耿云輝，馮西安，張 路，肖 璐

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072)

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子對抗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事行動中。雷達(dá)、聲納成為當(dāng)前空中和水下探測目標(biāo)的主要設(shè)備，并且扮演越來越重要的較色。

接收機(jī)是雷達(dá)、聲納系統(tǒng)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響探測目標(biāo)的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)實(shí)中，由于接收機(jī)距輻射源的距離不定及信號在傳播過程中衰減等因素的影響，作用在接收機(jī)輸入端的信號強(qiáng)度往往有很大的變化和起伏，而接收機(jī)一般只能處理幅度在小范圍內(nèi)變化的信號，這就需要采用自動增益控制(AGC)壓縮輸入信號動態(tài)范圍。

AGC系統(tǒng)一般位于接收機(jī)的前端，當(dāng)輸入信號的幅度在很大的范圍內(nèi)變化時，AGC系統(tǒng)能自適應(yīng)地改變放大器的增益，使接收機(jī)輸出信號的幅度保持不變或者只有很小的變化，從而達(dá)到有效壓縮系統(tǒng)動態(tài)范圍的目的。

此文中設(shè)計了一款應(yīng)用于聲納接收機(jī)的自動增益控制電路，該系統(tǒng)可將信號輸出穩(wěn)定在一定幅度，系統(tǒng)動態(tài)范圍為80dB。

2 AGC結(jié)構(gòu)及原理

自動增益控制系統(tǒng)是一個自動幅度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電路種類繁多，從控制信號來分，可以分為模擬AGC和數(shù)字AGC兩種類型;從結(jié)構(gòu)來分，可以分為開環(huán)AGC和閉環(huán)AGC兩種類型。雖然數(shù)字AGC電路控制靈活，適應(yīng)性好，但由于噪聲性能不理想，容易限制接收機(jī)接收靈敏度，因此，在聲吶接收機(jī)前端信號調(diào)理電路中一般仍采用模擬AGC電路。

模擬AGC電路一般由壓控放大器、包絡(luò)檢波器、門限比較器和控制電壓產(chǎn)生器等模塊組成。圖1、圖2分別為開環(huán)AGC系統(tǒng)和閉環(huán)AGC系統(tǒng)［1］。從圖中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別在于:開環(huán)AGC系統(tǒng)沒有反饋回路，輸入信號直接與直流參考電壓比較，產(chǎn)生控制電壓，將信號穩(wěn)定在參考電壓值附近;閉環(huán)AGC系統(tǒng)存在一個反饋回路，利用輸出信號與參考電壓比較，產(chǎn)生控制電壓，調(diào)節(jié)壓控放大器增益。

圖1 開環(huán)AGC系統(tǒng)框圖

圖2 閉環(huán)AGC系統(tǒng)框圖

Vr是自動增益控制系統(tǒng)中的門限比較設(shè)定值，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定門限值。當(dāng)AGC電路輸入的電壓小于Vr時，AGC電路調(diào)節(jié)控制電壓VC，提高壓控放大器增益，使輸出電壓提高到設(shè)定的Vr值;如果輸入的電壓大于Vr，AGC降低壓控放大器增益，使輸出電平下降到設(shè)定的Vr值。

開環(huán)AGC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號幅度發(fā)生很大變化時，仍能精確做到輸出幅度不變，其缺點(diǎn)是慣性大，動作遲緩，對系統(tǒng)參數(shù)的變化敏感。閉環(huán)AGC能以一定的準(zhǔn)確度保持系統(tǒng)輸出電壓幅度不變并且對系統(tǒng)嘗試的變化不敏感，同時可以具有始終的快速響應(yīng)，但是抗干擾能力不強(qiáng)，不適應(yīng)輸入快速的情況。

3 VCA810 性能特點(diǎn)［2］

VCA810是TI公司的一款高增益、控制范圍連續(xù)可調(diào)的壓控放大器，可根據(jù)輸出信號大小，自動調(diào)節(jié)增益，將信號輸出穩(wěn)定在一定的幅度。其主要性能參數(shù)如下:

