一种大动态范围AGC电路的设计与实现*

耿云辉，冯西安，张 路，肖 璐

(西北工业大学航海学院，西安710072)

1 引言

随着现代科学技术的发展，电子对抗技术已广泛应用于军事行动中。雷达、声纳成为当前空中和水下探测目标的主要设备，并且扮演越来越重要的较色。

接收机是雷达、声纳系统的重要组成部分，其性能优劣直接影响探测目标的准确性。现实中，由于接收机距辐射源的距离不定及信号在传播过程中衰减等因素的影响，作用在接收机输入端的信号强度往往有很大的变化和起伏，而接收机一般只能处理幅度在小范围内变化的信号，这就需要采用自动增益控制(AGC)压缩输入信号动态范围。

AGC系统一般位于接收机的前端，当输入信号的幅度在很大的范围内变化时，AGC系统能自适应地改变放大器的增益，使接收机输出信号的幅度保持不变或者只有很小的变化，从而达到有效压缩系统动态范围的目的。

此文中设计了一款应用于声纳接收机的自动增益控制电路，该系统可将信号输出稳定在一定幅度，系统动态范围为80dB。

2 AGC结构及原理

自动增益控制系统是一个自动幅度调节系统，电路种类繁多，从控制信号来分，可以分为模拟AGC和数字AGC两种类型;从结构来分，可以分为开环AGC和闭环AGC两种类型。虽然数字AGC电路控制灵活，适应性好，但由于噪声性能不理想，容易限制接收机接收灵敏度，因此，在声呐接收机前端信号调理电路中一般仍采用模拟AGC电路。

模拟AGC电路一般由压控放大器、包络检波器、门限比较器和控制电压产生器等模块组成。图1、图2分别为开环AGC系统和闭环AGC系统［1］。从图中可以看出，两种结构基本相同，主要区别在于:开环AGC系统没有反馈回路，输入信号直接与直流参考电压比较，产生控制电压，将信号稳定在参考电压值附近;闭环AGC系统存在一个反馈回路，利用输出信号与参考电压比较，产生控制电压，调节压控放大器增益。

图1 开环AGC系统框图

图2 闭环AGC系统框图

Vr是自动增益控制系统中的门限比较设定值，系统可根据实际需要设定门限值。当AGC电路输入的电压小于Vr时，AGC电路调节控制电压VC，提高压控放大器增益，使输出电压提高到设定的Vr值;如果输入的电压大于Vr，AGC降低压控放大器增益，使输出电平下降到设定的Vr值。

开环AGC系统的优点是在输入信号幅度发生很大变化时，仍能精确做到输出幅度不变，其缺点是惯性大，动作迟缓，对系统参数的变化敏感。闭环AGC能以一定的准确度保持系统输出电压幅度不变并且对系统尝试的变化不敏感，同时可以具有始终的快速响应，但是抗干扰能力不强，不适应输入快速的情况。

3 VCA810 性能特点［2］

VCA810是TI公司的一款高增益、控制范围连续可调的压控放大器，可根据输出信号大小，自动调节增益，将信号输出稳定在一定的幅度。其主要性能参数如下:

(1)增益控制范围达到80dB;

(4)控制电压范围:-2V～0V;

(5)增益带宽级:25MHz;

(6)供电电压:±5V。

控制电压VC通过高速控制电路控制增益的大小，控制电压VC在-2V～0V之间变化时，增益与之间的关系如式(1)所示:

将上式转化为分贝关系为:

从式(2)可看出，随着控制电压的变化，VCA810可实现增益在+40dB--40dB范围内的线性变化。但上式只适用于VC在有效电压范围内变化的情况。当VC超过-2V时，应采取措施将电压提升，否则达到-2.5V时，增益会迅速下降。图3为VC与增益之间的关系曲线。

图3 控制电压Vc与增益间关系

4 信号调理电路设计

为验证VCA810的性能特点，系统设计了一款声呐接收机信号调理系统，系统输入信号中心频率100KHz，带宽为±5KHz，低噪声放大器和AGC增益均为40dB，级联后整个系统的最大增益为80dB。图4为信号调理电路系统结构，系统前端接收换能器传来的模拟信号，信号经低噪声放大、带通滤波、自动增益控制后得到稳定的输出。

图4 系统结构框图

4.1 低噪声前置放大电路

低噪声放大器［3］(LowNoiseAmplifier，LNA)在声呐接收系统中处于前端位置，其性能指标的好坏对接收机整体性能有很大影响。式(3)为表征级联放大系统噪声系数的弗里斯公式:

