已阅读5页,还剩42页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
摘要低频功率放大器简称功放,可以说是各类音响器材中最大的一个家族了。低频功率放大器的的设计是有很多意义的它可将音源器材输入的较微弱信号进行放大,产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。目前低频功率放大由分立元件组成,或集电极输出完成,由分立元件组成的功放,电路结构简单,由集电极输出的功放,可减少信号失真。在模拟电子技术知识的基础上,我们在此介绍制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器的基本原理、内容、技术路线。整个电路主要由稳压电源、前置放大器、功率放大器、波形变换电路共4部分构成。设计的电路结构简洁、实用,充分利用到了集成功放的优良性能。关键词波形转换电路,放大级电路,功率放大电路,自制稳压电源电路。ABSTRACTPASHORTAMPLIFIERCANBESAIDTHATTHEVARIOUSTYPESOFAUDIOEQUIPMENTINONEOFTHEBIGGESTOFTHEFAMILYPRACTICALLOWFREQUENCYPOWERAMPLIFIERDESIGNISALOTOFSIGNIFICANCEITCANBEIMPORTEDAUDIOEQUIPMENTFORAWEAKSIGNALAMPLIFICATION,TOGENERATEENOUGHCURRENTTODRIVETHESPEAKERSTOVOICEPLAYBACKATPRESENTPOWERAMPLIFICATIONBYDISCRETECOMPONENTS,ORCOMPLETECOLLECTOROUTPUTFROMTHEAMPLIFIERCOMPOSEDOFDISCRETECOMPONENTS,CIRCUITSTRUCTUREISSIMPLE,FROMTHECOLLECTOROUTPUTAMPLIFIERCANREDUCETHESIGNALDISTORTIONKEYWORDSSINEWAVESQUAREWAVECONVERSIONCIRCUITWEAKSIGNALPREAMPLIFIERCIRCUITPOWERAMPLIFIERCIRCUITSELFMADEPOWERSUPPLYCIRCUIT目录摘要1第一章前言5第二章低频功率放大器概述621低频功率放大器的基本要求622低频功率放大器的分类723功率放大电路的主要特点8第三章总体方案设计1031总体方案论证1032单元模块方案论证与比较12321波形变换电路12322弱信号前置放大级12324功率放大级13325自制稳压电源1433方案选择15第四章单元模块设计1641各单元模块功能介绍及电路设计16411波形变换电路16412弱信号前置放大级电路18413功率放大级电路20414自制稳压电源电路2242电路参数的计算及元器件的选择23421增益分配23422前置放大器的参数设计23423中间放大级的参数设计24424功率放大级的参数设计24425电源电路的参数设计25426波形变换电路的参数设计25427测量部分25428显示部分2743系统软件设计27431测量显示模块软件设计流程图2744特殊器件的介绍29第五章系统调试3251调试前的直观的检查3252稳压电源的调试3253前置放大电路和波形转换电路的调试3255输入电阻的测试3356功放级的调试3358系统的总调试34第六章系统功能、指标参数3661基本要求部分3662发挥部分3763要求指标与实测指标对比3764测试结果分析38第七章设计总结4171对设计的小结4172设计收获体会41第八章附录4381系统整体电路图(见附图)4382仪器设备清单43第九章参考文献44第十章致谢45第一章前言在模拟电子线路中信号经过放大后,往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能,例如推动喇叭发出声音,推动继电器实现控制等等。这些执行机构是把电能转换成其他形式能量的器件,他们正常工作需要从电路中获取较大的能量。所以放大电路的末级多有功率放大器组成,以便为负载提供足够的信号功率。本次课程设计就是简易低频功率放大器。随着现代社会电子科技的迅速发展,要求我们要理论联系实际,毕业设计的进行使我们有了这个非常重要的机会,通过这种综合性训练,要求我们达到以下目的和要求1、结合设计中所学到的理论知识,独立设计方案。2、学会查阅相关手册于资料,通过查阅手册和文献资料,进一步熟悉常用电子器件类型和特性,并掌握合理选用的原则,培养独立分析于解决问题的能力。这次毕业设计是对我们所学习的电子技术的一次实际应用,也是对我们所学知识的一次练习和提高。第二章低频功率放大器概述21低频功率放大器的基本要求功率放大器和电压放大器是有区别的,电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大,一般输入及输出的电压的电流都比较小,是小信号放大器。它消耗能量少,信号失真小,输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率,它的输入、输出电压和电流都较大,是大信号放大器。它消耗能量多,信号容易失真,输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求1具有足够大的输出功率为了得到足够大的输出功率,三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。