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1、低频功率放大器(G题)基本要求(1) 当输入正弦信号电压有效值为5mV寸，在8Q电阻负载(一端接地)上，输出功率5W, 输出波形无明显失真。文档来自于网络搜索(2) 通频带为20Hz20kHz。(3) 输入电阻为600 Qo(4) 输出噪声电压有效值 V0NK 5mV(5) 尽可能提高功率放大器的整机效率。(6) 具有测量并显示低频功率放大器输出功率(正弦信号输入时)、直流电源的供给功率和整 机效率的功能，测量精度优于5% 文档来自于网络搜索发挥部分(1 )低频功率放大器通频带扩展为10Hz50kHz。(2) 在通频带内低频功率放大器失真度小于1%(3) 在满足输出功率5W通频带为20Hz20
2、kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。(4) 设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为 4060Hz。在50Hz频率点输出功率衰减6dB。(5) 其他。一、方案论证比较1.1 低噪声问题设计要求输出噪声电压有效值低于 5mv因此前级放大电路要选用 OP37型低噪声运放。 并采用同相无对地电阻的反相放大电路，使电路中的噪声源一电阻的数量达到最少，以最大 限度地获得低噪声。文档来自于网络搜索1.2 灵敏度问题由于信号至少需要被放大一千多倍。考虑到运算放大器的放大倍数和通频带的关系，所 以放大电路采用两级放大。(整机增益为10020倍)文档来自于网络搜索1.3 咼保真冋题功率放大电路采用了具有负反馈功能
3、的甲乙类推挽放大电路，有效克服了普通甲乙类推 挽放大电路的交越失真问题。文档来自于网络搜索1.4 提高效率的问题(亮点)运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压，最大限度地提高了电源电压的利用 率，也就是功率放大器的效率。文档来自于网络搜索1.5 电源方案(创新点)将稳压前的电压作为运算放大器的电源，稳压后的12V提供给功率输出级，这样就在获得两套对称电源输出的同时，最大限度地简化了电源结构。文档来自于网络搜索1.6 陷波器功能的革新(创新点)对陷波电路进行了革新，使经典陷波器尖锐的幅频特性曲线变得圆滑一些，使其更加适 合消除机械发电机产生的不够精确和稳定的50Hz工频干扰。文档来自于网络
4、搜索1.7 参数监控问题低频功率放大器输出功率、直流电源的供给功率和整机效率的测量与显示电路，以单片 机为控制芯片，信号经 AD转换后送给LCD显示，不仅成本低，并且很好的完成了要求。文档来自于网络搜索1.8 整机系统方框图我们设计的低频功率放大器主要由前级低噪声放大电路、中级信号放大电路、功率放大 电路、带阻滤波器、电源电路、峰值检波电路、AD转换电路、单片机控制电路、LCD显示电路等组成，系统框图如图1所示。文档来自于网络搜索1 / 9图1系统框图二、主要电路设计与计算2.1 输出功率及电源电压设计要求在8Q电阻负载上输出功率5W考虑留出一定的裕量，故设计输出功率输出级 的电源电压为12V
5、,输出功率输出级的输出电压峰值则接近 12V,，最大输出功率则接近9W, 满足题目要求。 文档来自于网络搜索P = U X U / 2R = 12 X 12 / (2 X 8) = 9W2.2 增益分配确定采用两级放大器，一级跟随器兼增益调节。前置放大器的增益d=167倍，功率放大器的增益人2=60倍，跟随器兼增益调节的增益几3=01倍。整机增益为 A=A X A X Az3=167X 60X (01)=010020 倍。2.3 低噪声前置放大电路低噪声前置放大电路是由运放构成的反相放大器，如图 2所示。运放选取甚低噪声宽带 高精度运算放大器OP37其失调电压低于25uV,从而有效降低外界噪声