(1)增益控制范圍達(dá)到80dB;

(4)控制電壓范圍:-2V～0V;

(5)增益帶寬級:25MHz;

(6)供電電壓:±5V。

控制電壓VC通過高速控制電路控制增益的大小，控制電壓VC在-2V～0V之間變化時，增益與之間的關(guān)系如式(1)所示:

將上式轉(zhuǎn)化為分貝關(guān)系為:

從式(2)可看出，隨著控制電壓的變化，VCA810可實(shí)現(xiàn)增益在+40dB--40dB范圍內(nèi)的線性變化。但上式只適用于VC在有效電壓范圍內(nèi)變化的情況。當(dāng)VC超過-2V時，應(yīng)采取措施將電壓提升，否則達(dá)到-2.5V時，增益會迅速下降。圖3為VC與增益之間的關(guān)系曲線。

圖3 控制電壓Vc與增益間關(guān)系

4 信號調(diào)理電路設(shè)計

為驗(yàn)證VCA810的性能特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計了一款聲吶接收機(jī)信號調(diào)理系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入信號中心頻率100KHz，帶寬為±5KHz，低噪聲放大器和AGC增益均為40dB，級聯(lián)后整個系統(tǒng)的最大增益為80dB。圖4為信號調(diào)理電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)前端接收換能器傳來的模擬信號，信號經(jīng)低噪聲放大、帶通濾波、自動增益控制后得到穩(wěn)定的輸出。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.1 低噪聲前置放大電路

低噪聲放大器［3］(LowNoiseAmplifier，LNA)在聲吶接收系統(tǒng)中處于前端位置，其性能指標(biāo)的好壞對接收機(jī)整體性能有很大影響。式(3)為表征級聯(lián)放大系統(tǒng)噪聲系數(shù)的弗里斯公式:

式中F1、F2....Fn為各級放大電路的噪聲系數(shù)，G1、G2....Gn-1為各級放大電路的增益。由上式可知，影響接收系統(tǒng)噪聲性能的主要是第一級，所以在系統(tǒng)設(shè)計時，前級放大電路應(yīng)盡量選擇噪聲系數(shù)小的運(yùn)放并盡可能大地提高其增益。

圖5為系統(tǒng)前級同相放大電路。電路放大倍數(shù)為101倍，D1、D2兩個反向二極管起保護(hù)作用，防止接收機(jī)過載，電容C3用于改善信號頻率特性。為避免電源引入過多噪聲，正負(fù)電源輸入端均采用大電容和小電容加強(qiáng)濾波。

4.2 帶通濾波器設(shè)計

系統(tǒng)工作頻段為97KHz-103KHz，頻段以外的高頻和低頻海洋環(huán)境噪聲對接收信號都有很大的影響，另外，經(jīng)過調(diào)理的模擬信號后級在A/D轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行抗混迭濾波，以保證轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號能夠完整保留原始模擬信號的信息。因此，必須設(shè)計高性能的濾波器來降低噪聲、濾除帶外干擾、提高整機(jī)性能。

模擬濾波電路［4］可分為無源濾波電路和有源濾波電路。無源濾波器主要由電阻、電容或電感組成，其特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，噪聲低，但頻率精度不高;有源濾波器頻率精度高、頻率穩(wěn)定性好，但噪聲比較大。此處為了降低系統(tǒng)噪聲，系統(tǒng)采用六階LC無源濾波器，為保證通帶平坦型，濾波器類型選用巴特沃茲濾波器。

圖5 前級放大電路

設(shè)計時，系統(tǒng)采用FilterSolutions無源濾波器專用設(shè)計件，只要設(shè)定好濾波器類型、階數(shù)、通頻帶及中心頻率，F(xiàn)ilterSolutions便可快速設(shè)計出合理的濾波器電路。圖6為采用FilterSolutions軟件設(shè)定濾波器參數(shù)界面。

