试的同时，观察并记录LCD上显示的输入信号幅度大小及频率高低，同信号发生器的显示值进行比较。表3是输入信号的显示比较。其中，相对误差=[(显示值－实际值)/实际值]×100%。

表3 输入信号的显示比较

由表3可知，放大器能够显示输入信号的幅度大小及频率高低。当输入信号幅度较大时，测量精度较高，对微小信号的测量精度还有待进一步提高，即分级处理模块还需要进一步改进。

4.3 输出调节性能测试

从信号发生器输入1 kHz、100 mV的音频信号，放大器带600 Ω负载，输出默认值为2 V。系统的设计目标是能够在1~3 V内步进式调节放大器输出幅度，步距为0.2 V。分别正向和反向步进式调节放大器输出幅度，结果见表4、表5。其中，相对误差=[(实际输出－理论输出)/理论输出]×100%。

表4 正向调节时的输出

表5 反向调节时的输出

由表4和表5可知，系统能够在1~3 V内步进式调节放大器输出幅度。

4.4 输出自动调节功能测试

系统的设计目标是能够根据环境噪声的改变自动调节放大器输出幅度。用一个MP3外放音频信号作为环境噪声，通过调节MP3外放的音量实现环境噪声的调整。对此进行以下几项测试：

1）从信号发生器输入1 kHz、100 mV的音频信号，放大器带600 Ω负载，先让环境噪声从小到大，再从大到小，观测放大器的输出幅度。

2）从信号发生器输入1 kHz、100 mV的音频信号，放大器驱动8 Ω喇叭。同样先让环境噪声从小到大，再从大到小，观测放大器的输出幅度。

3）从MP3输入音频信号，放大器驱动8 Ω喇叭。同样先让环境噪声从小到大，再从大到小，观测放大器的输出幅度。

三项测试的结果表明：环境噪声从小到大，放大器的输出幅度也会从小到大；环境噪声从大到小，放大器的输出幅度也会从大到小，结果如图7所示，当信号发生器输入1 kHz、100 mV的音频信号，放大器带600 Ω负载，在环境噪声从小到大的过程中，放大器输出幅度VP也由设定值1 V变化到1.362 V，甚至是2.719 V。

图7 放大器输出幅度的变化

4.5 其他功能测试

1）输出自动检测功能测试。设计目标是系统能够自动检测输出信号幅度并在LCD上显示。从信号发生器输入1 kHz、100 mV的音频信号，放大器带600 Ω负载，在1~3 V内步进式调节放大器输出幅度，记录并比较示波器上的输出测量值和LCD上的输出自动检测值。结果见表6，其中，相对误差=[(输出自动检测值－输出测量值)/输出测量值]×100%。由表6可知，在测试过程中，自动检测的相对误差绝对值小于3.5%。

2）输入输出变化指示功能测试。从MP3输入音频信号，放大器驱动8 Ω喇叭，在LCD上显示出输入信号、输出信号和话筒输入信号幅度大小的变化，结果如图8所示。

表6 输出自动检测的结果

图8 输入输出变化指示的显示结果

5 结论

自动增益控制电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信、雷达以及广播电视系统中也得到了广泛的应用。本研究选择基于电路反馈的利用放大器实现AGC的方案。为了使增益控制更为精确和灵活，利用VCA810集成度高、改变放大倍数无需添加外围电阻网络等优点，设计一个通过STM32F103RET6调节压控增益放大器VCA810压控电压的自动增益控制放大器。实验结果表明，当输入音频信号频率的区间为100 Hz~10 kHz，幅度为10 mV~5 V时，该放大器能够实现输出幅度的保持、步进式调节和任意设定等功能，并能够根据环境噪声的改变自动调节输出幅度。