基于msp430自动增益控制放大器-

自动增益控制放大器（AGC）设计

摘要：本设计以程控增益调整放大器 AD603为核心，通过单片机MSP430控制各模

块，实现电压增益连续可调，输出电压基本恒定。系统由5个模块组成：前级缓冲模块，电压增益调整模块，峰值检测模块，后级输出缓冲模块，控制与显示模块。将输入信号经前级缓冲电路输入给程控增益调整放大器 AD603，将信号放大输出，通过峰值检测电路检测输出信号，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，来调整放大倍数，从

而实现输出信号的稳定。整个设计使用负反馈原理，实现了自动增益的控制。

关键字：AD603 MSP430 峰值检测自动增益控制

一、方案设计与论证

1.1整体方案

方案一：采用纯硬件电路实现，由AD603和运放构成的电压比较器和减法电路实现。把实际电压与理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为AD603的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。

优点：该方案理论简单，制作起来也相对容易，只有硬件电路。

缺点：理论低端，精度不够，没有创新，通用性不好。

方案二：采用AD603和单片机结合，通过单片机对输出信号AD采样并转化为数字量，与理论输出电压值进行比较，得到差值转换为控制电压，通过DA转化，对程控增益放大器AD603的放大倍数惊醒调整，从而实现输出电压的恒定。

优点：该方案控制精确，自动控制速度快，系统可移植性强，功能改变和增加容易，对后期改善和提升电路性能有益。

缺点：需要软硬件配合，系统稍复杂。

通过对两个方案的综合对比，我们选用方案二。

1.2控制模块

方案一：采用MCS-51。Intel公司的MCS-51的发展已经有比较长的时间，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。

MCS-51优点是控制简单，二缺点也明显因为资源有限，功能实现有困难，而且需要大量外扩单元。

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

1.8V-3.6V 的工作电压范围内性能高达 25MIPS 。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。

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。 所以综合考虑，我们采用MAP430作为我们的主控制器。 1.3电压增益调整模块

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-10dB ～30dB,带宽为90MHz;

方案二：5脚和7脚间接一个2，5k 电阻，,再经5.6pF 电容接地，该方案增益为0dB ～40dB ，带宽为30MHz ；

方案三：5脚接18pF 电容到地，该方案增益为10dB ～50dB ，带宽为9MHz ； 综合考虑课题要求，增益在约0dB ～30dB 之间，再考虑带宽所以采用方案一，芯片连接图如下图1所示。

1.4峰值检测模块

方案一：一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测器，电路如图2所示，然而仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作，但并不是很理想，对于1nF

的电容器，100ms

后达到稳定的峰值，误差达10%。而且没有输入输出缓冲电路，在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。

图1 AD603接线图

图2二极管电容峰值检测电路

方案二：分立二极管电容型。其原理图如图3所示。先将信号整流成半波，然后通过对电容的充电得到输入信号峰值。将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力。

优点：该方案性能优良，检测相对准确。

缺点：制作稍复杂，带宽不够宽，并且随检测幅值不同，带宽也会有所改变。

综合对比上述方案，我们选用方案二。

二、理论分析及计算

2.1增益积计算

设计目标输出电压变化范围1～3V，而输入信号为100mV～1V,我们选定输出幅度为2V，即Av在2～20倍，根据程控增益调节放大器的连接方式可知，增益的计算公式为G=(40Vg+10)dB,带宽90MHz。所以将AD采集得到的输出电压Vout,与预置电压进行比较，调整Vg大小，来改变增益，从而实现输出幅值稳定在某一个数值。

2.2后级缓冲及稳幅

图3 分立二极管电容型峰值检测电路

因为要用到单片机内部的AD采样功能，所以一定要保证单片机的安全，在通过峰值检测电路的检测之后，把检测到的峰值经过一个后级缓冲电路再接一个3V 稳压管之后送给单片机，既保证单片机端口的安全，同时把电路与单片机隔离。

2.3前级缓冲

因为AD603输入阻抗只有100Ω，考虑到信号源的输出阻抗是50Ω，所以在信号输入之前加了一个前级缓冲电路，以增加输入阻抗，提高电路对信号的索取能力。

三、系统总体设计

3.1系统整体设计框图

系统整体框图如下图4所示。

3.2硬件原理图

系统硬件部分设计原理图如图5所示。

可变增益放

大器

输出信号

输入信号

峰值检测单片机控制系统

DA 转化增益

控制

AD 转换

显示模块

增益预置图4系统整体设计框图

3.3软件流程图

系统软件流程图如图6所示，开发板系统初始化后，预置输出一个控制电压，然后启动AD转化，采样得到输出信号，然后与标准电压比较，修改增益控制电压，稳定输出电压。

开始

系统初始化

预置增益为1

启动AD转换

将采集得到数据与

标准电压比较

是

增益是否合适

否

四、系统测试及数据分析

4.1测试仪器

（1）直流稳压源：YB1732A 3A

（2）数字存储示波器：SIGLENT SDS1102CFL 100MHZ 2GSa/s （3）数字万用表：UNI-T UT802

（4）信号发生器：F120型 1Uhz~20MHZ 4.2测试方案及数据分析

测试方案：

(1)稳幅测试：输入频率10KHZ,峰值为100mV 的正弦波信号。测试输出信号，通过示波器读取输出信号峰值，然后改变输入信号峰值，测量输出信号的峰值变化，计算相对误差。测试数据如表1所示。