2效率要高功率放大器是利用晶体管的电流控制作用,把电源的直流功率转换成交流信号功率输出,由于晶体管有一定的内阻,所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的功率PO与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率,用公式表示为100POPE显然,功率放大电路的转换效率越高越好。3非线性失真要小功率大、动态范围大,由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的,但是依然要设法尽可能减小非线性失真。4散热性能好22低频功率放大器的分类一、以晶体管的静态工作点位置分类常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同,可分为甲类、乙类和甲乙类3种,如图221所示。A3种工作状态下对应的工作点位置B甲类功放的输出波形C乙类功放的输出波形D甲乙类功放的输出波形图221功率放大器的3种工作状态1甲类功率放大器工作在甲类工作状态的晶体管,静态工作点Q选在交流负载线的中点附近,如图221A所示。在输入信号的整个周期内,晶体管都处于放大区内,输出的是没有削波失真的完整信号,如图221B所示它允许输入信号的动态范围较大,但其静态电流大、损耗大、效率低。2乙类功率放大器工作在乙类工作状态的晶体管,静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处,即交流负载线和IB0的交点处,如图221A所示。在输入信号的整个周期内,三极管半个周期工作在放大区,半个周期工作在截止区,放大器只有半波输出,如图221C所示。乙类工作状态的静态电流为零,故损耗小、效率高,但非线性失真太大。如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作,则可以放大输出完整的不失真的全波信号。3甲乙类功率放大器工作在甲乙类工作状态的晶体管,静态工作点Q选在甲类和乙类之间,如图221A所示。在输入信号的一个周期内,晶体管有时工作在放大区,有时工作在截止区,其输出为单边失真的信号,如图221D所示。甲乙类工作状态的电流较小,效率也比较高。二、以功率放大器输出端特点分类1有输出变压器功放电路。2无输出变压器功放电路又称OTL功放电路。3无输出电容器功放电路又称OCL功放电路。4桥接无输出变压器功放电路又称BTL功放电路。三、功率管的安全使用知识就功率管而言,为了保证其安全运用,必须做到以下几个方面1避免发生集电结的击穿。2避免集电结过热,集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。晶体管的集电极容许损耗PCM不是一个固定不变的值,它和器件的散热情况有关,根据环境温度和器件的散热装置不同而有所不同。3功率管在工作时不能进入二次击穿区。23功率放大电路的主要特点1功率放大电路的任务和特点基于输出较大功率的基本任务,对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面1)大信号工作状态为输出足够大的功率,功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大,因此,功率放大管的动态工作范围很大,功放管中的电压、电流信号都是大信号状态,一般以不超过晶体管的极限参数为限度。2)非线性失真问题由于功放管的非线性,功率放大电路又工作在大信号工作状态,必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。输出功率越大,电压和电流的幅度就越大,信号的非线性失真就越严重。因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。3)提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗从能量转换的观点来看,功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出,其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上,并且主要是功放管的损耗。对于同样功率的直流电能,转换成的交流输出能量越多,功率放大电路的效率就越高。因为功率大,所以效率的问题就变得十分重要,否则,不仅会带来能源的浪费,还会引起功放管的发热而损毁。第三章总体方案设计31总体方案论证低频功率放大器的基本要求功率放大器和电压放大器是有区别的,电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大,一般输入及输出的电压的电流都比较小,是小信号放大器。它消耗能量少,信号失真小,输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率,它的输入、输出电压和电流都较大,是大信号放大器。它消耗能量多,信号容易失真,输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求1具有足够大的输出功率为了得到足够大的输出功率,三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。