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毕业设计

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大功率脉冲发生器,毕业设计

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河南科技学院 本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表 学生姓名 乔凤杰 班级 电气 064 班 指导教师 陈艳锋 论文（设计）题目 大功率脉冲发生器 目前已完成任务 1. 单片函数发生器选择 ； 2. 功率放大电路采用甲乙类多级放大 ； 3. 功率大小调节和显示电路 ； 4. 已完成部分论文撰写 是否符合任务书要求进度：符合要求 尚需完成的任务 1. 电路图的改进与完善 ； 2. 甲乙类功率放大的前级差分输入级 ； 3. 单片机控制功率显示电路 ； 4. 论文的整理 ； 能否按期完成论文（设计）：能 存在问题和解决办法 存 在 问 题 1. 硬件电路 抗干扰设计考虑不足，需进行改进 ； 2. 功率放大电路的供电电源问题及其他模块的电源 ； 拟 采 取 的 办 法 1.查找资料关注大功率方面的信息 ； 2.找指导老师，向老师详细请教不明白的地方 ； 3.平时对理论知识加深理解 ； 4.与 同学互相讨论，解决心中疑难 ； 5.统计优缺点进行优化电路 。 指导教师签 字 日期 年 月 日 教学院长（ 系 主任）意 见 负责人签字： 年 月 日 ntsAt the most basic level, a signal amplifier does exactly what you expect it makes a signal bigger! However, the way in which it is done vary with the design of the actual amplifier, the type of signal, and the reason why we want to enlarge the signal. We can illustrate this by considering the common example of a Hi-Fi audio system. In a typical modern Hi-Fi: system, the signals will come from a unit like a CD player, FM tuner, or a Tape/Minidisk unit. The signals they produce have typical levels of the order of 100 mV or so when the music is moderately loud. This is a reasonably large voltage, easy to detect with something like an oscilloscope or a voltmeter. However, the actual power levels of these signals are quite modest. Typically, these sources can only provide currents of a few milliamps, which by P=VI means powers of just a few milliwatts. A typical loudspeaker will require between a few Watts and perhaps over 100 Watts to produce loud sound. Hence we will require some from of Power Amplifier to boost the signal power level from the source and make it big enough to play the music. Many practical amplifier chain together a series of analog amplifier stages to obtain a high overall voltage gain. For example, a PA system might start with voltages of the order of 0.1 mV from microphones, and boost this to perhaps 10 to 100V to drive loudspeakers. This requires an overall voltage gain of 10, so a number of voltage gain stages will be required. In many cases we wish to amplify the current signal level as well as the voltage. The example we can consider here is the signal required to drive the loudspeakers in a Hi-Fi system. These will tend to have a typical input impedance of the order of 8 Ohms. So to drive, say, 100 Watts into such a loudspeaker load we have to simultaneously provide a voltage of 28 Vrms and 3.5 Arms. Taking the example of a microphone as an initial source again a typical source impedance will be around 100 Ohms. Hence the microphone will provide just 1 nA when producing 0.1 mV. This means that to take this and drive 100 W into a loudspeaker the amplifier system must amplify the signal current by a factor of over 10 at the same time as boosting the voltage by a similar amount. This means that the overall power gain required is 10 i.e. 180 dB! This high overall power gain is one reason it is common to spread the amplifying function into separately boxed preand poweramplifiers. The