羅有亮，魏連魁，劉 杰

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰 214431）

基于VCA810的大動(dòng)態(tài)范圍AGC電路設(shè)計(jì)

羅有亮，魏連魁，劉 杰

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江蘇 江陰 214431）

在通信系統(tǒng)中，接收機(jī)天線感應(yīng)到的有用信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)變化。為了確保解調(diào)器輸入端電平恒定或在較小的范圍內(nèi)變化，該文基于德州儀器公司的VCA810芯片設(shè)計(jì)了具有80 dB動(dòng)態(tài)范圍的70 MHz中頻大動(dòng)態(tài)自動(dòng)增益（AGC）電路。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于VCA810設(shè)計(jì)的AGC電路控制精度高、范圍寬。

大動(dòng)態(tài)范圍；反饋控制；自動(dòng)增益控制（AGC）；VCA810

利用電磁波進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的相對(duì)位置通常是不確定的，這使得接收機(jī)接收到的信號(hào)的強(qiáng)弱變化范圍很大。在無(wú)線電波的傳輸過(guò)程中，各種遮擋物也使得接收機(jī)天線感應(yīng)到的信號(hào)電平強(qiáng)度隨機(jī)變化［1］。各種因素通常使得接收機(jī)接收到有用信號(hào)的強(qiáng)度變化范圍達(dá)到幾十dB，極端條件變化范圍甚至超過(guò)一百dB。當(dāng)接收信號(hào)太弱時(shí)，過(guò)低的載噪比達(dá)不到接收機(jī)解調(diào)門限，無(wú)法正常解調(diào)信號(hào)；當(dāng)接收機(jī)增益不變時(shí)，過(guò)強(qiáng)信號(hào)極易使得接收機(jī)飽和，甚至損壞接收機(jī)的硬件電路。為了保證良好的接收效果，要求在接收弱信號(hào)時(shí)保證有一定的信噪比，而在接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)接收機(jī)的前端電路又不產(chǎn)生過(guò)大的互調(diào)分量等非線性失真，確保解調(diào)器輸入端的電平幅度保持恒定或在較小的范圍內(nèi)變化?；谪?fù)反饋原理的自動(dòng)增益控制電路通常位于接收機(jī)的解調(diào)器前端，為的就是保證解調(diào)器有著較好的解調(diào)性能［2-3］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 VCA810簡(jiǎn)介

VCA810是德州儀器（TI）的一款寬帶、具有低失調(diào)電壓的、連續(xù)可變電壓控制增益放大器，能夠提供差分輸入單端輸出，出色的共模抑制和兩個(gè)高阻抗輸入的共模輸入范圍允許VCA810提供一個(gè)增益調(diào)節(jié)差分接收器的操作。輸出信號(hào)是相對(duì)于地面。零差分輸入電壓提供了一個(gè)帶有小的直流偏移誤差0 V輸出。低輸入噪聲電壓，確保在最高增益設(shè)置好輸出信噪比。

而此款芯片的突出優(yōu)點(diǎn)是VCA810芯片能夠?qū)崿F(xiàn)-40 dB 到40 dB的線性增益控制，增益控制準(zhǔn)確度±1.5 dB，±5 V電源供電時(shí)增益控制電壓從0 V變化到-2 V時(shí)，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB，具有35 MHz穩(wěn)定的增益帶寬。

圖1 VCA810芯片模塊圖Fig.1 Block diagram of VCA810

1.2 自動(dòng)增益控制（AGC）原理

圖2 反饋型AGC結(jié)構(gòu)方框圖Fig.2 Feedback AGC schematic diagram

2 AGC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于VCA810芯片的大動(dòng)態(tài)自動(dòng)增益控制電路模塊框圖如圖3所示［4-8］。

圖3 基于VCA810芯片自動(dòng)增益控制電路模塊框圖Fig.3 Automatic gain control circuit module based on the VCA 810

2.1 VCA810程控放大器電路設(shè)計(jì)

基于VCA810芯片的大動(dòng)態(tài)自動(dòng)增益控制電路主要由兩塊芯片構(gòu)成，VCA810程控放大電路和OPA820高速緩沖電路。輸入輸出部分設(shè)置了3個(gè)SMA射頻接口。同時(shí)，每一級(jí)都配有短路套接口，方便調(diào)試以及選擇需要的電路連接方式。