6、干扰。采用反相放大 器，使电路所用元器件的个数降到最少，电路简单可靠。文档来自于网络搜索图2前级低噪声放大电路2.4阻带滤波器实际电网产生的50Hz工频干扰是机械发电机产生的，其频率是不够精确和稳定的，会在 49.550.5Hz范围内波动。文档来自于网络搜索常规陷波器对陷波频率衰减的幅频特性曲线很尖锐，不利于衰减50HZ附近的频率，如图 3(a)中曲线A所示。针对这种缺陷，我们调整了陷波器的参数 (将R由典型值的16.5KQ改为 22KQ)，使陷波器的幅频特性曲线改变成了如图 3(a)中B所示的形状，使其对50HZ附近的 频率的衰减特性大大改善。文档来自于网络搜索ULiV .hr0fj0f:F
7、图3(a)陷波器幅频特性曲线针对设计要求的阻带频率范围为 4060Hz,且在50Hz频率点输出功率衰减6dB,我们 设计了 Q值可调、衰减幅度可调的功能，如图 3(b)所示。经调试，电路的参数完全达到了理 论设计要求。文档来自于网络搜索TT*陷波深度调整Y180.6ifRs33KI190,3nF 丄-IID 90.3nT22KR图3(b)阻带滤波器2.5 中间信号跟随电路及增益调节方案 、中间级信号跟随电路为由运放 TL084组成的，用于实现陷波器与增益调节电位器之 间的阻抗转换。 、经测试，精密线绕电位器和通用碳膜电位器的幅频特性远不能满足题目要求，而微型微调电位器的幅频特性可在 0Hz24
8、0KHz范围保持平坦。所以决定采用微型微调电位器实现 增益调节功能，这样可以简单地回避在电路中采用繁琐的频率补偿方案。文档来自于网络搜索2.6 功率放大电路功率放大电路采用了具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，末级功放管采用分立的大 功率互补对称的场效应晶体管 2RF630 2RF963Q如图4所示。一般电路的反馈采样点选在 运放的输出端(图4中a点)，而本设计中选取在功率输出端(图4中b点)，利用反向比例放 大器的强负反馈功能来纠正功率输出及的交越失真。文档来自于网络搜索末级功率放大电路工作在甲乙类状态，静态工作电流为25mA图4功率放大电路2.7 提高功率放大器效率的措施、大功率MOS场效
9、应管具有很低的饱和压降，如 2RF630场效应管在大电流（I d=2A）时 的饱和压降U=0.1V。所以用MO场效应管组成的对称互补型功率输出电路，输出电压可以很接近电源电压，也就是可以很接近 70%勺理想输出效率，如下图c中场效应管组成的对称互 补型型功率输出级的输出电压与电源电压之间的关系。文档来自于网络搜索图5提高功率放大器效率的原理 、但作为推动级的运算放大器 TL084的输出电压明显不能达到轨到轨的水平（见图中运放的最大输出电压），而且由于功率输出级存在内阻，使功率输出级的输出电压又明显小于推 动级运放的输出电压（见图中a、a和c、c之间的关系），从而使功率输出级的输出电压明 显不能
10、接近电源电压，功率输出级的效率因此不能得到充分发挥。文档来自于网络搜索若强制增大推动级运放的输出电压，将会出现失真（见图中b、b之间的关系）。 、我们提高功率放大器效率的措施是：采用推动级运算放大器的电源电压高于功率输出级的电源电压的方法，创造运算放大器 TL084的输出电压可以显著大于功率输出级最大输出电压的条件。如上图所示推动级运放的 输出电压与电源电压之间的关系，从而最大限度地提高了功率输出级对电源电压的利用率。 文档来自于网络搜索2.7 减小失真的措施推动级运算放大器因纠正功率输出电路非线性失真的需要和功率输出电路自身输出阻抗的原因，推动级比例运算放大器在正常放大时，输出电压会明显大于