圖6 濾波器參數(shù)設(shè)定界面

除設(shè)計濾波電路外，F(xiàn)ilterSolutions還可快速分析濾波器的幅頻特性、相頻特性及脈沖時間響應(yīng)特性等。圖7為六階帶通濾波器的電路原理圖，濾波器輸入輸出阻抗均為50Ω，一組串聯(lián)LC和一組并聯(lián)LC組成一個二階帶通濾波器，三組二階濾波器級聯(lián)構(gòu)成六階帶通濾波器。

圖7 LC帶通濾波器電路圖

圖8為濾波器電路對應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線。

圖8 濾波器幅頻特性和相頻特性曲線

從圖中可以看出，該濾波器幅頻特性非常理想，通頻帶內(nèi)無紋波，中心頻率及上下截止頻率非常精確，具有良好的濾波特性。

4.3 AGC 控制電路［5］

圖9為Multisim中AGC仿真電路原理圖。此處采用信號發(fā)生器XFG1模擬系統(tǒng)輸出電壓，示波器XSC1的A通道測量壓控放大器控制電壓VC，B通道顯示信號源產(chǎn)生的信號，以便仿真時對比觀察結(jié)果。

電路由運(yùn)放OPA820、檢波二極管及部分電阻和電容構(gòu)成。運(yùn)放OPA820和二極管D1作為信號峰值檢波，電容C1用來存儲控制電壓，電阻R3通過R2決定放電時間，電阻R1和電容C2對AGC回路進(jìn)行相位補(bǔ)償，VCC3和VCC2為參考電壓。

圖9 AGC電路仿真圖

電路中OPA820起比較器作用，用來比較信號源信號與直流參考電壓的大小。當(dāng)輸入信號大于參考電壓時，運(yùn)放OPA820輸出正向電壓，二極管導(dǎo)通，電容C2充電，其兩端電壓正向變化，VCA810的控制電壓變大，增益變小;當(dāng)輸入信號小于參考電壓時，OPA820輸出反向電壓，二極管D1不導(dǎo)通，由VCC2給C1充電，VCA810的控制電壓變小，增益變大。

圖10、圖11分別為輸入信號小于和大于參考電壓時的仿真結(jié)果。當(dāng)輸入信號小于參考電壓時，控制電壓VC接近0V，VCA810增益接近40dB;當(dāng)輸入信號大于參考電壓時，控制電壓迅速上升到3V，此時，可通過反相放大電路將電平搬移到控制電壓有效范圍內(nèi)，從而降低VCA810增益。

圖10 輸入信號小于參考電壓仿真圖

圖11 輸入信號大于參考電壓仿真圖

5 結(jié)束語

簡要介紹了AGC電路的分類及工作原理，設(shè)計了一款基于VCA810的信號調(diào)理電路。經(jīng)測試，電路噪聲小于2uV，輸入信號范圍為0.3mV～3V，輸出信號幅度能穩(wěn)定在2V左右，頻帶寬度為97KHz～103KHz。系統(tǒng)放大倍數(shù)、動態(tài)范圍、噪聲系數(shù)均能達(dá)到設(shè)計要求，有效驗(yàn)證了VCA810在接收機(jī)自動增益控制中的可靠性。

［1］ 張志剛.90dB大動態(tài)范圍可控AGC系統(tǒng)及其在雷達(dá)遠(yuǎn)程測量平臺中的應(yīng)用［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.

［2］ 王春海，侯寶娥，等.VCA610在水聲模擬信號調(diào)理機(jī)中的應(yīng)用［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007，26(6):1176-1180.

［3］ 馮燁熳.大動態(tài)范圍接收系統(tǒng)和小型化發(fā)射系統(tǒng)的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［4］ 譚博學(xué)，苗匯靜.集成電路原理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［5］ 趙志剛.舷側(cè)陣主、被動自導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2009.