2效率要高功率放大器是利用晶体管的电流控制作用,把电源的直流功率转换成交流信号功率输出,由于晶体管有一定的内阻,所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的功率PO与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率,用公式表示为100POPE显然,功率放大电路的转换效率越高越好。3非线性失真要小功率大、动态范围大,由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的,但是依然要设法尽可能减小非线性失真。4散热性能好系统原理方框图如图1所示。根据题目任务,我们设计有四个基本电路正弦波一方波转换电路弱信号前置放大级电路功率放大电路自制稳压电源电路。图311系统原理框图其中前置级主要完成小信号的电压放大任务;功率放大级则实现对信号的电压和电流放大任务;直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量由于方波中含有丰富的高次谐波分量,波形变换电路提供方波,可通过对方波信号的测试来检验功放的转换速率、失真度、效率等指标。该系统是一个高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的音响与脉冲传输、放大兼容的实用电路。下面对每个单元电路分别进行论证。32单元模块方案论证与比较321波形变换电路方案一利用运放在开环状态下的饱和特性,正弦波信号经过两级运放放大后,产生了正弦波饱和失真的方波信号,由于输出方波幅值远大于题目要求,于是采用开关三极管脚与脚短接当成两个二极管削波(用两个锗开关管也可以),便将电压钳制在700MV左右,然后通过电阻分压,最终得到题目要求的正负极性对称的200MVPP的方波信号。方案二直接采用施密特触发器进行变换与整形。而施密特电路可用高精度、高速运算电路搭接而成,也可采用专用施密特触发器构成,还可以选用NE5532电路构成。方案三利用运放的正反馈作用,使转换部分的波形上升沿和下降沿都变得很陡,利用稳压管将电压稳定在62V左右,然后利用电阻分压得到要求的正负对称的峰一峰值为200MV的方波信号。运放选用NE5532。本系统采用方案二,且施密特电路采用高精度、高速运算放大器LF357构成。322弱信号前置放大级方案一采用分立元件组成放大电路。用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。该电路的优点是共模抑制比高、性价比高。方案二采用集成电路构成。该电路的优点是电压增益易调且高、电路简单。根据题目要求需要低输入电阻,高增益的前置放大级。方案一要求的性能相同的小功率三极管电路设计、计算相对复杂。而方案二具有更大的优越性和灵活性弱信号前置放大电路必须由低噪声、高保真、高增益、快响应、宽带音响集成电路构成。符合上述条件的集成电路有M5212、LM5213、LLM1875、TDA1514、NE5532、NE5534等。本系统设计选用NE5532,因为同众多的运放相比,NE5532具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、宽频带等优良性能,被称为“运放之皇”。这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能,较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。323中间放大级方案一采用分立元件组成多级放大。用功率小三极管组成多级共射放大电路,性价比好。方案二采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。根据题目要求,放大器的通频带要宽,放大倍数大。方案一各放大级如直接耦合,各级的静态工作点相互影响,难以设置;如采用电容耦合,通频带将受影响,放大倍数要达到要求,放大级数多,难以达到要求。方案二采用集成芯片做一级放大,放大倍数易达到要求,设计易于实现,价比高。因此选方案二。324功率放大级方案一功率放大输出级采用分立元件构成的OCL电路,驱动级采用集成芯片,整个功放级采用大环电压负反馈。这种方案的优点是由于反馈深度容易控制,故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小,使音质很纯净。但外围元器件较多,调试要困难一些。方案二采用专用的功放集成芯片。LM1875是一款功率放大集成块,体积小巧,外围电路简单,且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。根据题目设计要求,可供选择的功率放大器可由分立元件组成,也可由集成电路完成。由分立元件组成的功放,如果电路选择得好,参数恰当,元件性能优越,且制作和调试得好,则性能很可能高过较好的集成功放。许多优质功放均是分立功放。但其中只要有一个环节出现问题或者搭配不当,则性能很可能低于一般集成功放,为了不至于因过载、过流、过热等损坏还得加复杂的保护电路。现在市场上有许多性能优异的集成功放芯片,如TDA2040A、LM1875、TDA1514等。集成功放具有工作可靠,外围电路简单,保护功能较完善,易制作调试等优点,虽不及顶级功放的性能,但满足并超过本设计的要求是没有问题的。另外集成运放还有性价比高的特点。故本系统设计选用方案二。该方案的优点是技术成熟,外围元器件少,保护功能较完善,调试简单,便于扩功等。325自制稳压电源本系统设计采用三端集成稳压电源电路,选用LM7818、LM7918三端集成稳压器。