signal levels inside power amplifiers are so much larger than these weak inputs that even the slightest leakage from the output back to the input may cause problems. By putting the highpower (high current) and low power sections in different boxes we can help protect the input signals from harm. In practice, many devices which require high currents and powers tend to work on the basis that it is the signal voltage which determines the level of response, and they then draw the current they need in order to work. For example, it is the convention with loudspeakers that the volume of the sound should be set by the voltage applied to the speaker. Despite this, most loudspeakers have an efficiency (the effectiveness with which electrical power is converted into acoustical power) which is highly frequency dependent. To a large extent this arises as a natural consequence of the physical properties of loudspeakers. We wont worry about the details here, but as ntsa result a loudspeakers input impedance usually varies in quite a complicated manner with the frequency. (Sometimes also with the input level.) This kind of behavior is quite common in electronic systems. It means that, in information trms, the signal pattern is determined by the way the voltage varies with time, and ideally the current required is then drawn. Although the above is based on a highpower example, a similar situation can arise when a senor is able to generate a voltage in response to an input stimulus but can only supply a very limited current. In these situations we require either a current amplifier or a buffer. These devices are quite similar, and in each case we are using some form of gain device and circuit to increase the signal current level. However, a current amplifier always tries to multiply the current by a set amount. Hence it is similar in action to a voltage amplifier which always tries to multiply the signal current by a set amount. The buffer differs from the current amplifier as it sets out to provide whatever current level is demanded from it in order to maintain the signal voltage told to assert. Hence it will have a higher current gain when connected to a more demanding load. The nature of electrical signals in electronic circuits readily enables the technology to be divided into classes.One of the classes is analog electronics; another is digital electronics.Both analog and digital electronics use similar electronic elements,but the manner of use is different , and the technologies appear to be quite distinct .For this reason we shall study them separately until we bring them together as they invariably unite in instrumentation and applications. Analog electronics pertains to those systems in which the electrical voltage and electrical current are analogous to physical quantities and vary continuously. Electronic circuits that reproduce music must have voltages and currents that are proportional to the sound. A high fidelity amplifying system attempts to keep the analogy as true as possible.Analog electronic circuits are carefully designed to make the electrical voltages and currents follow the input