11、功率输出的电压；从而 使其阻碍功率输出效率的作用更加显著，如图 A所示：JL(Ji+17.5V- 厂、一运放输出端的电压/严食共用电頑电压黔+12昭/功率辅出雋的电压1 - _ _ 运放电源电压E+厂y运放输出端的电压.功率输出级电濾电压計 f 弋一功率输出端的电压a wT哄用电源电压e-.V.?S7Z：. -12Vw-17.5V运放电遁电压E-弋二 -婵输出级电凋电压图5减小失真的原理2.8 峰值检波电路峰值检波器为理想检波电路，该电路可以消除检波二极管的正向导通电压所引起的误差 如图5所示，测得的电压峰值送给单片机处理。文档来自于网络搜辅出电压测 图6峰值检波电路2.9 稳压电源电路本设计
12、的供电系统采用了自行设计的直流稳压电源，该稳压电源以最简单的结构为本设 计提供了 3套电源。原理框图如图6所示。4TOOuF整机电硫取样点1SLTtiLid4700uFd | 整机电硫取祥点+5VT单片机电源+17.5V7812ZOOuF7912整机电压V+测量咗整机电压V-测量点+12VlOOOuPlOOOuF运算敢大器电源 功率输出级电源-17. 5V图7直流稳压电源1Q的整机电流取样电阻设在 7812的前面，是为了不增加7812的低输出阻抗。由于运算放大器的高共模电源电压其抑制比，所以，为运算放大器提供的电源无需稳压。2.10防自激的措施由于本音频功放的电压放大倍数很大（Av最大超过10
13、4倍），所以电路很容易自激。我们采 取两套措施来解决自激问题：文档来自于网络搜索1、 对前置放大器的电源进行滤波，以减小前后级放大器之间的交流耦合，如图所示R、 R、C、G、组成的滤波电路。由于前置放大器不会有大的输出电压，所以，该滤波电路虽然降低了前置放大器的电源电压，却不会影响整机的输出电压动态范围。文档来自于网络搜索2、 让负载的大电流完全不通过信号回路，见图 7中虚线框内的地线结构。图8防自激的措施2.11 双减法器设计由于双电源的正负电源输出的电流不一定相等，所以我们设计了双减法器（仅仅多了三 个电阻），能够获得双电源的正负电源输出电流的平均值，使输出的数据更加稳定，准确。 文 档来
14、自于网络搜索图9双减法器2.12显示电路设计显示电路是以单片机 STC89C52R为核心，由多通道AD转换芯片TLC1543采样电压信号, 最后计算结果送LCD12864显示，如图7所示。其中TLC1543的通道1采集8Q电阻负载上输出的峰值电压Uom，通道2采集稳压电源在标准电阻 Rc=1Q上U,然后送给单片机做处理,其中输出功率18XTALRsnrpirnsP1.1/E2EXP1J ?!P11P1SP1PIT2om2R，供给功率pomoQ pa.moi ?oaD2PD3D3 PD.ADlPD.TDTP2IWP U供Rc，最后将数据送LCD显示。文档来自于网络搜索33 卩世?35 卩旳 车卩
15、口,3F21 卩in II 1?13 寻3Z 呵PSENME 斎P22M1QF23W11陀M3P2JRM1i PZ.TISP11Wa5iPU7/R!Dpan/Rxo P3,1JTXB P3MI1D pij/intTF3.VTTIF3T1ITRV1117_于U1TLW1=!目CDAIND ,11IN2 Aim? AIN 4 AIMS MN6 Mm AIN3 AIN9 AIN 10eoc113SDO ftPPR csCIKran CM L 口程序由主程序和中断程序组成，如图 8所示 在主程序中，首先对LCD定时中断T0等 进行初始化，给任务变量赋初值，然后进行 AD 转换并送LCD显示，同时等待中
16、断。进入中断后，任务全局变量，即I和J同时减1,由于变量赋了 初值，当I减至0时，执行任务1,即AD采样及 数据处理，然后再赋值给I ;当J减至0时，执行 任务2,即数据更新显示，然后再赋值给 J，等待 下一次的中断即变量减1,直至为0,又执行各 任务。序流程图三、测试方案与测试结果3.1输出功率的测所用仪器：.TFG1Q05 DDSB数信号发生器，RIGOL DS5022風双通道数字存储示波器。 5mV的正弦输入信号，调整其频率在 可以看到输出波形无明显P =U R即可求出输测量方法：用函数信号发生器提供电压有效值为20Hz20kHz之间变化，用示波器测量8Q电阻负载上的电压信!执伽数掘己录
