李林凱，蹇興亮，邊曉東，吳 昊，張廣琦

（南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031）

0 引言

在放置式電磁渦流探傷檢測中，需要對探頭當前的位置坐標進行自動測量并實時傳送給微處理器。根據(jù)電磁感應原理，利用探頭本身作為激勵線圈，在其周圍固定安裝4個位置檢測線圈，激勵線圈的磁場會在4個位置檢測線圈中產(chǎn)生不同大小的感應電動勢，由此可確定激勵線圈（探頭）的位置。由于激勵線圈產(chǎn)生的磁場隨距離增大迅速衰減，4個位置檢測線圈檢測到的信號變化范圍很大，可達到60dB（1000倍）以上。當傳感器離激勵線圈很近時，信號很強；當傳感器離激勵線圈較遠時，信號很弱。采用AGC放大電路可適應大動態(tài)范圍的信號處理。

1 AGC電路的工作原理

AGC電路由可變增益放大器和控制電壓產(chǎn)生電路組成［1-2］。電路的電壓增益不是常數(shù)，而是隨輸入信號的增大而減少，AGC電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用運放和場效應管構(gòu)成的可變增益放大器原理如圖2所示［3-4］。

圖1 AGC電路結(jié)構(gòu)

運放A1，A2均為同相運算放大器。加在A2同相輸入端的控制電壓為負值，負得越多，場效應管柵極電壓也就越負，結(jié)型場效應管工作在可變電阻區(qū)，漏源之間的電阻RDS就越大，運放A1的電壓增益1+Rf1／RDS就越小，反之亦然［5］。

圖2 可變增益放大器原理

2 AGC電路主要組成器件選擇

低成本的AGC電路主要元件包含1個LM324及1個場效應管3DJ6F。LM324為通用四運放集成電路，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立，開環(huán)增益為100dB。靜態(tài)電流小，電源電壓范圍為±3～±18V，也可單電源使用。

本電路采用的場效應管3DJ6F，屬于N溝道結(jié)型場效應晶體管。在此，使它工作在可變電阻區(qū)，溝道尚未夾斷，漏極電流與漏源之間電壓近似線性關系，漏源之間的電阻RDS隨柵源之間的電壓改變，柵源之間電壓越負，RDS就越大。RDS可從幾十歐變化到幾千歐。

3 AGC電路設計

在項目中要求對位置檢測線圈中的感應電壓進行放大，然后送A／D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。初步查明，在探頭（激勵線圈）有效移動范圍內(nèi)，感應電動勢峰峰值大小可從2μV變化為16mV。而12位的A／D轉(zhuǎn)換器，允許輸入信號的電平為0～2.42V，工作電壓為3.3V。因此，要設計一種AGC放大電路，當信號變化范圍很大時，能連續(xù)改變放大器的放大倍數(shù)，使輸出電壓保持在一定的范圍之內(nèi)。輸入信號電壓Ui峰值變化范圍為2μV～16mV時，放大器的輸出電壓Uo峰值對應為5mV～2.4V。

3.1 AGC電路的設計原理

系統(tǒng)使用LM324，并采用二級放大結(jié)構(gòu)，如圖3所示。第1級放大由放大器和場效應管組成；第2級放大由運放器構(gòu)成，主要是提高電路的整體放大倍數(shù)，對增益的控制，是關鍵技術，在輸出端采用半波整流，給場效應管提供一個偏置電壓。

圖3 基于LM324的AGC電路原理

3.2 AGC電路的組成部分

一級放大為同相比例運放［6］，輸出為：

R5為第一級放大的反饋電阻；RDS為場效應管3DJ6F漏極與源極之間的電阻。RDS是可變的，通過控制柵極的電壓來控制RDS，從而達到增益的自動控制。

二級放大也為同相比例運放［6］，輸出為：

通過調(diào)節(jié)R11可以對放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，設計二級放大主要是為了確保能對很微弱的信號進行適當比例的放大，使最后輸出信號的值在一個較好的范圍之內(nèi)?？刂齐妷寒a(chǎn)生電路采用半波整流，根據(jù)二級管的單向?qū)ㄐ?，在電容C2和C3兩端得到與輸入信號成正比的直流電壓，再通過運算放大器的放大，在結(jié)型場效應管柵極得到控制電壓，大小為：