signal.If an input signal doubles in amplitude,the output voltage or current also should double;this is possible because the circuit elements are made to operate within limits that preserve the linearity. An electrical voltage that is proportional to temperature and changes smoothly as the temperature changes is an analog of temperature.If the temperature range is divided into small increments,then the temperature may be indicated by a digital display.As the temperature (voltage) changes smoothly,a decision must be made by an electronic system as to the numerical value to be displayed as the temperature.The circuit making the decision is called an analog-to-digital converter,ADC.The inverse process is accomplished by a digital-to-analog converter,DAC. Digital electronic circuits do not require the linearity of analog circuits.Digital circuits act as electronic switches and switch from one state to another.The output state,on or off, is the only signal condition to be examined.In digital circuits the output state is determined by the input signals in as direct a manner as the output voltage of an analog circuit is related to the input signal. In digital circuits the relation between input and output states are expressed as logic equations; the elements of digital electronics are called logic gates. Logic gates switch between states,on or off, very quickly so that they may operate at many megahertz in computers and other ntsapplications. As technical developments continue to provide new and amazing integrated circuits,as they have since the 1960s,both analog and digital systems will be more capable. The designers of electronic systems using integrated circuits will have unlimited possibilities for innovation. 一般情况下，信号放大器正如人们期望的一样工作 -将信号放大。然而，信号的放大方式随着实际放大器的设计、信号的类型以及放大信号目的的不同而变化。这一点可以通过一 个常见的高保真音响系统实例来加以说明。 在典型的现代高保真系统中，信号是来自于 CD播放器、调频收音机或磁带/小型磁盘机等设备。当音乐声大小适当时，这些设备产生信号的幅度大概在 100毫伏左右。这种信号幅度相当高，易于用示波器或电压表等仪器检测到。但是，这些信号的实际能量水平并不高。典型情况下，这些 信号源只能提供毫安级的电流。根据公式 P=VI，其功率只有几十毫瓦。典型的扬声器需要几十瓦到数百瓦的功率才能产生足够大的声音。因此，我们需要某些形式的功率放大器来提高来自信号源的信号功率，使其足以播放音乐。 许多实 际的放大器将多个放大器级联起来，以获得较高的电压增益。例如，一个功率放大系统的输入是来自于 麦克风的 0.1 毫伏的电压，将其放大到 10 伏到 100 伏才能推动扬声器。这就要求电压的总增益达到 10 的九次方，因此就需要 很多放大器级联起来。 在很多情况下，除了信号的电压外，我们还要放大信号的电流。这里我们考虑的例子是高保真系统中用来驱动扬声器的信号，其典型的输入电阻约为 8 欧姆。因此，要驱动 100 瓦 的扬声器负载，就要同时提供 28 伏的电压和 3.5 安的电流信号。仍以麦克风作为初始信号源为例，典型的源阻抗在 100欧左右。因此，麦克风在产生 0.1毫伏的信号时，提供的电流仅为 1纳安。这就表示要接受这种输入信号并去驱动 100瓦的扬声器，放大电路就必须将信号的电流和电压同时放大 10的九次方倍。这也就意味着总的功率增益为 10的 18次方，即 180分贝。 一般都将放大功能分散到单独设计的前级放大器和功率放大器中，其原因就在于功率增益很大。功率放大器中的信号幅度比微弱的输入信号大得多，即使输出的极微小的泄漏 传输到输入端，都会引发一些问题。通过将大功率（大电流）和小功率放大电路分置在不同的单元中，就可以避免输入信号受到干扰。 实际上，许多需要 大电流和大功率的设备往往都在特定的条件下工作，即由信号的电压决定响应的幅度，继而由设备吸收其所需要的电流而工作。例如，扬声器的音量通常是由所加电压控制。此外，大多数扬声器的效率（电能被转换为声能的效能）基本上与频率无关。在很大程度上，这是由扬声器的物理特性所产生的自然结果。 这里不必考虑具体的细节，但扬声器的输入阻抗随频率的不同而呈复杂的变化（有时也与输入信号的幅度有关）。 这种特点在电子系统中很常见。用信息术语来说就是信号类型取决于电压随nts时间变化的情况，且在理想情况下就能吸收所需的电流。尽管上述情况是基于大功率的例子，但当传感器在输入的激励下做出响应而产生一定的电压，却只能提供有限的电流时，类似的情况也会出现。这时我们就需要一个电流放大器或缓冲器。这些装置非常相似，在各种情况下都可采用一定 形式的增益装置或电路来提高信号电流的大小。不过，电流放大器总是设法对电流进行一定的放大。这与电压放大器的功能相似。缓冲器总是可以提供任何你所需要的电流，以便维持其标称电压保持不变。这就是它与 电流放大器的不同之处。因此，缓冲器在连接到要求比较高的负载时就具有较高的电流增益。 在电子电路中，电子信号的特征可以将工业技术分类而论。其中之一称为模拟电子，另一种称为数字电子。