一種大動態范圍AGC電路的設計與實現*

耿云輝，馮西安，張 路，肖 璐

(西北工業大學航海學院，西安710072)

1 引言

隨著現代科學技術的發展，電子對抗技術已廣泛應用于軍事行動中。雷達、聲納成為當前空中和水下探測目標的主要設備，并且扮演越來越重要的較色。

接收機是雷達、聲納系統的重要組成部分，其性能優劣直接影響探測目標的準確性。現實中，由于接收機距輻射源的距離不定及信號在傳播過程中衰減等因素的影響，作用在接收機輸入端的信號強度往往有很大的變化和起伏，而接收機一般只能處理幅度在小范圍內變化的信號，這就需要采用自動增益控制(AGC)壓縮輸入信號動態范圍。

AGC系統一般位于接收機的前端，當輸入信號的幅度在很大的范圍內變化時，AGC系統能自適應地改變放大器的增益，使接收機輸出信號的幅度保持不變或者只有很小的變化，從而達到有效壓縮系統動態范圍的目的。

此文中設計了一款應用于聲納接收機的自動增益控制電路，該系統可將信號輸出穩定在一定幅度，系統動態范圍為80dB。

2 AGC結構及原理

自動增益控制系統是一個自動幅度調節系統，電路種類繁多，從控制信號來分，可以分為模擬AGC和數字AGC兩種類型;從結構來分，可以分為開環AGC和閉環AGC兩種類型。雖然數字AGC電路控制靈活，適應性好，但由于噪聲性能不理想，容易限制接收機接收靈敏度，因此，在聲吶接收機前端信號調理電路中一般仍采用模擬AGC電路。

模擬AGC電路一般由壓控放大器、包絡檢波器、門限比較器和控制電壓產生器等模塊組成。圖1、圖2分別為開環AGC系統和閉環AGC系統［1］。從圖中可以看出，兩種結構基本相同，主要區別在于:開環AGC系統沒有反饋回路，輸入信號直接與直流參考電壓比較，產生控制電壓，將信號穩定在參考電壓值附近;閉環AGC系統存在一個反饋回路，利用輸出信號與參考電壓比較，產生控制電壓，調節壓控放大器增益。

圖1 開環AGC系統框圖

圖2 閉環AGC系統框圖

Vr是自動增益控制系統中的門限比較設定值，系統可根據實際需要設定門限值。當AGC電路輸入的電壓小于Vr時，AGC電路調節控制電壓VC，提高壓控放大器增益，使輸出電壓提高到設定的Vr值;如果輸入的電壓大于Vr，AGC降低壓控放大器增益，使輸出電平下降到設定的Vr值。

開環AGC系統的優點是在輸入信號幅度發生很大變化時，仍能精確做到輸出幅度不變，其缺點是慣性大，動作遲緩，對系統參數的變化敏感。閉環AGC能以一定的準確度保持系統輸出電壓幅度不變并且對系統嘗試的變化不敏感，同時可以具有始終的快速響應，但是抗干擾能力不強，不適應輸入快速的情況。

3 VCA810 性能特點［2］

VCA810是TI公司的一款高增益、控制范圍連續可調的壓控放大器，可根據輸出信號大小，自動調節增益，將信號輸出穩定在一定的幅度。其主要性能參數如下:

(1)增益控制范圍達到80dB;

(4)控制電壓范圍:-2V～0V;

(5)增益帶寬級:25MHz;

(6)供電電壓:±5V。

控制電壓VC通過高速控制電路控制增益的大小，控制電壓VC在-2V～0V之間變化時，增益與之間的關系如式(1)所示:

將上式轉化為分貝關系為:

從式(2)可看出，隨著控制電壓的變化，VCA810可實現增益在+40dB--40dB范圍內的線性變化。但上式只適用于VC在有效電壓范圍內變化的情況。當VC超過-2V時，應采取措施將電壓提升，否則達到-2.5V時，增益會迅速下降。圖3為VC與增益之間的關系曲線。

圖3 控制電壓Vc與增益間關系

4 信號調理電路設計

為驗證VCA810的性能特點，系統設計了一款聲吶接收機信號調理系統，系統輸入信號中心頻率100KHz，帶寬為±5KHz，低噪聲放大器和AGC增益均為40dB，級聯后整個系統的最大增益為80dB。圖4為信號調理電路系統結構，系統前端接收換能器傳來的模擬信號，信號經低噪聲放大、帶通濾波、自動增益控制后得到穩定的輸出。

圖4 系統結構框圖

4.1 低噪聲前置放大電路

低噪聲放大器［3］(LowNoiseAmplifier，LNA)在聲吶接收系統中處于前端位置，其性能指標的好壞對接收機整體性能有很大影響。式(3)為表征級聯放大系統噪聲系數的弗里斯公式:

