张天文，李廷军

(电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都 611731)

0 引言

自动增益控制(AGC)广泛应用于激光通信[1]、微弱信号测量[2]、电测仪表[3]、航海控制[4]、卫星导航定位[5]、信号处理[6-7]等众多领域。自动增益控制的目的是保持系统输出维持恒定，以避免因信号幅度过大或过小影响下一级电路的性能。文献[1]采用模拟开关改变跨阻放大器的反馈电路，但不能实现增益的连续调节，使应用场合受到一定的限制；文献[2]利用增益码控制程控增益放大器的增益，具有较高的控制精度，但增益码的生成具有一定的复杂性；文献[3]提出高速比较器和RC检波电路控制压控放大器的反馈端，但RC电路的响应计算比较困难；文献[4]采用A/D检测输出电压的方案并且结合DSP实现自动增益控制，但成本较高，电路复杂；文献[5]基于CMOS工艺实现无线定位系统中的自动增益控制，但在工业控制领域技术还未成熟。

传统的自动增益控制器一般采用A/D、D/A和微处理器控制压控放大器的增益，但存在成本较高、系统复杂、调节时间受限等缺点。本文设计了一款基于DC-DC转换技术的自动增益控制器，巧妙利用DC-DC芯片的基准电压实现压控增益放大器的调节，该AGC控制器能够迅速地调节放大倍数使得系统输出稳定，成本低、电路简单、调节迅速，在无线通信、自动化控制、精密仪表等领域具有一定的实用价值。

1 系统概述

该自动增益控制器系统框图如图1所示。可变增益放大器构成系统的前向通路，精密整流器、积分器和DC-DC变换器组成系统负反馈支路。系统输入为幅度可变的正弦信号，系统输出幅值不随输入的变化而变化，当输入信号增大，可变增益放大器减小放大倍数，使得输出减小；当输入信号较小，可变增益放大器增大放大倍数，使得输出增大。精密整流器对输出进行整流，整流输出信号通过积分器转化为平稳的直流信号，通过DC-DC变换器动态调节可变增益放大器的增益，形成一个负反馈闭环控制系统。

图1 系统框图

2 系统电路设计

2.1 可变增益放大器

可变增益放大器即增益可调放大器，AD603是低噪声、电压控制增益型芯片，广泛应用于工控、射频等自动增益领域，带宽最大为90 MHz，增益范围为-11～+30 dB，内部主要由压控精密无源衰减器和40 dB/V的线性增益控制电路构成[8]。其中可通过AD603的级联扩大增益范围，使其应用领域更加广泛，电路原理图如图2所示。

图2 可变增益放大器

图2中电路供电为±5 V，LM324为输入缓冲，AD603的2脚和4脚对地分别接0 Ω的电阻以便抑制零点漂移，C1和C2为电源对地滤波电容。当电路工作时，IN1输入1 kHz的正弦信号，该信号幅度因信号传输可能产生一定的波动，AD603根据输入信号的幅值动态改变放大倍数，使得输出OUT1信号幅值维持稳定。改变1脚电压V1可动态调节放大倍数，电压控制端和增益关系G如下：

G=40V1+10

(1)

2.2 精密整流器

自动增益控制器要使系统的输出幅值维持稳定，因此需要对系统输出幅值进行检测。常用的幅值检测方法主要是二极管全波或半波整流，但这种方法在二极管上会产生0.7 V管压降从而影响检测效果，因此需要设计一款针对小信号的精密幅值检测电路，文献[9]中的幅度检测电路避免了管压降，但输入阻抗不高容易产生损耗，故改进电路如图3所示。

图3 精密整流器

图3中的电路由于运放虚断特性输入阻抗高，电阻要求满足R3=R4和R6=2R5。当正弦信号IN2的正半周期输入时，运放U1构成同相比例放大，放大倍数为2，运放U2是反向比例放大，放大倍数为-1；当正弦信号IN2的负半周期输入时，运放U1构成电压跟随器，运放U2构成加法器；最终实现正弦波的全波整流。在Multisim中对该电路进行仿真，仿真结果如图4所示，从图4可以看出，实现了输入信号的翻转，并且避免了二极管的管压降。