式中F1、F2....Fn为各级放大电路的噪声系数，G1、G2....Gn-1为各级放大电路的增益。由上式可知，影响接收系统噪声性能的主要是第一级，所以在系统设计时，前级放大电路应尽量选择噪声系数小的运放并尽可能大地提高其增益。

图5为系统前级同相放大电路。电路放大倍数为101倍，D1、D2两个反向二极管起保护作用，防止接收机过载，电容C3用于改善信号频率特性。为避免电源引入过多噪声，正负电源输入端均采用大电容和小电容加强滤波。

4.2 带通滤波器设计

系统工作频段为97KHz-103KHz，频段以外的高频和低频海洋环境噪声对接收信号都有很大的影响，另外，经过调理的模拟信号后级在A/D转换之前必须进行抗混迭滤波，以保证转换后的数字信号能够完整保留原始模拟信号的信息。因此，必须设计高性能的滤波器来降低噪声、滤除带外干扰、提高整机性能。

模拟滤波电路［4］可分为无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波器主要由电阻、电容或电感组成，其特点是电路结构简单、成本低廉，噪声低，但频率精度不高;有源滤波器频率精度高、频率稳定性好，但噪声比较大。此处为了降低系统噪声，系统采用六阶LC无源滤波器，为保证通带平坦型，滤波器类型选用巴特沃兹滤波器。

图5 前级放大电路

设计时，系统采用FilterSolutions无源滤波器专用设计件，只要设定好滤波器类型、阶数、通频带及中心频率，FilterSolutions便可快速设计出合理的滤波器电路。图6为采用FilterSolutions软件设定滤波器参数界面。

图6 滤波器参数设定界面

除设计滤波电路外，FilterSolutions还可快速分析滤波器的幅频特性、相频特性及脉冲时间响应特性等。图7为六阶带通滤波器的电路原理图，滤波器输入输出阻抗均为50Ω，一组串联LC和一组并联LC组成一个二阶带通滤波器，三组二阶滤波器级联构成六阶带通滤波器。

图7 LC带通滤波器电路图

图8为滤波器电路对应的幅频特性和相频特性曲线。

图8 滤波器幅频特性和相频特性曲线

从图中可以看出，该滤波器幅频特性非常理想，通频带内无纹波，中心频率及上下截止频率非常精确，具有良好的滤波特性。

4.3 AGC 控制电路［5］

图9为Multisim中AGC仿真电路原理图。此处采用信号发生器XFG1模拟系统输出电压，示波器XSC1的A通道测量压控放大器控制电压VC，B通道显示信号源产生的信号，以便仿真时对比观察结果。

电路由运放OPA820、检波二极管及部分电阻和电容构成。运放OPA820和二极管D1作为信号峰值检波，电容C1用来存储控制电压，电阻R3通过R2决定放电时间，电阻R1和电容C2对AGC回路进行相位补偿，VCC3和VCC2为参考电压。

图9 AGC电路仿真图

电路中OPA820起比较器作用，用来比较信号源信号与直流参考电压的大小。当输入信号大于参考电压时，运放OPA820输出正向电压，二极管导通，电容C2充电，其两端电压正向变化，VCA810的控制电压变大，增益变小;当输入信号小于参考电压时，OPA820输出反向电压，二极管D1不导通，由VCC2给C1充电，VCA810的控制电压变小，增益变大。

图10、图11分别为输入信号小于和大于参考电压时的仿真结果。当输入信号小于参考电压时，控制电压VC接近0V，VCA810增益接近40dB;当输入信号大于参考电压时，控制电压迅速上升到3V，此时，可通过反相放大电路将电平搬移到控制电压有效范围内，从而降低VCA810增益。

图10 输入信号小于参考电压仿真图

图11 输入信号大于参考电压仿真图

5 结束语

简要介绍了AGC电路的分类及工作原理，设计了一款基于VCA810的信号调理电路。经测试，电路噪声小于2uV，输入信号范围为0.3mV～3V，输出信号幅度能稳定在2V左右，频带宽度为97KHz～103KHz。系统放大倍数、动态范围、噪声系数均能达到设计要求，有效验证了VCA810在接收机自动增益控制中的可靠性。

［1］ 张志刚.90dB大动态范围可控AGC系统及其在雷达远程测量平台中的应用［D］.上海:上海交通大学，2009.

［2］ 王春海，侯宝娥，等.VCA610在水声模拟信号调理机中的应用［J］.声学技术，2007，26(6):1176-1180.

［3］ 冯烨熳.大动态范围接收系统和小型化发射系统的研制［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008.

［4］ 谭博学，苗汇静.集成电路原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［5］ 赵志刚.舷侧阵主、被动自导实验系统的硬件设计［D］.西安:西北工业大学，2009.