326测量模块方案一输出电压经分压后用A/D直接采集计算,由于输出电压较大,但A/D的基准电压是5V,所以必须利用分压将电压降到5V以内进行测量。方案二采用小阻值的采样电阻如图3223我们知道,如果R2的阻值远小于R1的阻值时,那R2对图3261ADC0804是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位,转换时间100US,输入电压范围为05V。增加某些外部电路后,输入模拟电压为5V。该芯片内有输出数据锁存器,当与计算机连接时,转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上,无需附加逻辑接口电路。ADC0804的外围电路比ADC0832复杂,但是ADC0832的体积比ADC0804小,并且ADC0832使用的是串口,节省了IO口,ADC0804使用的是并口,但是使得程序编写简单。327显示模块根据设计要求,需要显示输出电压、电源供给功率、输出功率和效率。方案一用液晶屏显示。液晶显示屏具有低耗电量、无辐射危险,可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。方案二使用传统的数码管显示。数码管具有低能耗、低损耗、耐老化、防晒防潮、易于维护、操作简单的特点。本设计要显示的数据较多,方案二要求数码管位数多、硬件焊接繁琐、且显示的数据易混淆。方案一使硬件电路简单、数据显示清晰、不易混淆,因此采用方案一,用1602液晶屏显示。33方案选择由前面的方案论证得知,设计本系统有两种方案,一种方案是采用集成电路与分立元件相结合的方案,另一种是全部采用集成芯片的方案。为尽可能的降低噪声影响,减小非线性失真,以及考虑到外围元器件过多会给系统引入噪声等干扰因素造成不利影响,本设计采用方案二全部采用集成运放芯片搭建电路。为满足题目规定的指标要求,减小非线性失真,提高电路的高频和低频特性,我们决定在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532,在正弦波一方波转换电路中采用集成运放LF357,在功率放大级中采用运放LM1875。第四章单元模块设计41各单元模块功能介绍及电路设计411波形变换电路设计电路如图411所示,我们直接采用施密特触发器进行波形变换与整形,选用高精度、高速运算放大器LF357构成施密特触发器。根据题目要求,变换后的方波要正、负对称,频率为1000HZ,上升和下降时间1US,电压的峰峰值为200MV。因为LF357属于FET管,具有良好的匹配性能,输入阻抗高、低噪声、漂移小、频带宽、响应快等特点,完全可以满足技术指标要求。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE30NOV2009SHEETOFFILEFPROTEI199业业业业业业业业DDBDRAWNBYLF357R110KR210KR375KR415KR510KD1D2C156PFC2100PFRW56KVCCVCCUIUOUO1UO0VZ3V图411波形变换电路412弱信号前置放大级电路前置级的任务是完成小信号的电压放大,其失真度和噪声对系统的影响最大,故采用了低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532,均采用电压并联负反馈电路,因为电压并联负反馈具有很好的抗共模干扰能力,且具有改善波形失真的作用。且NE5532的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能,较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真输出,使电路的整体指标大大提高。放大后的信号失真度和噪声都很小。前置放大级电路的主要功能是将5MV700MV输入信号不失真地放大到功率放大级所需要的输入信号。因此,需要解决的问题是本级225倍的电压放大倍数和带宽BW50HZ10KHZ的矛盾。对此可以采用二级放大电路,因为放大器的增益带宽积是一个常数,增益减小,带宽就可以提高。同时我们在第二级中用电位器(47K)引入增益调节环节,使本级的总增益在一定范围内持续可调。增益调节可用电位器手动调节,也可采用自动增益控制,但考虑到题目中的“实用”两字,本装置采用手动增益调节。根据以上思路,设计的前置放大级电路如下图412所示。图412前置放大级电路第一级前置级增益为AU1R2/R1150/1015(约为24DB)第二级前置级增益为AU1R5/R4150/1015(约为24DB)考虑到输入信号的变化范围很大(5700MV),在第一级用RP1(100K)做分压器来实现各级增益可调,达到可连续改变整个系统的增益的目的。为了稳定功率放大级的工作点,前置级和功放级之间采用钽电容耦合。413功率放大级电路功率放大电路如图413所示,本级电路实现对电压和电流信号的放大。放大信号的过程就是电路按照输入信号的变化规律,将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程,其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值。在上述方案论证中,我们选择了集成运放。我们熟悉的集成运放有TDA2040、LM1875、TDA1514等,其中TDA2040A功率裕量不大,TDA1514外围电路较为复杂,且易自激。