两者使用类似的电子器件，只是使用的方式不同并且制作工艺上也有很大的区别。基于以上原因，我们要对其分开研究。当在仪表使用和应用软件上它们总是不分伯仲时，我们这时才可以将其合二为一。 模拟电子是有关研究物理量的电子电压和电流是模拟的并且是持续变化的系统。产生音乐的电子电路必须有相对于声音成比例的电压和电流。高精度放大系统使信号尽可能 的不失真。细心设计的电子电路可以使得电子电压和电流跟随输入信号。如果输入信号幅度双重，那么输出电压和电流也应该是双重的；这种情况是可能的，因为电路器件是会在设限的情况下运行，以保证线性。 电压对于周围温度而言是成比例的，并且会随着温度的模拟变化而平缓的改变。然而，如果我们将温度范围划分成小的增量，每一小的增量又由数字组合，那么这时温度就可以用数字来显示出来。当温度缓慢变化时，电子系统就必须对利用数字量来显示温度的数字量的值做出决定。产生这种效果的电路就是模数转换器 ADC。则其相反过程的器件称为数模转换器 DAC。 数字电路不像模拟电子那样要求电路线性。数字电路扮演者电子转换和一种状态到另一种状态的角色。输出状态只有打开和关断，而这也是唯一检查信号状态的方式。在数字电路中，输出状态直接由输入信号来决定，这同模拟电路中输出电压受输入信号决定是一个道理。在数字电路中，输出状态和输入状态的关系通过逻辑方程式来表达；数字电路的电子器件称为逻辑门。不同状态的逻辑门开关，打开还是关断，非常迅速，这样可以在电脑和其他设备的多种频率中操作。 正如科技的发展持续给我们提供新的和不可思议的集成电路，这在 19 世纪60 年代以来就有 了。这样有益于模电和数电系统更加实用。利用集成线路的电子系统设计师们将在创新的道路上无所限制。 nts 河南科技学院 2010 届本科毕业论文（设计） 论文题目： 大功率脉冲发生器 学生姓名： 乔凤杰 所在院系： 机电学院 所学专业： 电气工程及其自动化 导师姓名： 陈艳 锋 完成时间： 2010年 5 月 22日 nts 摘 要 传统的金属热处理将金属器件放到一定的介质中 加热到适宜的温度。热处理不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微结构，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。而本设计是在此基础上，利用电功率 脉冲 来加速其内部显微结构的变化，达到快速热处理 的目的。 实施方法就是通过 函数发生器产生波形，将信号 波送入功率放大器中进行放大，产生大功率脉冲，利用大功率 脉冲 对金属内部显微结构进行作用 。 在对输出波形的频率显示上，采用 89C51 为核心，通过译码器和移位寄存器同单片机的相互连接，最后经数码管显示。 关键词 ： ICL8038，单片机， 功率放大器 ，译码器，移位寄存器 nts Powerpulser Abstract Traditional metal treatment of metal device will be heated in the medium to the appropriate temperature.And the design is based on this, then use the electrical energy to get a auxiliary heating.The manner of execution is it will generate a wave through the function generator,send the signal wave into power amplifier where the wave will be gotten power amplification.Then the high power pulse can be generated to heat metal.When talking about the display frequency of output waveform,we use 89C51 of MCU as the core,get the connection among the decoder,shift register and MCU and display the frenquency through the digitron. Key words： ICL8038,MCU,power amplifier,decoder,shift register nts 目 录 1 绪论 . 1 1.1 设计意义 . 1 1.2 设计中需要重点解决的问题 . 2 2 设计分析与方案的确定 . 2 2.1 设计方案 . 2 2.2 方案对比及确定 . 2 3 主要电路部分介绍 . 3 3.1 单片函数发生 器 ICL8038 . 3 3.1.1 ICL8038 简介及管脚分布 . 3 3.1.2 ICL8038 典型应用电路 . 4 3.2 功率放大 电路 . 5 3.2.1功放电路介绍 . 5 3.2.2功放电路方案比较及确定 . 5 3.2.3甲乙类互补对称功率放大 . 6 4 波形频率显示及数字频率计 . 8 4.1 频率计简介 . 8 4.2 测频设计原理 . 8 4.3 所用芯片介绍 . 8 4.3.1 89C51芯片介绍 . 8 4.3.2 74LS164 . 10 4.3.3 74LS145 . 11 4.4 频率计电路 . 12 4.4.1 单片机与 74芯片连接方法 . 12 4.4.2 显示译码单元 . 12 4.4.3 数字显示单元 . 12 4.4.4 硬件设计 . 13 4.4.5 软件设计 . 13 4.5测量结果及误差分析 . 14 4.5.1 测量结果 . 14 4.5.2 误差分析 . 14 5 电源模块 . 15 5.1 整流滤波电路 . 15 5.2 78系列三端稳压器 . 15 5.3 供电电源电路 . 15 6结束语 . 16 致谢 . 17 参考文献 . 18 附图： . 19 nts 1 1 绪论 1.1 设计意义 金属热处理是制造机械中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的细小结构，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以，它是机械制造中的 特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。 金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金 属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。热处理可以大 幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能。 加热温度是热处理工艺的重要参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理目的不同而异，但一般都是加热到某特性转变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属表面达到要求的加热温 度时，还须在此温度保持一段时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全。 