测

试数据分析：

(

测试数据分析：系统基本可以按照预置输出电压稳定输出，我们输出信号

稳定电压为1.62。

(2)频率响应：输入峰值分别为为100mV 和1V 的正弦波信号，将信号频率从10Hz

输入信号（mV ）

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 输出信号（V ）

1.62 1.64 1.64 1.64 1.6

4 1.6

2

1.6

2

1.62

1.62 1.62 输入信号

（V ）

600 650 700 750 800

850 900 950

100

输出信号（V ） 1.68 1.64 1.62 1.66 1.62 1.62 1.62 1.62 1.62

表1 稳幅测试

调整到输出信号不是真即500KHz 为止，测试数据如表2表3所示。对应的频率响应特性图像如图7和图8所示。

测

试数据分

析：放

输入信号频率（KHZ ） 0.01 0.05 0.1 500 1 5 10 15 20 30 输出信号（V ）

2.0 1.64 1.64 1.60 1.64 1.6

4 1.6

4

1.64

1.64

1.64

输入信号

频率（KHZ ） 40 50 100 150 200 250

300 350 400 500 输出信号（V ）

1.72 1.68 1.80 1.88 1.96

2.0

0 2.00

2.00

1.96

1.96

输入信号

0.00.00.1 1

5 10 15 20 30 40

表2 100mV 频率响应

表3 1V 频率响应

图7 100mV 频率响应特性曲线

测试数据分析：可以通过表2和表3看出，当输入信号为100mV 时，在频率很低10Hz 时，频率响应很差，从50Hz 直到100KHz 时，信号输出幅值都很稳定。当输入幅值为1V 时，10Hz 响应依然不好，直到50Hz 直到30KHz ，输出很稳定，在30Hz 到100Hz 时，输出幅值略有增加，但依然可以稳定。

（3）增益控制特性曲线输入信号为10KHz,峰值为500mV 时，改变Vc 的值，测量相对应的放大倍数。

频率（KHZ ） 1 5 输出信号（V ） 1.96 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.64 1.76 输入信号

频率（KHZ ） 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

输出信号（V ） 1.76 1.88 1.92 1.92 2.00 1.96 1.92 2.00 1.96 1.92 控制电压Vc(mV) -0.6308 -0.5309 -0.4309 -0.3309 -0.2309 -0.1309 -0.0309 -0.0691 放大倍数Av 0.34

0.356

0.528

0.7 1.2

1.82

2.82

4.56

表3 1V 频率响应

图8 1V 频率响应特性曲线

测试数据分析：通过用软件画增益控制特性曲线，可以看出，放大倍数Av和

增益控制电压Vc为指数关系，随着Vc的增加Av以指数形式增加。

4.3误差分析

误差可由多种因素导致：

由峰值检测电路产生，由于峰值检测电路在不同频率，不同幅值输入信号时，测量存在误差，AD采集到的峰值就会存在误差。造成输出信号与预置输出电压存在误差。

由稳压管产生误差，为保证单片机端口安全，在信号输入前，我们加了一个3V稳压管，它会对AD测量也会产生一定影响。

电压源不稳定，由于AD603电压控制端2端口，基准电压为电阻分电源电压得到，而电源电压存在一定的波动，导致增益控制电压Vc会有一定的波动，这个微小的波动对信号增益造成误差。

受器件影响，我们采用的是普通集成运放芯片TL072，这款芯片的通频带只有

3MHz左右，也会影响系统的频率响应。

五、设计总结

系统能够满足题目基本要求：

（1）输出信号可以在输入信号改变时，而不改变稳定输出。

（2）测得100mV输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为50KHz。

（3）测得1V输入信号可以稳定输出幅值不变的截止频率为40KHz。

（4）测得的增益控制电压Vc和放大倍数Av绘制的增益控制特性曲线可以得出，Av和Vc成指数关系，跟AD603数据手册给出的计算增益的公式基本吻合。

本设计基本完成了题目要求，实现了的增益自动控制，由于受到器件和部分电路本分影响，频率响应略低，可以使用高速更优性能的芯片，提高峰值检测的

精度，或在软件部分给予补偿误差。

六、参考文献

[1]康华光.电子技术基础模拟部分[R].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[R].北京：高等教育出版社，2006.1

[3]李先允，姜宁秋.电力电子技术[R].北京：中国电力出版社，2006

[4]蔡凌云等，自动增益控制技术应用电子工程师 2002

[5]尤德斐，数字化测t技术(上)，北京：机械工业出版社，1990

[6]张风言编著，电子电路基础，高等教育出版社，1994

[7]高吉祥、黄智伟、陈和，《高频电子线路》[M]，北京：电子工业出版社，2003年（第一版）

[8]高吉祥、高天万、陈和，《模拟电子线路》[M]，北京：电子工业出版社，2004年（第一版）

[9]哀孝康，自动增益控制与对数放大器，北京：:国防工业出版社，1987

附录

一、元器件列表：

1.uA741系列通用型放大器 4个

2.2N3819型场效应管 1个

3.OA81型整流二极管 3个

4.4.7千欧电阻 7个

5.39千欧电阻 1个

6.220欧电阻 1个

7.10千欧电阻 1个

8.5.6千欧电阻 1个

9.15千欧电阻 1个

10.10千欧可变电阻 1个

11.100千欧可变电阻 1个

12.1兆欧可变电阻 1个

13.4.7微法电解电容 1个

14.1微法电容 1个

15.100纳法电容 1个

16.5.6千欧可变电阻 4个

17.正负15伏电源

二、主要源程序

//4档切换

void change_4(uchar num)

{

switch (num)

{

case 1:

{

shuaijian;

info.beishu=0.2;

info.code=2048;

LCD_writestr(6,2,"1(0.2)");

DAC_write(info.code);