式中F1、F2....Fn為各級放大電路的噪聲系數，G1、G2....Gn-1為各級放大電路的增益。由上式可知，影響接收系統噪聲性能的主要是第一級，所以在系統設計時，前級放大電路應盡量選擇噪聲系數小的運放并盡可能大地提高其增益。

圖5為系統前級同相放大電路。電路放大倍數為101倍，D1、D2兩個反向二極管起保護作用，防止接收機過載，電容C3用于改善信號頻率特性。為避免電源引入過多噪聲，正負電源輸入端均采用大電容和小電容加強濾波。

4.2 帶通濾波器設計

系統工作頻段為97KHz-103KHz，頻段以外的高頻和低頻海洋環境噪聲對接收信號都有很大的影響，另外，經過調理的模擬信號后級在A/D轉換之前必須進行抗混迭濾波，以保證轉換后的數字信號能夠完整保留原始模擬信號的信息。因此，必須設計高性能的濾波器來降低噪聲、濾除帶外干擾、提高整機性能。

模擬濾波電路［4］可分為無源濾波電路和有源濾波電路。無源濾波器主要由電阻、電容或電感組成，其特點是電路結構簡單、成本低廉，噪聲低，但頻率精度不高;有源濾波器頻率精度高、頻率穩定性好，但噪聲比較大。此處為了降低系統噪聲，系統采用六階LC無源濾波器，為保證通帶平坦型，濾波器類型選用巴特沃茲濾波器。

圖5 前級放大電路

設計時，系統采用FilterSolutions無源濾波器專用設計件，只要設定好濾波器類型、階數、通頻帶及中心頻率，FilterSolutions便可快速設計出合理的濾波器電路。圖6為采用FilterSolutions軟件設定濾波器參數界面。

圖6 濾波器參數設定界面

除設計濾波電路外，FilterSolutions還可快速分析濾波器的幅頻特性、相頻特性及脈沖時間響應特性等。圖7為六階帶通濾波器的電路原理圖，濾波器輸入輸出阻抗均為50Ω，一組串聯LC和一組并聯LC組成一個二階帶通濾波器，三組二階濾波器級聯構成六階帶通濾波器。

圖7 LC帶通濾波器電路圖

圖8為濾波器電路對應的幅頻特性和相頻特性曲線。

圖8 濾波器幅頻特性和相頻特性曲線

從圖中可以看出，該濾波器幅頻特性非常理想，通頻帶內無紋波，中心頻率及上下截止頻率非常精確，具有良好的濾波特性。

4.3 AGC 控制電路［5］

圖9為Multisim中AGC仿真電路原理圖。此處采用信號發生器XFG1模擬系統輸出電壓，示波器XSC1的A通道測量壓控放大器控制電壓VC，B通道顯示信號源產生的信號，以便仿真時對比觀察結果。

電路由運放OPA820、檢波二極管及部分電阻和電容構成。運放OPA820和二極管D1作為信號峰值檢波，電容C1用來存儲控制電壓，電阻R3通過R2決定放電時間，電阻R1和電容C2對AGC回路進行相位補償，VCC3和VCC2為參考電壓。

圖9 AGC電路仿真圖

電路中OPA820起比較器作用，用來比較信號源信號與直流參考電壓的大小。當輸入信號大于參考電壓時，運放OPA820輸出正向電壓，二極管導通，電容C2充電，其兩端電壓正向變化，VCA810的控制電壓變大，增益變小;當輸入信號小于參考電壓時，OPA820輸出反向電壓，二極管D1不導通，由VCC2給C1充電，VCA810的控制電壓變小，增益變大。

圖10、圖11分別為輸入信號小于和大于參考電壓時的仿真結果。當輸入信號小于參考電壓時，控制電壓VC接近0V，VCA810增益接近40dB;當輸入信號大于參考電壓時，控制電壓迅速上升到3V，此時，可通過反相放大電路將電平搬移到控制電壓有效范圍內，從而降低VCA810增益。

圖10 輸入信號小于參考電壓仿真圖

圖11 輸入信號大于參考電壓仿真圖

5 結束語

簡要介紹了AGC電路的分類及工作原理，設計了一款基于VCA810的信號調理電路。經測試，電路噪聲小于2uV，輸入信號范圍為0.3mV～3V，輸出信號幅度能穩定在2V左右，頻帶寬度為97KHz～103KHz。系統放大倍數、動態范圍、噪聲系數均能達到設計要求，有效驗證了VCA810在接收機自動增益控制中的可靠性。

［1］ 張志剛.90dB大動態范圍可控AGC系統及其在雷達遠程測量平臺中的應用［D］.上海:上海交通大學，2009.

［2］ 王春海，侯寶娥，等.VCA610在水聲模擬信號調理機中的應用［J］.聲學技術，2007，26(6):1176-1180.

［3］ 馮燁熳.大動態范圍接收系統和小型化發射系統的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2008.

［4］ 譚博學，苗匯靜.集成電路原理及應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［5］ 趙志剛.舷側陣主、被動自導實驗系統的硬件設計［D］.西安:西北工業大學，2009.