UA為圖3中A點的電位。

4 電路實驗測試與分析

4.1 AGC電路的測試數(shù)據(jù)

AGC電路的實際測試如圖4所示。由于使用的函數(shù)信號發(fā)生器的最低擋位的最大輸出信號為2 mV，為了確保能夠準確地輸出2μV信號，在函數(shù)信號發(fā)生器后加了衰減器進行衰減1000倍。對輸入頻率為1kHz的正弦信號進行AGC電路測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。通過表1測試數(shù)據(jù)可以看出，在輸入頻率為1kHz的標準正弦信號時，隨著輸入信號的增大，AGC電路的放大倍數(shù)在逐漸減??；當輸入信號峰峰值小于2μV時，通過二極管D1整流獲得的電壓幾乎為0，柵極電壓為0，漏源之間的電阻為最小，且不在可變電阻區(qū)，AGC電路無法正常工作；當輸入信號大于20mV時，由于從第二級放大電路反饋回來的負電壓的絕對值較大，3DJ6F結(jié)型場效應管溝道完全夾斷，漏源電阻不變化，整個AGC電路不起作用。

圖4 AGC測試

表1 基于LM324的AGC電路測試數(shù)據(jù)

4.2 不同頻率下Uo與Ui的關系

通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，可繪出不同頻率下輸出信號Uo與輸入信號Ui的關系曲線，如圖5所示。頻率變大時，Uo與Ui間的放大倍數(shù)Au不斷變小；當輸入信號頻率高于50kHz時，輸出信號幾乎為零，該電路對頻率從200Hz到20kHz的輸入信號有較好的增益調(diào)節(jié)控制作用。

圖5 不同頻率下Uo與Ui的曲線

4.3 不同輸入信號下Au與f之間的關系

分析實驗數(shù)據(jù)后繪出放大倍數(shù)Au與頻率f之間的關系曲線，如圖6所示。電路的頻帶較窄，隨著輸入信號電壓值的增大，放大倍數(shù)逐漸減小。

圖6 不同輸入信號下Au與f之間的曲線

5 結(jié)束語

根據(jù)電磁渦流無損探傷中探頭位置測量裝置研制的需要，設計了適應大動態(tài)范圍信號處理的AGC放大電路。電路使用LM324集成運放芯片，利用二級放大達到整個電路的高增益，再利用結(jié)型場效應管工作于可變電阻區(qū)，引入反饋控制，從而達到AGC的作用。通過實驗采集數(shù)據(jù)并繪圖分析，AGC電路對2μV到20mV之間的微弱信號有較好的增益控制作用，AGC電路的頻帶寬大概為5 kHz，對輸入為2μV到20mV，頻率為1kHz的信號有良好的增益可調(diào)作用，放大倍數(shù)在100倍到2500倍之間變化。但是AGC電路的頻帶較窄，輸入信號的范圍較小，當輸入信號太小時容易受到外界噪聲的干擾，可以通過在第二級放大處用一個3DJ6F取代圖3中的R1，構(gòu)成二級AGC放大電路，2個結(jié)型場效應管的柵極直接相連，從而對動態(tài)范圍較大的輸入信號有更好的作用。

［1］董茂林，欒寶寬，張 磊.一種中頻AGC放大電路的設計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術，2008，8（5）：69-70.

［2］林春方.高頻電子線路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［3］劉世剛，葛臨東.一種結(jié)構(gòu)簡單性能優(yōu)良的AGC電路［J］.今日電子，2005，13（9）：93-95.

［4］張淑娥，楊再旺，李文田.一種性能優(yōu)良的AGC電路［J］.電力情報，1999，（2）：54-56.

［5］李建強，高麗麗.基于晶體管的自動增益控制技術研究［J］.無線電工程，2011，41（9）：55-57.

［6］華成英.模擬電子技術基本教程［M］.北京：清華大學出版社，2006.