这两种功放的低频性能都欠佳,LM1875外围电路简单。电路成熟,低频特性好,保护功能安全。它的不足之处是高频特性较差(BW70KHZ),但对于本设计的要求的50HZ10KHZ已足够,因此选择LM1875做功放。它是一款功率放大集成块,形如一只中功率管,体积小巧,在使用中外围电路简单,且输出功率较大。该集成功放内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。由于在本电路中选用了集成功放LM1875,它在应用中外围元器件少,调试简单,便于扩功,使得功率放大级电路简洁,实用,输出功率大,非线性失真小。414自制稳压电源电路直流稳压电源部分则为整个功放电路提供能量,根据以上设计的前置放大级电路和功率放大级电路的要求,仅需要稳压电源输出的一种直流电压即18V。因三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点,本设计中采用三端稳压电路,电源经1000UF电解并并上01UF电容依次滤掉各种频率干扰后输出,输出电压直流性能好,实测其纹波电压很小。电路如图414所示。图413功率放大电路图图414稳压电源电路图42电路参数的计算及元器件的选择421增益分配由于系统要求输出额定功率不小于10W,同时,输出负载为8,则UOMAX895VRPO810故UOPPUOMAX126V2系统的最大增益为AUMAX20LG895000565DB系统的最小增益为AUMIN20LG(89507)22DB则需整个放大电路的增益应在22DB65DB范围内可调为保证放大器性能,单级放大器的增益不宜过高,通常在2040DB放大倍数10100倍之间故整个放大器增益需通过三级放大实现。为方便增益调整,可使功放级的增益固定,且必须小于65DB,故其增益取为21DB则前置级需要两级放大,且其总增益应在145DB之间可调。422前置放大器的参数设计由于从信号源输出的小信号非常微弱,只有经过放大之后,这种信号才能激励功率放大器,且由上述分析可知前置放大级由两级组成。故在前置放大级中采用低噪声、高保真度的双通道专用音响前置集成放大器NE5532。第一级前置级增益为AU1R2/R1150/1015(约为24DB)第二级前置级增益为AU1R5/R4150/1015(约为24DB)前置放大两级之间采用阻容耦合(10F电解电容),起到了滤直流的作用。为了满足输入信号的幅度在5MV700MV的范围内,功率输出级的输出功率的额定功率10W的要求,在前置放大级的第二级的输入端采用电位器RP1(100K)对大信号进行衰减。同时也起到了可实现增益调节的作用。为了稳定功率放大级的工作点,前置级和功放级之间采用钽电容耦合。423中间放大级的参数设计中间放大电路的放大倍数设为30为了使整个电路的性能优越,采用了2级放大。第一级为有源负载差分放大电路,提高电压放大倍数。第二级采用共射击放大电路。在中间放大级的前面,我们还加了一个带通滤波,以提高整个放大器的性能。424功率放大级的参数设计在上述分析过程中,功放级的增益设为固定值21DB。因此在以LM1875为核心元件的电路中,R15取20K,R14取2K。使得功放级的放大倍数为AU1R15R1411因此功放级的增益为20LG1121DB。考虑到前置放大第二级中如果RP1不是处在最大的衰减位置,而输入信号又比较大,则这时功率放大级的输出功率会远大于额定功率,很有可能烧坏功率放大器。因此前置放大第二级的输出端接47K电位器实现对输入功放信号的衰减,以此来保护功放电路。LM1875功放电路的特点开环增益可达90DB。极低的失真,1KHZ,20W时失真仅为0015。AC和DC短路保护电路。超温保护电路。峰值电流高达4A。极宽的工作电压范围(1660V)。内置输出保护二极管。外接元件非常少,TO220封装。输出功率大,PO20WRL4。425电源电路的参数设计稳压电源电路采用三端集成稳压器,由于电源电路需给前置放大级、功率放大级、波形转换电路供电,且各个集成运放芯片的工作电压均为18V。因此选用W7818、W7819三端集成稳压器输出正、负18V电压。电源变压器的参数分析如下考虑到稳压器两端会产生3到55V的压降,同时取二极管桥式整流器的系数为12,则变压器副边的电压(2412)20V,取为21V。由于W78系列的最大输出电流为15A,因此电源消耗的功率应至少为21V15A315W。由于通常电源变压器的功率要大于电源消耗的直流功率,且考虑到整个系统的耗能和为留有裕量,电源变压器的功率选择为40W。由以上分析计算,可选用一个功率为40W,输入为二路21V的电源变压器。电源电路中整流二极管、电容的参数电路中采用了5A50V2CZBE硅整流管全桥,电源经1000UF电解并并上01UF电容依次滤掉各种频率干扰后输出,输出电压直流性能好,实测其纹波电压仅为很小。426波形变换电路的参数设计波形转换器电路的功能一是要将信号源输的1000HZ正弦波变为正负极性对称的方波,且VPP200MV;二是方波信号要经过放大通道进行放大,使输出达到额定功率10W。此外,还要满足方波波形成参数的要求。首先从方波的波形参数考虑,选用高精度、高速运算放大器LF357构成施密特触发器。根据题目要求,变换后的方波要正、负对称,频率为1000HZ,上升和下降时间1US。LF357的反相端接经前置级第一级放大后的正弦波信号,反相端接反馈网络,运放的输出为正负对称的方波。再经R12(56K)、RP2(33K)电阻分压后的输出信号的峰峰值为200MV。再将方波信号接入前置放大第二级,方波信号经过放大通道进行放大,使输出功率达到10W以上。