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在商代，就已经有了经过再结晶退火的金箔饰物。公元前 770前 222 年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而 发生 变化。 公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。 随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火 质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制 3000 把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的 (公元前 206公元 24)中山靖王墓中的宝剑 ,心部含碳量为 0.15 0.4%，而表面含碳量却达 0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。 1863 年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转 变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。 nts 2 1850 1880 年，对于应用各种气体 (诸如氢气、煤气、一氧化碳等 )进行保护加热曾有一系列专利。 1889 1890 年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。 二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使其得到更大发展。一个显著的进展是 1901 1925 年，在工业生产中 应用转筒炉进行气体渗碳 ； 30 年代出现露点电位差计 ,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60 年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、 电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。 本设计主要是对金属在采用传统的热处 理基础上，利用脉冲 辅助加速其内部显微组织的改变。传统的金属热处理主要是进行物理方面的热处理，即将金属器件直接放到加热炉中通过高温来改变金属器件的内部显微结构 。而本次设计是在传统热处理 的 基础上利用电气方面产生的大功率脉冲作为辅助热处理设备，也就是通过产生大的功率脉冲加至金属器件上进行电气热处理 。 1.2 设计中需要重点解决的问题 本设计应当着重解决的问题有：（ 1）怎样能输出不失真的函数波形（ 2）如何将函数波形进行一次放大后接至功率放大电路（ 3）函数发生器频率和波形显示问题（ 4）如何提高功率值的问题 2 设计分析与方案的确定 2.1 设计方案 方案一，电流法。采用集成函数发生器 ICL8038 产生正弦波、三角波和方波，且输出频率从 20-50HZ任意可调；然后将输出接至功率放大电路进行 功率放大，产生大功率，最后将金属器件接入电路形成闭合回路，达到改变金属器件内部显微结构 的目的。 方案二，电压法。采用集成函数发生器 ICL8038 产生正弦波、三角波和方波，且输出频率从 20-50HZ任意可调；然后将输出接至功率放大电路进行功率放大，产生大功率，然后引出两根线分别接 至两块金属板，将金属器件放在两块金属板之间，利用电场对金属器件内部显微结构进行改变 。 2.2 方案对比及确定 由于金属器件是良导体，其电阻阻值很小。 在采用电流方案时，在由功率放大直接接至金属导体时， 会产生很大的电流， 继而会产生很大的功率 。这样的功率是很大的，一般的功放达不到这种功率。但是如果采用甲乙类功率放大，可以用多次放大来提升功率。而如果产用电压方案时，可以避免产生大电流，直接将引线与两块隔开的金属板接触，将金属器件放在两nts 3 板之间，利 用电场作用来改变金属器件内部结构 。本设计采用第一种方案即电流方案。总体设计框图如图 1 所示。 图 1 总体结构框图 3 主要电路部分介绍 3.1 单片函数发生器 ICL8038 3.1.1 ICL8038 简介及管脚 分布 ICL8038是可同时输出三角波、方波和正弦波的单片集成压控波形发生器， 内部方框图如图 2 所示。它由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器（缓冲 II）、一个三角波输出缓冲器（缓冲 I）和一个正弦波变换电路组成。 在 8038 中，开关 K1用内部触发器控制，用于切换电流，向定式电容 CT充电，此电流为恒流源。 Q RS触发器波形变换器K1CT比较器 1比较器 2I1I2V c c缓冲器方波输出三角波输出正弦波输出2 I1图 2 ICL8038 内部原理框图 在 K1为关时，恒流源 I1向电容注入电流 I1,电容电压随充电时间直线增加；当电容两端电压达到电源电压的 2/3 时，比较器 1 置 位触发器使 K1 变为开， 电容 CT上的电荷经恒流源 I2被恒值释放，此时电容上的电压直线下降，当达到电函数发生模块 功率放大模块 单片机控制 频率显 示模块 热处理金属器件 nts 4 源电压的 1/3 时 ，比较器 2 置位触发器使 K1 为关，电路又回到初态，反复进行上述动作就可以得到振幅为 1/3电源电压的三角波。同理，通过触发器翻转也可以得到方波。 ICL8038的管脚排列如下图图 3所示： 1234567 891011121314IC L8 03 8图 3 ICL芯片管脚排列 3.1.2 ICL8038 典型应用电路 图 4 为 ICL8038 的典型应用电路，该电路可产生 10HZ-100KHZ 可变频率的方波、三角波、正弦波三种标准的常用波形， 8038用外接的 RC网络 就可以实现频率的选择，频率与工作电源的电压无关，而决定于芯片管脚 8 的偏压及 R1、 R2和 CT的参数。下图中电阻 R1决定恒流电流 I1,电阻 R2决定恒流电流 I2。 R4R2R3R5R6R1V R 1V R 2V R 4V R 3V R 6V R 5V R 7C1C2输出C3S2C4C5S1C63C724613941228511101IC L 8 03 8L F 3 5 6+ 12 V-1 2 V3261 574至 T11K4 .7 K2 7K 0 .4 70 .0 4 7 0 .0 0 474 70 P F1 00 K1 0K 1 00 K1 0K 1 0K2 70 u f2 2K4 .7 K 4 .7 K1K0 .11 0K 2 70 U F图 4 ICL8038 应用电路 图中的各种电位器的作用说明如下： VR1 为输出波形最小频率设置电位器，VR2 为频率调节电位器， VR3 为输出波形最大频率设置电位器， VR4 为对称度调节电位器， VR5、 VR6 为正弦波的幅值调节电位器， VR7为输出波形的电平调节电位器； 8脚端与电源正极并接一只小电容 C6，用来消除电路产生的噪声，从 而保证输出波形质量。 