增益控制

1引言

放大电路是模拟电子电路中最常用、最基本的一种典型电路。无论日常使用的收音

机、电视机、或者精密的测量仪表和复杂的自动控制系统等，其中一般都有各种各样不

同类型的放大电路。可见，放大电路是应用十分广泛的模拟电路。平时我们讨论的模拟

信号运算电路、信号处理电路以及波形发生电路等，实质上都是在放大的基础上发展、

演变而得到的，因此说，放大电路是最基本的模拟电路。

随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展，自动增益控制电

路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。自动增益控制线路，简称AGC线

路，A是AUTO（自动），G是GAIN（增益），C是CONTROL（控制）。它是输出

限幅装置的一种，是利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。当输入

信号较弱时，线性放大电路工作，保证输出声信号的强度；当输入信号强度达到一定程

度时，启动压缩放大线路，使声输出幅度降低，满足了对输入信号进行衰减的需要。也

就是说，AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度，扩大了接收机

的接收范围，它能够在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅

在较小范围内变化，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号

太大而使接收机发生饱和或堵塞。在电路设计中，这种线路被大量的运用，从尖端的雷

达技术到日常的广播电视系统，自动增益控制无疑很好的解决了各种技术中存在的信号

强度问题。目前，实现自动增益控制的手段有很多，在本文中，主要研究的是如何以放

大器来实现自动增益控制的目的，也就是自动增益控制放大器。

2方案论证与比较

2.1增益控制部分

方案一：原理框图如图2.1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻

与场效应管与对'V

的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪

声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化,采用这种方案很难实现增益的精确

控制和长时间稳定。

'V

图2.1方案一示意图

方案二：采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，

这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高可以实

现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成

指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。

图2.2方案三示意图

输入

D/A

单片机

A/D

测有效值

PAPGA

输入缓冲

高频放大高频放大

AGC

检波

方案三：如图2.2所示，使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，

用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。用电压控制增

益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰[1]。

综上诉述，可选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。AD603

是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，

满足本课题要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此能很方便地

使用D/A输出电压控制放大器的增益。

2.2功率输出部分

根据题目要求，放大器通频带从0到40MHz，单纯的用音频或射频放大的方法来

完成功率输出，要做到有效值输出为6V难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不

现实，市面上很难买到宽带功率运放。这时候采用分立元件就很能显示其优势[2]。

2.3测量有效值部分

方案一：利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入到单片机并计算

其均方根值，可得出其电压有效值：







n

i

i

U

N

U

1

2

1

2.1

此方案有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样困难，

且计算量大，增加了软件难度。

方案二：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，

利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。只用了简单的整流滤波

电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较

大的误差。

方案三：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。这样可以实

现对任意波形的有效值测量。

综上所述，我们采用方案三，变换芯片选用AD637。AD637是真有效值变换芯片，

它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽，对于一个

有效值为1V的信号，它的3dB带宽为40MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式

指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但它不适用于高于40MHz的信号。

此方案硬件易实现，并且40MHz以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目

要求的通频带0～40MHz内精度较高。40MHz以上输出信号可采用高频峰值检测的方

法来测量，但是由于时间关系，高于40MHz的信号我们未能测量显示[3]。

2.4整体系统框图

整体系统框图如图2.3所示。