427测量部分测量部分采用A/D转换电路来采集负载上的电流和电压,然后将数据送单片机进行分析和处理,将结果送液晶显示。单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。428显示部分显示部分采用液晶1602,只要编写简单程序便可将数据显示出来。见图33443系统软件设计系统的软件设计主要用来实现测量并显示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功能。采用C语言编写,对单片机编程实现数据的采集和分析整理,进行显示控制。431测量显示模块软件设计流程图测量显示模块软件设计流程图如图431所示开始显示初始化ADC0832显示图431测量显示模块主程序流程图开始计算结果写指令写数据结束图432显示模块流程图开始使能芯片产生时钟信号输入通道控制字读取数据II1000结束将最大值送变量图432ADC0832流程图44特殊器件的介绍本电路设计简洁、实用,各模块单元均选用集成运放电路。在前置放大级电路中采用集成双运放NE5532,在正弦波一方波转换电路中采用集成运放LF357,在功率放大级中采用运放LM1875。如此设计使得电路外围结构简单,体积小巧精致,且较好的结合了各运放的优良性能,使电路能满足各项指标。现介绍各芯片参数如下NE5532的极限参数参数符号NE5532单位电源电压VCC22V差分输入电压VDIF13V输入电压VI提供电压V功耗,TA25PD1100MW工作温度TOPR070LM1875的参数电压范围单电压1560V,或30V静态电流50MA输出功率30W谐波失真0015,当F1KHZ,RL8,P020W时额定增益26DB,当F1KHZ时工作电压25V转换速率18V/S9V/SLF357的通用参数与MOSFET输入设备相比,耐用的JFET允许无熔断处理;高或低的源阻抗低1/转折,优良的低噪声应用;在大多数单片放大器上,偏置调整不可降解漂移或共模抑制;新输出电路级允许大电容负载5000PF的使用,无稳定性的问题;内部补偿和大的差分输入电压能力;对数放大器;光电放大器;采祥保持电路共同特点;低输入偏置电流30PA;低输入失调电流3PA;高输入阻抗1012;低输入噪声电流001PA/HZ;高共模抑制比100DB;大的DC电压增益106DB第五章系统调试在进行方案论证时,我们先对各模块单元电路用MULTISIM软件进行了仿真测试,在仿真数据结果符合题目要求后,我们确定了电路的具体设计,并进一步对整个系统进行了仿真测试,数据表明该系统能满足各项指标。功率放大电路的安装方法是,将整机分模块装成3个电路板,即前置放大电路和波形转换电路板、功率放大电路板和稳压电源电路板。各个电路板之间采用排线进行连接。功率放大电路的电路调试方法是,先调整各个电路板的静态工作点和性能参数,再逐级的级联,进行整机联调。即整个系统在调试时,先分部分调试首先是电源的调试,其次是前置放大级和波形转换电路的调试,然后是功率级本身的调试,最后将整个电路连接起来调试。51调试前的直观的检查(1)检查连线是否正确,检查电源输出值是否符合实验标准;(2)检查元器件的安装情况元器件的管脚之间有没有短路,连接处有没有接触不良,集成电路NE5532的管脚是否接对及集成块的缺口是否与底座对位。52稳压电源的调试电源电压输出值稳定,其正电压输出为18V,负电压输出为183V。虽然运放所加正负电压不对称时可能会引起直流偏移,即在输入信号为0时,输出信号并不为0,但考虑到NE5532的低噪声性能和LM1875在8负载上,20W输出时总谐波失真为0015的特点,对正负电压输出微小的不对称不再做调整。53前置放大电路和波形转换电路的调试在此我们对前置放大电路的两级分开调试。调整直流电源输出为18V,插上运放NE5532芯片,接通直流电源,输入正弦信号(VPP200MV)时前置第一级的输出信号VPP298V且无直流分量,可计算知第一级的实测增益约为24DB,与理论计算值相符合。在此基础上我们测得前置第二级的输出信号VPPMAX445V(无直流分量),可计算知前置两级放大的总增益约为47DB,与理论计算值相符合。调节电位器RP1,前置放大的输出信号幅值也随之改变。经上述测试可知,前置两级放大电路性能均很好,能满足将弱信号放大至功率放大级所需输入信号幅值的要求。将经前置放大第一级放大后的信号接入波形转换电路的输入端,在转换电路的输出端可测的输出方波的波形。观察波形可知产生的方波正、负极性对称、上升和下降时间1S、电压峰峰值为200MV。则可知,本波形转换电路性能良好,能产生符合题目要求的方波。54放大倍数的测试放大倍数测量使用信号发生器接入输入端,将示波器的两个探头分别接输入和输出端。测试数据如表541。表541放大倍数的测定输入信号前置放大级输出功率放大级输出6MV73V12177MV8V114210MV112V112020MV23V1150测试结果分析测试结果跟计算值相差不大,满足输出大于或等于5W的要求。55输入电阻的测试测试方法给系统输入端加不同的直流电压,分别测输入电流,按计RIIUO算输出电阻。测试数据如表551。表551输入电阻的测定输入直流电压输入直流电流输入电阻5V8MA6259V14MA64312V198MA606测试结果分析实际测量值和理论有一定差距,这可能是由于电阻的值有一定,这是不可避免的。从测试结果分析,满足输入电阻为600的要求。56功放级的调试本功放板调试特别简单,电路板焊好电子元件后,要仔细检查电路板有无焊错的地方,特别要注意有极性的电子零件,如电解电容,一旦焊反即有烧毁元器件之险。