浅析一种具有自动增益控制功能的信号调理电路

1 引言

　　信号调理电路是一种在中频接收机中得到广泛应用的电路。针对中频数字接收机中对输入模拟信号的要求，设计一种适应性良好的信号调理电路。数字接收机对输入模拟信号的要求往往要比模拟接收机更严格，除了频率方面有限制外，为了提高A／D 数据采集的，还要求输入信号的幅度既不能过大，也不应过小。因此为了改善数字接收机的动态范围，较常见的解决方法是在其前级增加信号调理单元。这里给出一种采用宽带可变增益放大器LMH6505为器件实现的具有自动增益控制功能的信号调理电路。与使用专用自动增益控制器件的设计相比，该信号调理电路更适用于中频信号处理。

2 自动增益控制原理

　　自动增益控制（英文缩写为AGC，下文简称AGC）是一个类属性名称。其特点一般可在调幅收音机中找到，它通常叫做自动音量控制（AVC）；在调频收音机中，它简单地称作AGC；在录音机中，它常常叫做自动电平控制（ALC）；在录像机和电视接收机中，当它控制射频（RF）和图像中频部分的增益时它简单地叫做AGC，当它控制色度放大器部分的增益时它简称ACC（自动色度控制）ASC（自动饱和度控制）。

　　自动增益控制AGC（Auto Gain Control），即在信号幅度变化较大的情况下，通过调整电路放大系数来保持输出信号幅度恒定或基本不变。图1为自动增益控制的一种实现方法。

　　输出信号Sout反馈至比较器，与期望输出相比较，其误差e被送至检波器。若Sout与期望输出相等，则检波器输出值Sf不变；若Sout小于期望输出，则检波器输出作相应变化，通过反馈控制使可变增益放大器的增益增大，从而增大Sout的幅度，反之亦然。放大器可将Sf的范围调整至可变增益放大器反馈端口要求的电压范同内，可放大，也可分压。其中检波后的输出信号Sf经低通滤波后再放大，从而滤除增益控制信号中无需的高频分量。

3 信号调理电路设计

　　信号调理将您的数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过帮助您直接连接到广泛的传感器和信号类型（从热电偶到高电压信号）来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和提高10倍。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路（如滤波器、转换器、放大器等…）来改变输入的讯号类型并输出之。因为工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清之。一般的采集卡上都带有可编程的增益，但具体要不要作信号调理，要视待采信号的特点而定，若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。

　　该信号调理电路作为AD6645数据采集器件的前级，要求输入信号幅度为0～5 V，输出信号带宽为30 MHz，幅度在1 V以内并尽量接近1 V，－3 dB增益范同大于40 dB。根据以上要求，输入信号首先经交流耦合送至AGC模块的输入端，将幅度调整至0.9 V左右，再经射极跟随器隔离，送至截止频率为30 MHz的四阶巴特沃思低通滤波器，输出至AD6645，该电路的所有运放均采用±5 V的供电电压。

3.1 可变增益放大器LMH6505

　　可变增益放大器（VGA）是一种能够利用电压设定增益的信号调理放大器，可以分为模拟VGA以及数字VGA，即：DVGA。以上两种VGA都通过模拟电压控制增益，不同之处在于施加电压的方式。用户可通过数模转换器（DAC）、函数发生器，或者直流信号源来提供VGA的控制电压。VGA的频率范围能从直流到吉赫兹，并能采用多种输入/输出（I/O）配置。

　　可变增益放大器LMH6505是一款高动态范围的低功耗宽带高速放大器，该器件增益可调整范围为80 dB，低增益时的－3 dB带宽为150 MHz，压摆率为1 500 V/μs，在无负载的条件下输出电流典型值仅为11 mA，能够适应一般中频信号接收机对自动增益控制电路的要求。图2为LMH6505的引脚配置。

 

3.2 AGC电路设计

　　图3为AGC模块的电路图。中频输入信号Vin首先送至LMH6505的输入端，经放大后的信号Vout从输出端输出；同时Vout经肖特基二极管VDI 整流后送至积分检波器的输入负端-IN，积分器正端+IN接参考电平Vref因为积分器的实际输入为两输入端的电压差，故调整Vref令其等于期望输出信号幅度减去二极管VDI上的压降，即可完成上述比较功能。

　　LMH6505的应用电路中，输入信号Vin的幅度与Rg成正比，是Rg的±7.4倍，Rf 用来调整LMH6505的增益范围，增益为Rf/Rg的0.94倍。由此看出，涮整实际增益范围受Rf与Rg的共同约束。当输入大信号时，Rg值需也较大，若此时需要增益较大，则又使Rf更大。经实际测量，Rf值大于50 kΩ会导致LMH6505的反馈电流过小，使整体增益系数急剧下降，并增大输出的直流偏置，故当要求较宽的动态范围时，LMH6505更适用于仅包括输入弱信号放大或输入大信号衰减的系统。

3.3 低通滤波器电路设计

　　由于截止频率较高，并考虑到设计成本与器件体积问题，该设计选用双通道宽带运放 LMH6715构建四阶巴特沃思有源低通滤波器，如图4所示。图4中LMH6715_A与LMH6715_B实际集成在一起。由于信号在前级已经过自动增益控制处理。故该滤波器通带增益为1，经验证该滤波器通带波纹为50 dB，-3 dB截止频率为29.8 MHz，阻带衰减为40 dB，满足设计需求。

 

4 仿真结果分析

　　该电路经过PSPICE仿真，在输入频率为10 MHz，幅度为0.1 V的正弦波时，输入／输出波形如图5所示；在输入频率为30 MHz，幅度为4 V的正弦波时，输入／输出波形如图6所示。可以看出，输出信号的幅度基本稳定在0.9 V，中频下闭环增益可调范围大于30 dB，由于后级连接隔直电容，输出的暂态时间约为400 ns，实际增益调整暂态时间约70 ns。在信号带宽10 MHz情况下闭环增益可调范围大于40 dB，电路增益带宽积为500 dBMHz，二次谐波比大于40 dB。

 

5 结束语

　　该信号调理电路经实际信号采集系统验证，能够将中频信号输入幅度调整至期望值，与仿真结果相符，扩大了A／D转换器的输入电压范围，提高了A／D采样。因此，该电路具有良好的稳定性，能够适应常见的中频信号采集。