S1 为频率范围调节转换开关，将电路输出的波形的频率分为四档， 以提高输出波形频率的精度。 S2为输出波形选择开关：接“ 1”为方波，接“ 2”为三角波，接“ 3”为正弦 波，通过 S1 可选择一种需要的波形送入高速nts 5 放大器 IC2(LF356)进行放大后输出。 3.2 功率放大电路 3.2.1 功放电路介绍 功率放大电路主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号下工作，只能用图解法进行分析，而不能用微变等效电路法。它所存在的问题有： 1） 要求输出功率尽可能大 为了获得大的功率输出 ，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。 2） 效率更高 由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高。 3） 非线性失真要小 功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使得输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。 4） 功率器件的散热问题 在功率放大电路中，有相当大的 功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热成为一个重要的问题。 3.2.2 功放电路方案比较及确定 功率放大电路根据放大器中三极管静态工作点设置的不同主要分为甲类放大、乙类放大和甲乙类放大。 方案 1 甲类放大：在电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件。甲类放大器的工作点设置在放大区的中间，处于线性放大状态。这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态，输出信号失真较小；缺点是三极管有较大的静态电流 Icq，静 态功耗较大，电路能量转换效率低，最高只能达到 50%。 方案 2 乙类放大：在电压放大电路中，输入信号在半个周期内有电流流过放大器件。乙类放大器的工作点设置在截止区，这时，由于三极管的静态电流 Icq=0，所以能量转换效率高；缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大，非线性失真大。 现在要想使得输出波形都能加到负载上，必须有乙类双电源互补对称功率放大电路，其图如图 5所示。两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输 入，从射极输出， Rl为负载。当信号处于正半周时， T2截止， T1承担放大任务；当信号处于负半周时， T1 截止，由 T2承担放大任务。但是，由于没有施加偏执电压，静态工作点设置在零点， Ubeq=0， Ibq=0， Icq=0，三极管工作在截止区。 由于三极管存在死区电压，当输入信号小于死区电压时，三极管 T1和 T2仍然不导nts 6 通，输出电压 Uo=0，这样在输入信号正、负半周的交界处，无输出信号，使输出波形失真，产生交越失真。 T1T2Rl+ V cc-V c c+_Vi+Vo_ilIc 1Ic 2图 5 乙类双电源互补对称功率放大电路 为了解决交越失真，可给三极管加适当的基极偏执电压，使之工作在甲乙类工作状态。 方案 3 甲乙类放大 :甲乙类放大电路的工作点设在放大区但是靠近截止区，即三 极管处于微导通状态，这样可以有效地克服乙类放大电路的失真问题；静态功耗较低，且能量转换效率较高。 下图图 6是 Q点对功率放大电路工作状态的影响： 图 6 Q点对功放影响 基于以上的比较选择，甲乙类功率放大比较合适。因为它可以有效克服乙类放大电路的失真问题，同时能量转换的效率也较高。 3.2.3 甲乙类互补对称功率放大 利用图 7所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。有图可见， T11组成前置放大级， T1和 T2、 T3和 T4、 T5和 T6、 T7和 T8等每一组组成互补输出级。静态时，在 D1、 D2 上产生的压降为 T1、 T2、 T3、 T4等提供了一个适当的偏压，nts 7 使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时 ic1=ic2， ic3=ic4， ic5=ic6，ic7=ic8 等， il=0， Vo=0。而有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使 Vi 很小（ D1、 D2的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。 + V c cR e 1 1R c 1 1R 1 3 R 1 5R 1 6 R 1 8 R 1 10R 2 4 R 2 10R 2 1R 1 1 R 1 7 R 1 9R 1 2 R 1 4R 2 2 R 2 6 R 2 8R 2 3 R 2 5 R 2 7 R 2 9T1 T3 T5 T7 T9T 11T2 T4 T 10T8T6D1D2RL+V0-V c cVi161K1K1K1K1K1K1K1K1K1K1K 1K 1K 1K 1K1K 1K 1K 1K 1K1 .1 K1 .1 K图 7 甲乙类功率放大 上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。而在图 8中， 为了更好的得到放大的功率放大，在前段装设了差动输入级电路，由两个完全对称的单管放大器组合而成。该差动电路因能有效地抑制输出端的零点漂移而成为功率放大电路的输入门户。从前级送来信号的输入插座找起，通过一个电容和电阻所连接的三极管就是差动输入级，相邻的同型号管子就是差动电路的另一半。 有的设计为了克服电源波动对电路的影响，会在差分放大器的发射极增加恒流源。有的在集电极增加镜流源，以保证差动两管静态电流的一致性。 R e 1 1R1R 1 1R 1 6 R 1 10R 2 6R 2 4R 1 8R 2 8R 2 2 R 2 10R 2 1 R 2 3 R 2 5R 1 4R 1 2R 1 9R 1 7R 1 5R 1 3R c 1 1R2T 12T 11T1 T3 T5 T7 T9T2 T4 T6 T8 T 10R 2 7RLR 2 9R5+V0-4 0 V+ 40 VViT 13R6CR8T 14R3 R4R9 R71K 1K1 .1 K6 806 801 .1 K1K1K1K1 0K1K1K 1K 1K 1K 1K1K1K1K1K1K 1K 1K 1K1K1K161K1K1K1K1K4 70 U F图 8 甲乙类功率放大 nts 8 输入 流入 T12的基极电流远小于流过 R1、 R2 的电流，则由图可求出 Vce12=Vbe12（ R1+R2） /R2,因此，利用 T12管的 Vbe12基本为一固定值（硅管约为 0.6-0.7V），只要适当调节 R1、 R2 的比值，就可以改变 T1、 T2、 T3、 T4等的偏压值。所以我们选择图 8电路做为功率放大电路。 4 波形频率显示及数字频率计 4.1 频率计简介 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有较广泛的应用。