将功放级的输入交流接地,输出不带负载,加上稳压电源18V,无异常现象发生。用函数信号发生器给功放级加入较大的正弦信号1KHZ,在接入负载(RL8)的条件下,在负载端可测得功放级的输出电压为118V,则PO81281740W10W。可知该功放达到了设计目的。将输入信号频率从1KHZ由小变大调到50KHZ,均未出现自激振荡和波形畸变,证明功放性能良好。57减小失真由于采用OCL电路,首先要保证正、负两边放大电路直流偏置的对称。为了减少交越失真,应把T1T4管子的静态工作点适当提高,并且使两组对管完全对称,解决方法一是调节RW4、RW5,使输出点的静态电位尽量接近零。二是采用具有负温度系数的二极管D1、D21N4148,同时电阻R20,R9,R10构成型连接,R20采用负温度系数电阻,来补偿由于温度升高引起的输出管值增加。运放LF3657,C8,R27构成模拟积分器。将功放管输出的交流成分滤除。将直流成分反馈到U3(NE5534A)的输入端组成直流负反馈。目的是减小由于无输出电容结构带来的输出直流成分。电阻R28,C9组成一阶积分单元,功能有三进一步滤除输出端的直流成分,防止在功放开关机瞬间或外界干扰在输出端产生的浪涌电流,损坏积分器及功放前置级;阻抗匹配,R27阻值较大,直接连接到电路输出端,由于阻抗不匹配。而产生输出波形失真。加入R28,C9匹配输出端阻抗。58系统的总调试经上述分单元模块电路分别调试好,我们将各模块连接起来,进行系统整体的调试。在调试过程中,我们发现了几个问题,现陈述如下系统电路连接好后,我们接入1KHZ的正弦信号,但意外的是功放级的LM1875外接的220F的电解电容炸开。初步分析得该电容的反向耐压参数未能满足电路的设计。故将该处电解电容的反向耐压值由16V增大至25V,重新购买电容接入电路,给电路加上信号时,电路仍然不能正常工作。重新检查了电路板的连接,终于发现故障源是该处电容的极性接反了,修改连接后,电路可以正常工作。解决了第一个问题后,我们发现,电路开始正常工作,但在较短时间内就出现了功放级中LM1875芯片的散热片异常发烫,时间较长后电路自动断开该芯片内具有短路保护、过热保护、限流保护等功能,工作安全可靠。例如,芯片温度达到170,过热保护即开始工作,当温度降至145则重新进入正常工作。但如果温度再度升高时,在达到150而不是最初开始的170过热保护便开始启动。,这说明该散热片未能起到较好的散热作用,导致芯片温度过高启动了过热保护。对此我们数次更换了散热片但均未达到预期的效果。这使得我们重新从电路结构入手,并广泛查找资料。最终寻找到了原因功放级电路中LM1875的正负输入端直流偏置电路不平衡是故障的根源。分析电路原理图LM1875同相输入端脚通过100K电阻接地,反相输入端端通过R14(1K)和电容C1(47F)串联接地(保持输出中点零电位),则易知运放的正、负输入端阻抗不平衡。如此人为地将偏置电路设置地不平衡,势必降低放大器的共模抑制比,对音质透明度和信噪比都将产生恶劣影响,对稳定输出中点零电位也是极为不利的。根据以上想法,我们将原设计中LM1875同相输入端外接的100K的电阻更换为2K的电阻,使得LM1875正、负输入端阻抗近似平衡。重新加上激励信号后,LM1875芯片的散热片不再发烫,处于正常散热的状况,长时间接通电路后电路仍能正常工作。整机调试时,需用示波器逐级检查在输入方波信号情况下的输出波形。若有波形失真,则通过判断其是否为高频失真表现为有过冲量,还是低频失真表现为上升沿和下降沿变斜或出现圆角来改变电路中相应的阻、容元件参数,使之最终达到指标要求。第六章系统功能、指标参数在万用板上焊接好电路,并进行实际的测试,现将测试结果整理如下按题目规定,要求测试以下部分61基本要求部分条件在放大通道的正弦信号输入电压为5700MV,等效负载电阻8。1)额定功率、带宽、非线性失真系数的测试测试仪器F40型数字合成函数信号发生器、数字示波器测试方法1额定输出功率的测定在输出端跨接负载电阻RL8,输入1KHZ正弦波将输出端波形激励到削波点,用示波器测出此时输出波形的峰峰值电压,再按以下公式计算PORRL。2PU用数字存储示波器实测,可得输出峰峰值电压为VPP,带入公式有PORRL22带宽的测定输入信号幅值不变,当输入信号频率变换时,用示波器测功放输出信号幅值变化,下限频率FL和上限频率FH对应的幅值为0707中频带幅值。带宽BWFHFL。3非线性失真系数的测定采用失真度测量仪测量,在输入信号频率为1KHZ,输出波形幅值接近削波点(36VPP)时,即在BW和POR下,可以测得输出波形失真度。2)交流声功率的测量测试方法用示波器测在8负载输入端短路接到地时的0214示波器波形,测得其峰峰值电压为117MVPP,则P交流声RL0214MW10MW2PU3)在额定输出功率下的效率测试方法在POR时,用万用表测功放电源正电压为UOV,断开功放电源,串入万用表,测得通过电流值为IOMA,则输入功率为PIRUOIO310因此在POR下的功率为PIRPOR5562发挥部分1正弦波方波转换电路的测量测试方法测方波的上升沿中点处到顶部10和90所经历的时间为上升时间T1,而下降时间T2则为方波的下降沿中点处到底部10和90所经历的时间。测试结果上升时间T106S下降时间T207S方波的峰峰值电压为200MVPP。2用方波信号激励放大通道时,在RL8条件下,可测得最大输出波形峰峰值电压为VPP。则额定输出功率为PORRLW。