一种低成本AGC电路研制

李林凯，蹇兴亮，边晓东，吴 昊，张广琦

（南京农业大学工学院，江苏 南京 210031）

0 引言

在放置式电磁涡流探伤检测中，需要对探头当前的位置坐标进行自动测量并实时传送给微处理器。根据电磁感应原理，利用探头本身作为激励线圈，在其周围固定安装4个位置检测线圈，激励线圈的磁场会在4个位置检测线圈中产生不同大小的感应电动势，由此可确定激励线圈（探头）的位置。由于激励线圈产生的磁场随距离增大迅速衰减，4个位置检测线圈检测到的信号变化范围很大，可达到60dB（1000倍）以上。当传感器离激励线圈很近时，信号很强；当传感器离激励线圈较远时，信号很弱。采用AGC放大电路可适应大动态范围的信号处理。

1 AGC电路的工作原理

AGC电路由可变增益放大器和控制电压产生电路组成［1-2］。电路的电压增益不是常数，而是随输入信号的增大而减少，AGC电路结构如图1所示。采用运放和场效应管构成的可变增益放大器原理如图2所示［3-4］。

图1 AGC电路结构

运放A1，A2均为同相运算放大器。加在A2同相输入端的控制电压为负值，负得越多，场效应管栅极电压也就越负，结型场效应管工作在可变电阻区，漏源之间的电阻RDS就越大，运放A1的电压增益1+Rf1／RDS就越小，反之亦然［5］。

图2 可变增益放大器原理

2 AGC电路主要组成器件选择

低成本的AGC电路主要元件包含1个LM324及1个场效应管3DJ6F。LM324为通用四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，开环增益为100dB。静态电流小，电源电压范围为±3～±18V，也可单电源使用。

本电路采用的场效应管3DJ6F，属于N沟道结型场效应晶体管。在此，使它工作在可变电阻区，沟道尚未夹断，漏极电流与漏源之间电压近似线性关系，漏源之间的电阻RDS随栅源之间的电压改变，栅源之间电压越负，RDS就越大。RDS可从几十欧变化到几千欧。

3 AGC电路设计

在项目中要求对位置检测线圈中的感应电压进行放大，然后送A／D转换成为数字信号。初步查明，在探头（激励线圈）有效移动范围内，感应电动势峰峰值大小可从2μV变化为16mV。而12位的A／D转换器，允许输入信号的电平为0～2.42V，工作电压为3.3V。因此，要设计一种AGC放大电路，当信号变化范围很大时，能连续改变放大器的放大倍数，使输出电压保持在一定的范围之内。输入信号电压Ui峰值变化范围为2μV～16mV时，放大器的输出电压Uo峰值对应为5mV～2.4V。

3.1 AGC电路的设计原理

系统使用LM324，并采用二级放大结构，如图3所示。第1级放大由放大器和场效应管组成；第2级放大由运放器构成，主要是提高电路的整体放大倍数，对增益的控制，是关键技术，在输出端采用半波整流，给场效应管提供一个偏置电压。

图3 基于LM324的AGC电路原理

3.2 AGC电路的组成部分

一级放大为同相比例运放［6］，输出为：

R5为第一级放大的反馈电阻；RDS为场效应管3DJ6F漏极与源极之间的电阻。RDS是可变的，通过控制栅极的电压来控制RDS，从而达到增益的自动控制。

二级放大也为同相比例运放［6］，输出为：

通过调节R11可以对放大倍数进行调节，设计二级放大主要是为了确保能对很微弱的信号进行适当比例的放大，使最后输出信号的值在一个较好的范围之内。控制电压产生电路采用半波整流，根据二级管的单向导通性，在电容C2和C3两端得到与输入信号成正比的直流电压，再通过运算放大器的放大，在结型场效应管栅极得到控制电压，大小为：

UA为图3中A点的电位。

4 电路实验测试与分析

4.1 AGC电路的测试数据

AGC电路的实际测试如图4所示。由于使用的函数信号发生器的最低挡位的最大输出信号为2 mV，为了确保能够准确地输出2μV信号，在函数信号发生器后加了衰减器进行衰减1000倍。对输入频率为1kHz的正弦信号进行AGC电路测试，测试数据如表1所示。通过表1测试数据可以看出，在输入频率为1kHz的标准正弦信号时，随着输入信号的增大，AGC电路的放大倍数在逐渐减小；当输入信号峰峰值小于2μV时，通过二极管D1整流获得的电压几乎为0，栅极电压为0，漏源之间的电阻为最小，且不在可变电阻区，AGC电路无法正常工作；当输入信号大于20mV时，由于从第二级放大电路反馈回来的负电压的绝对值较大，3DJ6F结型场效应管沟道完全夹断，漏源电阻不变化，整个AGC电路不起作用。

图4 AGC测试

表1 基于LM324的AGC电路测试数据

4.2 不同频率下Uo与Ui的关系

通过对实验数据进行分析，可绘出不同频率下输出信号Uo与输入信号Ui的关系曲线，如图5所示。频率变大时，Uo与Ui间的放大倍数Au不断变小；当输入信号频率高于50kHz时，输出信号几乎为零，该电路对频率从200Hz到20kHz的输入信号有较好的增益调节控制作用。

图5 不同频率下Uo与Ui的曲线

4.3 不同输入信号下Au与f之间的关系

分析实验数据后绘出放大倍数Au与频率f之间的关系曲线，如图6所示。电路的频带较窄，随着输入信号电压值的增大，放大倍数逐渐减小。

图6 不同输入信号下Au与f之间的曲线

5 结束语

根据电磁涡流无损探伤中探头位置测量装置研制的需要，设计了适应大动态范围信号处理的AGC放大电路。电路使用LM324集成运放芯片，利用二级放大达到整个电路的高增益，再利用结型场效应管工作于可变电阻区，引入反馈控制，从而达到AGC的作用。通过实验采集数据并绘图分析，AGC电路对2μV到20mV之间的微弱信号有较好的增益控制作用，AGC电路的频带宽大概为5 kHz，对输入为2μV到20mV，频率为1kHz的信号有良好的增益可调作用，放大倍数在100倍到2500倍之间变化。但是AGC电路的频带较窄，输入信号的范围较小，当输入信号太小时容易受到外界噪声的干扰，可以通过在第二级放大处用一个3DJ6F取代图3中的R1，构成二级AGC放大电路，2个结型场效应管的栅极直接相连，从而对动态范围较大的输入信号有更好的作用。

［1］董茂林，栾宝宽，张 磊.一种中频AGC放大电路的设计与实现［J］.现代电子技术，2008，8（5）：69-70.

［2］林春方.高频电子线路［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［3］刘世刚，葛临东.一种结构简单性能优良的AGC电路［J］.今日电子，2005，13（9）：93-95.

［4］张淑娥，杨再旺，李文田.一种性能优良的AGC电路［J］.电力情报，1999，（2）：54-56.

［5］李建强，高丽丽.基于晶体管的自动增益控制技术研究［J］.无线电工程，2011，41（9）：55-57.

［6］华成英.模拟电子技术基本教程［M］.北京：清华大学出版社，2006.