图2.3系统整体框图

如图2.3所示，这个系统框图很重要的一点就是要防止外来和自身的干扰，就这一

点，此图从三个方面采取了措施：一是输入缓冲和增益控制部分用屏蔽盒给罩住。二是

功放电路也用屏蔽盒给隔离了。三是前一级的输出端口和后一级的输入端口由同轴电缆

连接，防止自激。

信号进入输入缓冲和增益控制电路中，经过缓冲和两级放大后由同轴电缆传送到功

率放大电路中，再经过放大后通过低通滤波输入到A/D转换器中，把模拟信号转换成数

字信号。将数字信号经过单片机进行简单的线性计算，采用可编程放大的思想，将输入

的交流信号作为高速D/A的基准电压，使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放

大器PGA，用控制电压和增益成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制[4]。

3理论分析与参数计算

3.1电压控制增益的原理

AD603的基本增益可以用下式算出：

Gain(dB)=40VG±103.1

其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。

从(3.1)式可以看出，以dB为单位的对数增益和电压之间是线性关系。由此可以得

出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进就可以很准确的实

现。若要用放大倍数来表示增益，则需要将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以db

为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算的过程中会引入较大的运算误差。

3.2自动增益控制（AGC）

3.2.1自动增益控制的基本概念

接收机的输出电平取决于其输入信号电平和接收机的增益。由于各种原因，接收机

的输入信号变化范围通常很大，信号较弱时可以是几微伏或几十微伏，信号强时会达几

百毫伏，最强信号和最弱信号相差可达几十分贝。这个变化范围称为接收机的动态范围。

影响接收机输入信号的因素有很多，例如：发射台功率的大小、接收机距离发射台

的远近、信号在传播过程中传播条件的一些变化(如电离层和对流层的骚动、天气的变

化)、接收机环境的变化(如汽车上配备的接收机)，还有人为产生的噪声对接收机的影

响等等[5]。

为防止强信号引起的过载，需要增大接收机的动态范围，这就要求有增益控制电路。

能够使放大电路的增益自动地随信号的强度而调整的控制电路，简称自动增益控制AGC

(AutomaticGainControl)电路。它能够在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号

幅度保持在恒定或者仅在较小范围内变化，不至于因为输入信号太小而无法进行正常工

作，也不至于因输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞[6]。常用来使系统的输出电平

保持在一定范围之内，因此也可以称为自动电平控制。

目前，此电路已经广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统当中，另外在光纤

通信、微波通信、卫星通信等通信系统及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。

AGC电路目前概括起来有模拟AGC和数字AGC电路。AGC环路可以放在模拟与

数字电路之间，增益控制的算法在数字部分实现，合适的增益设置反馈给模拟可变增益

放大器（VGA）。目前出现的自动增益控制方法可以分为以下3类：基于电路反馈的自

动增益控制、基于光路反馈的自动增益控制、光路反馈和电路反馈相结合的自动增益控

制。本文中将要研究的是基于电路反馈的利用放大器实现的自动增益控制。

3.2.2自动增益控制的原理

自动增益控制电路的作用是：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒

定或基本不变。具体的说，当输入信号很弱时，接收机的增益较大，自动增益控制电路

不起作用；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。这

样，当接收信号强度变化时，接收机的输出端的电压或功率基本不变或保持恒定。因此

对AGC电路的要求是：在输入信号较小时，AGC电路不起作用，只有当输入信号增大

到一定程度后，AGC电路才起控制作用，使增益随输入信号的增大而减少。

为实现上述要求，必须有一个能随外来信号强弱而变化的控制电压或电流信号，利

用这个信号对放大器的增益自动进行控制。由上述分析可知，调幅中频信号经幅度检波

后，在它的输出中除音频信号外，还含有直流分量。直流分量大小与中频载波的振幅成

正比，也即与外来高频信号成正比。因此，可将检波器输出的直流分量作为AGC控制信

号[7]。

利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC滤波后

由单片机采样，截止频率为100Hz。由于放大器通频带低端在1kHz，当工作频率为

1kHz时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC响应时间设定为10ms，用

单片机定时器0来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加

在可变增益放大器上。AGC控制范围理论上可达0～80dB，实际上由于输入端加了保护

电路，在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在4.5～5.5V时AGC范围约为70dB，

而当输出为2V～2.5V时AGC范围可达80dB。

AGC电路工作原理：可以分为增益受控放大电路和控制电压形成电路。增益受控

放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压U

0

而改变。控制电压形成电路的基本部

件是AGC整流器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。

3.2.3正弦电压有效值的计算

AD637的内部结构如图3.1所示：

根据AD637芯片手册所给出的计算真有效值的经验公式为：















rms

IN

rmsV

V

V

2

3.2

其中：IN

V

为输入电压，rms

V

为输出电压有效值。

图3.1AD637的内部结构图