2在POR条件下,对系统的输出波形测定,结果如下上升时间T1S下降时间T2S顶部斜降36波形过冲量3663要求指标与实测指标对比见表63项目测试对象题目要求指标实测指标正弦波输入额定输出功率(PORW)10带宽(BWHZ)5010000非线性失真系数3POR下的效率55输出交流声功率(PMW)10转换后的方波信号波形上升时间(TRS)106S下降时间(TFS107S峰峰值电压(VPPMV)200200MVPP方波输入激励放大通道后输出波形输出功率(PORW)10上升时间(TRS)12下降时间(TFS)12顶部斜降2过冲量5表6364测试结果分析整个系统在调试时,分部分调试首先是电源的调试,其次是前置放大级和转换电路的调试,然后是功率级本身的调试,最后将整个电路连接起来调试1额定功率POR输入1KHZ正弦波,用示波器测到此时输出波形电压有效值为U127V,则PORU2/RL1272/10161W2带宽BW输入信号幅值不变,改变频率,用示波器测输出幅值,下限频率F上限频率FH对应的幅值为0707U20013X频幅值测得带宽为10HZ90KHZ3在POR下的效率断开正电源,串入万用表,在POR下,测得电压为2028V电流为652MA,则电源输入功率为PIN2028065222645W效率为POR/PIN161/26456094交流声功率输入端短路时,用晶体管毫伏计测输出端交流电压有效值为138MV,则P1381032/101904106W1904W5在POR和BW内失真度采用失真度测试仪,在输入信号为1KHZ时,测得波形的失真度为056方波转换速率输入信号为1KHZ,峰2峰值为200MV时,用示波器测得上升时间TR和下降时间TF分别为095S和09S7用方波激励放大通道时,测输出方波TR和TF分别为44S和39S,顶部斜降为004/151026测试结果见表下表表测试结果与要求指标对比项目要求指标实测指标输出功率POR/W10161带寬/HZ50101031090103失真系数/318效率/55609上升时间TR/S118下降时间TF/S117产生方波UPP/MV200200方波输出功率POR/W10228顶部斜降/2026表64由测量的数据可以知道实测参数并没与计算的参数或仿真参数完全一致,原因可能是由于各个元器件并非是理想的,如电阻的实际值与标称值不尽相同;各计算公式为近似的公式;测量仪器仪表的读数误差等等。由表1可见,本电路具有很好的高频响应特性(FHKHZ),这就保证了很短的上升时间(TRS);而低频下限频率延伸到很低(FLHZ),又保证了很小的平顶斜降。从测试结果来看,在输出额定功率的条件下,本电路在其通频带HZKHZ内的失真度为3,尤其在50HZ10KHZ之间时具有非常平坦的幅频特性,这主要得益于整个电路简洁、实用的设计。其中前置放大级和功放级内部均为直接耦合,前置放大级和功率放大级之间采用钽电容耦合。功率放大级采用负反馈集成运放电路,使得系统的非线性失真和不稳定度大为减小。同时我们认识到,系统中有些地方可以做的更完善比如进一步提高功放的效率;为降低电源、整流管对信道的干扰,可以将整流管稳压管屏蔽起来;对于双通道功放NE5532,因为左,右通道之间存在串抗,最佳方案是分别用两套方案。第七章设计总结71对设计的小结本设计特点1将前置级分为两级放大,输入波形转换电路的为经一级放大过的正弦信号,更有利于产生正负极性对称的方波。2各单元模块电路均采用以集成运放为核心的电路,外围元器件少,电路简单,容易调试。系统整体体积小巧精悍且性能稳定。3信号输入前置放大部分,最容易感受到噪声干扰。因此,我们把正弦波一方波转换电路采用一点接地焊接,信号输入输出线均采用尽量短的屏蔽线。这样我们就有效的提高了放大器的抗干扰能力,使其达到系统指标要求。4整个系统既存在大信号(功放级),也存在小信号(前置级),所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线,会产生一个压降。这样就会对前置级产生干扰。因此要采取单点接地的抗干扰的措施,即前置级单独用一个地,功放级单独用一个地,最后两地单点接到变压器的公共地上。5电路中前置放大级和功放级之间的耦合电容采用钽电容,使系统性能增加。6制作功放的整体效果与焊接、布线关系密切,为防止噪声干扰,减少失真,机内各电路板装配非常讲究,本功率放大器电源部分和前置部分分
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- Windows Server 2022活动目录管理实践( 第2版 微课版)-课件项目11 管理将计算机加入域的权限
- 2023-2024学年湖北省随州市广水市余店中学八年级(上)月考数学试卷(10月份)
- 鲁教版八年级数学上册第一章因式分解3第三课时综合应用各种方法分解因式课件
- 【核心素养】部编版小学语文一年级上册语文园地二主题阅读(含答案)
- 四川省宜宾市兴文县共乐初级中学校2024-2025学年上学期七年级10月考试数学试题(无答案)
- 八年级生物期中模拟卷(全解全析)(江西专用)
- 猫教学设计课件
- 湘教版科学三年级上册全册教案
- 地理节地形和地势新
- 大班扑克王教案课件
- 第22课《梦回繁华》一等奖创新教学设计 部编版语文八年级上册
- 7以内的加减法练习题一(100题)
- 老城历史核心片区控制性详细规划
- 水泥混凝土地面工程施工组织设计方案
- 十五章昆虫的循环系统
- NB/T 10717-2021矿山压力监测系统通用技术条件
- GB/T 35686-2017火炸药危险环境用电气设备及安装
- GB/T 10454-2000集装袋
- FZ/T 73020-2019针织休闲服装
- 交工技术文件编制规定
- 沙盘游戏心理治疗培训课件
评论
0/150
提交评论