数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪 器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及 其他各种单位时间变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、 调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。 测量频率的方法有多种，其中电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。该频率计采用计数的方法，以单片机为核心控制，充分利用其软硬件资源，设计并制作了频率计的计数、显示部分。 4.2 测频设计原理 频率计设计原 理方框图如图 9所示。被测输入信号通过脉冲形成电路进行放 图 9 频率计原理方框图 大与整形（可由放大器和门电路组成），然后送到单片机入口，单片机计数脉冲的输入个数，计数结果经 LED数码管显示，从而得到被测信号频率。 4.3 所用芯片介绍 4.3.1 89C51 芯片介绍 89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器，它提供下列标准特征： 4K 字节的程序存储器， 128 字节的 RAM,32条 I/O线， 2个 16位定时器 /计数器，一个 5 中 断源两个优先级的中断结构，一个双工串行口，片上振荡器和时钟电路。 其芯片管脚排列如图 10所示，引脚说明如下： .Vcc：电源电压 .GND：接地 .P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向口 I/O 口，作为输出口用时，每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。当对 0 端口写入 1 时，可以作为高阻抗输入端使用。当 P0 口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可以设定成地址数据总脉冲形成电路 单片机 LED显示电路 nts 9 线复用的形式。在这种模式下， P0 口具有内部上拉电阻。在 EPROM 编程时， P0口接受指令字节，同时输出指令字节在程序校检时。程序校检时需要外接上拉电阻。 .P1口： P1是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O端口。 P1 的输出缓冲器可驱动 4个 TTL 输入。对端口写 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作为输入口。 P1 作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 P 0. 732X T A L 218X T A L 119GND20RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78V cc40P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633E A /V p p31A L E / P R O G30P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 021T X D11R S T9R X D10P 2. 223P 2. 12289C518 05 1图 10 单片机管脚排列 在对 FLASH ROM 编程和程序校检时， P1接收低 8位地址。 .P2口： P2口是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O端口。 P2的输出缓冲器可驱动 4个 TTL 输入。对端口写 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。 P2 作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器时， P2 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。 在对 FLASH ROM 编程和程序校检期间， P2也接收高位地址和一些控制信号。 .P3口： P3是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O端口。 P3的输出缓冲器可驱动 4个 TTL输入。对端口写 1时，通过内部的上 拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。 P3 作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 在 89C51中， P3口还用于一些复用功能。其复用功能如表 1所列。 .RST(9脚 )： RST是复位信号输入端，高电平有效。当次输入端保持两个机器周期（ 24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。 .ALE：当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低 8 位字节。当在 FLASH 编程时开可以作为编程脉冲数出。一般情况下， ALE是以晶振频率的 1/6 输出，可以用作外部时 钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部存储器时将跳过一个 ALE脉冲。 .PSEN：程序存储允许输出信号端。当由片外程序存储器取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效地 PSEN信号将不出现。 .EA/Vpp：外部程序存储器地址允许输入端。当 EA 引脚接高电平时， CPU只访问片内 FLASH ROM 并执行内部程序存储器中的指令；但当 PC的值超过 0FFFH时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号 EA引脚接低电平时，nts 10 CPU只访问片外 ROM 并执行片外程序存储器 中的指令，而不管是否有片内程序存储器。需要注意的是，如果保密位 LB1 被编程，则复位时在内部会锁存 EA 端的状态。 表 1 P3各端口引脚与复用功能表 端口引脚 复用功能 P3.0 RXD(串行输入口 ) P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0(外部中断 0) P3.3 INT1（外部中断 1） P3.4 T0（定时器 0的外部输入） P3.5 T1（定时器 1的外部输入） P3.6 WR(外部数据存储器写选通 ) P3.7 RD(外部数据存储器读选通 ) .XTAL2：接外部晶体和微调电容的一端 。 .XTAL1：接外部晶体和微调电容的另一端。 4.3.2 74LS164 74LS164 是 8 位移位寄存器（串行输入，并行输出），其主要电特性的典型值是 fm=36MHZ,Pn=80mW，电源电压 7V,输入电压 5.5V。