圖4 VCA810程控放大器電路Fig.4 Circuit of VCA810 Programmable Amplifier

圖5 OPA820高速放大電路Fig.5 OPA810 high speed amplification circuit

VCA810程控放大模塊電路默認(rèn)設(shè)置了50 Ω阻抗匹配，輸入端并聯(lián)50 Ω到地，輸出可選串聯(lián)或者并聯(lián)510 Ω負(fù)載到地，50阻值永兩個(gè)100 Ω電阻并聯(lián)得到；OPA820放大器可以避免程控放大器在設(shè)置大增益的時(shí)候出現(xiàn)的震蕩問(wèn)題，同時(shí)OPA820芯片可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)放大器增益，OPA820芯片默認(rèn)匹配了50 Ω阻抗，輸入端并聯(lián)50 Ω到地，輸出可選擇串聯(lián)50 Ω或者病連0 Ω負(fù)載到地，放大器連接方式為同相輸入比例放大，其增益值由電阻R18和R17來(lái)決定，本電路默認(rèn)設(shè)置放大倍數(shù)為2倍。

本模塊中另添加了一個(gè)直流偏移電路，通過(guò)J2短路套選擇，調(diào)節(jié)RW1電位器可設(shè)置直流偏移電壓值，電位器的電壓極限時(shí)電源電壓VCC和VSS，即±5 V，設(shè)電位器控制電壓為Va，則：

當(dāng)需要更大的直流偏移電壓值時(shí)，可跟換電阻R4和R24的阻值。

2.2 增益控制電路設(shè)計(jì)

各組鎖骨下動(dòng)脈狹窄患者盜血程度的比較見(jiàn)表2。合并椎動(dòng)脈狹窄性病變組各亞組間（同側(cè)椎動(dòng)脈狹窄性病變組、對(duì)側(cè)椎動(dòng)脈狹窄性病變組、雙側(cè)椎動(dòng)脈狹窄性病變組）盜血程度的兩兩比較均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。而合并椎動(dòng)脈狹窄性病變組及各亞組分別與對(duì)照組比較，Ⅱ期與Ⅲ期盜血所占比例均明顯低于對(duì)照組（P＜0.05）。

為了方便電路增益的設(shè)置，模塊設(shè)置了兩種控制方式，手動(dòng)和自動(dòng)。具體電路如下所示。由于VCA810芯片的有效增益控制范圍為-2～0 V，手動(dòng)方式中電位器RW2的電壓極限是電源電壓VSS和零電位，即為-5 V和0 V，設(shè)電位器控制電壓為，則

自動(dòng)控制方式中，為了配合單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換器只能輸出正電壓值的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)反向放大電路，VCA810最終的控制電壓值通過(guò)運(yùn)算放大器OP07計(jì)算得到。OP07連接方式為反向輸入、1倍放大，測(cè)試所選數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出電壓為0～2.43 V。

取R1=R5=10 kΩ，R8=4.7 kΩ，則偏移電壓值VDA為：

最后VDA的電壓值通過(guò)一階RC（R6和C1）低通濾波后連接VCA810芯片的增益控制引腳。

VAC810芯片在 35M帶寬下的增益控制范圍為-40～40 dB，在本模塊中為了使電路匹配50 Ω阻抗，在VCA810芯片和OPA820之間衰減了2倍，但OPA820放大器設(shè)置了放大倍數(shù)為2，所以理論上本模塊總增益控制范圍為-40～40 dB。

2.3 模塊主要特性

本文基于VCA810芯片的自動(dòng)增益控制模塊主要特性如下：

1）整板：采用主程控放大器和運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)方式，運(yùn)算放大器可以定制放大倍數(shù)；默認(rèn)參數(shù)如下：-3 dB截止頻率為34 MHz，通帶內(nèi)增益起伏很小，對(duì)1 kHz～10 MHz的輸入信號(hào)紋波不超過(guò)1dB，輸入輸出阻抗為50 Ω；輸入信號(hào)范圍20 mVpp～1.5 Vpp；輸出信號(hào)范圍大于10 mVpp，由放大器放大倍數(shù)決定，VCA810芯片輸出信號(hào)10 mVpp～2.5 Vpp。