17、几个随机频率点处负载两端的电压有效值FD采样及数据处理_文档来自于网络搜索失真。出功率测量结果:如表1 所示6-_Zk_LCD12SMl 示号,U有效，利用公式表1输出功率的测量结果f(Hz)20Hz200Hz2K20KU有效(V)6.366.366.366.36PO(W)55553.2通频带的测量所用仪器：TFG1005 DDS函数信号发生器，RIGOL DS5022風双通道数字存储示波器。 测量方法：方法同上，需要分别测量 20Hz和20KHZ附近处的电压有效值，如果这两点处的电压幅值大于U有效:0.707U 有效而小于 20Hz和大于 20KHZ的频率点的电压值小于0.707U有效。文档
18、来自于网络搜索测量结果：如表2所示表2通频带的测量结果U有效7.07Vf(Hz)2611205K10K15K20K50K100K140Ku有效(V)457.077.077.077.077.077.076.85.853.3输入阻抗的测量所用仪器:万用表，TFG1005 DDSS数信号发生器，RIGOL DS5022I型双通道数字存储示 波器。文档来自于网络搜索测量方法：不接负载，断开电源，在功率放大电路输入端之前串接一个600欧的电阻R,在此外接电阻之前输入电压有效值为 5mV正弦信号，用示波器测量外接电阻端的信号电压有效值Ur有效和原输入端的信号电压有效值 Ui有效。文档来自于网络搜索U s有
19、效U i有效测量结果：测得Us有效二5mV Ui有效二2.5mV根据齐R7可可求得Ri=60Q3.4输出噪声电压的测量Uon。所用仪器：带宽为2MHZ勺毫伏表测量方法：将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值测量结果：测得Uon =5mV 3.5测量、显示功能的测试所用仪器：DH1718D_2双路跟踪稳压稳流电源，TFG1005 DDS函数信号发生器，RIGOLDS5022h型双通道数字存储示波器，万用表。文档来自于网络搜索测量方法：把万用表串联在直流信号源与功率放大电路之间，利用其电流档测直流输入U有效，利用公式P二Ui h得直流电源的供给功率；利用公式U有效Po 二可得输出功率；利
20、用8Q电阻负载上的电压有效值电流Ii，直流电压Ui可通过信号源直接读出；用示波器测量P0 100%公式 P可得整机效率；测量结果可从LCD上直接读取 。 文档来自于网络搜索测量结果：Ui =i2V,Ii = 613mAPU 0 100%U 有效=6.36 V,P=68% 3.6 失真度测量所用仪器：TFG1005 DDS函数信号发生器，RIGOL DS5022風双通道数字存储示波器。测量方法：测量8Q电阻负载上的电压信号，用基波剔除法，即测量信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。文档来自于网络搜索5总结该系统采用直流供电，低频交流信号输入、由低频功率放大模块、减法器功能电路模块、峰 值检测电路模块、TLC1543AD采样转换模块，单片机控制模块、显示 LCD12864模块组成、带 阻滤波器来增强系统的抗干扰性能。 系统具有低频功率放大功能，测量并显示直流电源功率、 交流输出功率、效率功能、抗干扰能力强等特点。文档来自于网络搜索参考文献1 谭浩强著.C语言程序设计（第三版）.清华大学出版社,2005.2 李朝青著.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,2005.3 康华光.电子基础（模拟部分）.高等教育出版社.2001-44 康华光.电子基础（数字部分）.高等教育出版社.2001-4文档来自于网络搜索