图4 精密整流电路仿真

2.3 积分器

精密整流电路输出变化的直流信号，为了得到稳定的DC电压给DC-DC芯片，以便动态调节AD603的增益控制电压，需要对全部整流输出信号进行积分得到稳定直流电压，从而完成反馈支路的功能。

积分器如图5所示，图中电阻R8起抑制零点漂移的作用，充电和放电由R7和C3完成，该电路输入与输出的关系如下：

(2)

图5 积分器

由于DC-DC变换器的基准电压一般为正，因此积分器后端需设置一个反向比例运放实现电压极性的翻转，并通过比例放大传送到DC-DC变换器的基准电压反馈端，使DC-DC变换器的输出动态调节可变增益放大器的增益控制电压。

2.4 DC-DC变换器

DC-DC变换器主要应用于开关电源领域，实现直流到直流电压的转换。在工程应用中，主要采用PWM技术将高频方波信号输出至储能元件电感和电容，并且利用肖特基二极管的快恢复特性实现正负周期的充放电维持系统的持续输出。LM2596是一款集成DC-DC降压芯片，开关频率可达150 kHz，可以使用较少的外部元件实现输出电压的稳定和快速调节，并且响应速度比传统的MC34063芯片[9]更快。

图6为LM2596在本自动增益控制器中的应用电路，LM2596的2脚产生占空比可调的方波，D3为肖特基二极管，L1和C6为储能元件，4脚为基准电压反馈端且R12对地电压恒为1.23 V。传统的电源电路中，将IN5和OUT4短接构成可调输出电压开关电源，电阻R12和R13的分压比决定电路的输出；在Buck电路中，输入IN4为高于输出OUT4的一个电压；输出反馈到4脚基准电压端，从而2脚方波占空比可调维持，最终实现输出电压的稳定。

图6 DC-DC变换器

基于该闭环控制原理，巧妙将IN5和OUT4断开，IN5接自动增益控制器输出信号的幅值(图5中积分器的输出OUT3)，将OUT4接可变增益放大器的增益控制电压端(图2中的V1)，IN4接直流5 V。

当系统幅值增大，IN5增大，OUT4减小，V1减小，AD603的放大倍数减小，IN5减小；当系统幅值减小，IN5减小，OUT4增大，V1增大，AD603的放大倍数增大，IN5增大；动态调节的过程主要依靠LM2596内部自带PWM自动调节功能，最终构成负反馈调节环路实现系统的恒幅输出。利用该DC-DC转换技术节约成本，并且无需微处理器A/D采集和D/A输出，效率较高，反应灵敏，调节迅速。

2.5 系统供电

该自动增益控制系统供电为±5 V，供电电路如图7所示，工频220 V交流经变压器和二极管整流桥转为直流，采用LM7805和LM7905三端稳压器件产生稳定的直流±5 V为系统供电。

图7 系统供电

3 系统测试

该自动增益控制器设计为恒幅1 V输出，测试输入为幅度可调、频率1 kHz的正弦信号(UTG900C 信号发生器)，测试时，调节信号的幅度，分别设置输入信号幅度大于1 V和小于1 V两种状态，在示波器(UTD2052CL)中观察系统输出的变化趋势，读出输出信号的幅值，系统运行结果如表1所示。测试结果表明，系统输出幅度在1 V范围内，并由于实时调节过程存在一定的动态范围，符合自动增益控制器的基本要求。

表1 系统测试结果 V

4 结束语

设计了一款基于DC-DC转换技术的自动增益控制器，该自动增益控制器采用模拟电路实现，巧妙利用DC-DC控制芯片的基准电压调节可变增益放大器的放大倍数，利用PWM技术实现增益控制电压的动态变化，反应灵敏，调节迅速，较传统的微处理器结合A/D和D/A的方案，成本更低，且实现简单，在无线通信、自动化控制、精密仪表等领域具有一定的实用价值。