2）放大器采用高速、寬帶、運(yùn)放芯片OPA820，放大倍數(shù)默認(rèn)為2倍。

3）增益控制：手動(dòng)電位器調(diào)節(jié)或自動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制，控制電壓范圍-2 V～0 V；線性增益控制范圍為-38 dB～40 dB。

4）模塊可選擇是否假如直流偏置。

5）模塊采用±5 V供電。

3 系統(tǒng)測(cè)試

模塊測(cè)試數(shù)據(jù)以圖表的方式體現(xiàn)，主要顯示模塊的幅頻特性曲線。該部分所有測(cè)試條件均在增益控制為手動(dòng)、信號(hào)波形無(wú)明顯失真，并且在示波器使用交流耦合的情況下測(cè)試得到的數(shù)據(jù)圖。為了和模塊50 Ω的輸入阻抗相匹配，信號(hào)源的輸出負(fù)載需要設(shè)置為50 Ω。

3.1 VCA810模塊放大幅頻特性

測(cè)試條件：S1接信號(hào)輸入，S2接信號(hào)輸出；短路套接J11 的 2、3兩腳插針，選擇手動(dòng)增益控制方式；信號(hào)頻率范圍1 KHz～80 MHz，固定增益40 dB得到圖6。

從數(shù)據(jù)圖可以看出增益設(shè)置40 dB之后，帶寬有所下降，-3 dB截止頻率約為30 MHz附近。

圖6 VCA810幅頻特性曲線（G=40）Fig.6 Amplitude-frequency Curve of VCA810（G=40）

3.2 VCA810模塊衰減幅頻特性

測(cè)試條件：S1接信號(hào)輸入，S2接信號(hào)輸出；短路套接J11 的2、3兩腳插針，選擇手動(dòng)增益方式；信號(hào)頻率范圍1 kHz～80 MHz，固定增益-20 dB得到如圖7所示。

圖7 VCA810幅頻特性曲線（G=-20）Fig.7 Amplitude-frequency Curve of VCA810（G=-20）

從數(shù)據(jù)圖可以看出大信號(hào)輸入時(shí)VCA810與小信號(hào)輸入時(shí)的帶寬差別不大，在2 MHz帶寬內(nèi)非常平坦，-3 dB截止頻率在31 MHz附近。

4 結(jié) 論

自動(dòng)控制增益電路是無(wú)線通信領(lǐng)域中用于接收機(jī)中的重要電路。該文對(duì)自動(dòng)控制增益電路的基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，基于VCA810芯片且采用主程控放大器和運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)方式，設(shè)計(jì)了70 MHz大動(dòng)態(tài)自動(dòng)增益控制電路，運(yùn)算放大器額可以定制放大倍數(shù)。理論上本模塊總增益控制范圍為-40～40 dB，實(shí)際上線性增益范圍測(cè)試結(jié)果是-38～40 dB。-3 dB截止頻率為34 MHz，帶通內(nèi)增益起伏較小，對(duì)1 kHz～10 MHz的輸入信號(hào)紋波不超過(guò)1 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于 VCA810芯片設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制（AGC）模塊具有較好的性能，相應(yīng)電路已應(yīng)用于具體項(xiàng)目中，取得了良好的效果。

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Large dynamic range AGC system design based on VCA810 China satellite maritime tracking and control department

LUO You-liang，WEI Lian-kui，LIU Jie
（China Satellite Maritime Tracking&Control Department，Jiangyin 214431，China）

In communication systems，the receiving antenna is sensitive to the intensity of the useful signal which changes randomly.In order to ensure amplitude stability of the received signal，the design method of AGC with 70 MHz intermediate frequency and 80 dB dynamic range using a chip VCA810 which is designed by Texas Instruments Company.The test results show that:this AGC processes with the excellence of high precision control and board range.

large dynamic range；feedback control；automatic gain control；VCA810

TN850.3

A

1674－6236（2016）04-0105-03

2015-03-31 稿件編號(hào)：201503476

羅有亮（1986—），男，江蘇南京人，碩士。研究方向：航天測(cè)控、計(jì)算機(jī)測(cè)控。