当清除端（ MR）为低电平时，输出端（ Q0-Q7）均为低电平。串行数据输入端（ A,B）可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（ CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0为低电平。当 A、 B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK上升沿作用下决定 Q0的状态。其管 脚排列如下图图 11所示。 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 MR 同步清除输入端（低电平有效） A,B 串行数据输入端 Q0-Q7 输出端 A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713C L K8MR97 4 A L S 1 6 4图 11 74LS164芯片管脚排列 真值表如表 2所示 ： nts 11 表 2 真值表 Inputs Outputs MR CLK A B Q0 Q1 Q7 L X X X L L L H L X X Q10 Q20 Q70 H H H H Q1n Q7n H L X L Q1n Q7n H X L L Q1n Q7n 注： H 高电平 L 低电平 X 任意电平 低到高电平跳变 Q10-Q70 规定的稳态条件建立前的电平 Q1n-Q7n 时钟最近的 前的电平 4.3.3 74LS145 数字电路芯片 74LS145是 8421BCD码 十进制译码器，其输出 级是集电极开路的 4输入与非门，内部逻辑电路图和对应的功能表分别如图图 12 和表 3所示。 图 12 内部逻辑图 从逻辑图中，可知该译码器芯片是由 8 个反相器和 10 个集电极开路的 4 输入与非门组成。 74LS145 输出级 10个 OC门的每个高击穿输出晶体管可吸收高达80mA的电流，故可用来直接驱动 LED灯和继电器。 其管脚排列如图图 13所示。 管脚说明： P015P114P213P312Q01Q12Q23Q34Q45Q56Q67Q79Q810Q9117 4 L S 1 4 5图 13 74LS145芯片管脚排列 nts 12 P0,P1,P2,P3 BCD输入 Q0 Q9 输出 16管脚 Vcc 8管脚 GND 表 3 真值表 4.4 频率计电路 4.4.1 单片机与 74芯片连接方法 P1.0口与寄存器 74LS164的 A、 B端口连接，串行输出待显示的数据。 P1.1口接移位寄存器 74LS164 的 CLK，输出时钟信号。 P1.5、 P1.6、 P1.7 口分别与译码器 74LS145的 P0、 P1、 P2端口连接，输出位控制信号。 P3.5口 输入脉冲信号。XTAL1与 XTAL2管脚接两个 30pF的电容和 12MHZ的晶振构成时钟电路。 RST管脚接 1K， 10K电阻， 20 F 电容及复位开关构成开关复位电路。 4.4.2 显示译码单元 显示部分采用译码器 74LS145 与移位寄存器 74LS164。 4.4.3 数字显示单元 LED 显示电路采用动态显示方式。显示时将所有位的段选线相应的并联一起，由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。译码器 74LS145是位选部分，移位寄存器 74LS164 是段选部分。由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的。同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，六位的 LED 将显示相同的字符。要各位 LED 能够显示出与本位相应的显示字符，就须采用扫描显示方式。即在同一时刻，只让某一位nts 13 的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字型码，这样同一时刻，六位 LED 中只有选通的那一位显示出字符，而其他五位则是熄灭的。而在下一时刻，只让下一位 的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段选线上输出相应位将要显示字符的字符码。 这样循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于人眼有视觉残留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时亮的效果 。 4.4.4 硬件设计 电路原理图如图 14所示。以单片机 89C51 为核心，有译码器 74LS145 和移 P015P114P213P312Q01Q12Q23Q34Q45Q56Q67Q79Q810Q9117 4L S 1 45E A /V P31X T A L 119X T A L 218R E S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10GND20V c c408 9C 5 1V C C3 0p F3 0p F246 M H z+1K1K2 2u FV C CA1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713C L K8MR97 4L S 1 64abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpGNDabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpGNDabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpGNDabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpGNDabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpGNDabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpGNDD 0 1D 1 2D 2 3D 3 4D 4 5D 5 6D 6 7D 7 8D 0 1V C CD 1 217Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q720Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q719Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q718Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q716Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q721Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D5 D6 D7图 14 频率计原理图 位寄存器 74LS164 实现串行输出显示，其中 74LS164输出段选信号， 74LS145输出位选信号。 电