系统设计方案报告

系统设计方案报告一、 设计要求系统主要技术指标及功能这次电路设计主要包括两部分电路内容：直流电源部分和功率放大部分。直流稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压等四部分组成的。电源变压器是将220V的交流电电压变为所需的电压值；整流电路是将交流电压变成脉动的直流电压，此脉动的直流电压含有较大的纹波；滤波电路是对纹波进行滤除，得到平缓的直流电压；稳压电路是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。功率放大电路组成：差动输入放大电路、电压放大电路、自举电路、交越失真消除电路、复合互补功率放大电路、负反馈电路和扬声器补偿电路。二、 设计思路分析题目要求，划分模块，系统组成框图，模块功能，系统工作原理，采用的技术，扩展功能(1)直流稳压双电源原理图 图1-1 双电源原理图 来自：电子线路图识图技巧原理分析正如大家所熟知的，直流稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压等四部分组成的。电源变压器是将220V的交流电电压变为所需的电压值；整流电路是将交流电压变成脉动的直流电压，此脉动的直流电压含有较大的纹波；滤波电路是对纹波进行滤除，得到平缓的直流电压；稳压电路是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 在本次的制作选类当中，因为将重点放在功放这一块，所以电源是用集成块做的。在此再对相关的知识做个归纳和总结，串联稳压电源能自动调整输出电压，使其自动达到稳定。集成稳压器则是将串联型稳压电路和过热、过流等保护电路都集成在一块半导体硅基片上。其特点：体积小、稳压性能好、可靠性高、接线简单、使用灵活等。同固定式集成稳压块一样，可调式三端集成稳压器也有输入端、输出端和调整端三个引出端，并有输出正电压集成稳压器和输出负电压集成稳压之分。在可调式稳压器的调整端和地之间接了一个电位器Rp用于调整稳压器的输出电压，是稳压器的输出电压连续可调。图中稳压器周围的两个二极管D1、D2或D4、D5为稳压器的保护二极管，当输入断电时，与D2、D4相连的电容器C3、C7会向稳压器放电，最外边的二极管D1或D5起到一个短接稳压器的输入和输出端的作用，使稳压器因相连的电容放电而不会烧坏；二极管D1、d5的作用与D2、D4相同，它是当输出端短路时，为电容C2、C6提供一个放电的回路，以免稳压器烧毁。（2）OCL功率放大电路原理图 图1-2 OCL功放原理图 来自：从零开始学模拟电子技术 原理分析 功率放大电路组成：差动输入放大电路、电压放大电路、自举电路、交越失真消除电路、复合互补功率放大电路、负反馈电路和扬声器补偿电路。全电路采用直接耦合方式，并且温度对电路的影响很大。采用差动输入放大电路Q1、Q2、R1、R3、R12抑制温度温漂效果很好，属于单端输入单端输出的差动放大电路，其电路特点：用两只同型号、同性能的三极管2N5401，它们的直流电流工作状态相同两只三极管发射结上的输入信号电压也相同，且只有输入信号电压的一半。此称电路发射极有共用电阻R2共同作用，达到抑制“零点漂移（在输入信号为零的情况下，输出信号随噪声、温度或直流电源波动而波动不再保持为零或某个定值）”的效果，比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力，但放大倍数仅为单管放大电路或双端输出差动的一半，也就是用成倍的元器件换了取抑制共模信号的能力；同时还能保证直流偏置和变化缓慢的信号被放大。自举电路C6、R4、R5，R4将8点的直流电压与电源电压隔离，C6放电电压和电源放电电压叠加，起到升压作用，使得NPN型管的偏压稳定，对信号的放大有保证，使电路增益有所提高。复合推挽式功率放大电路由NPN（Q5、Q6）和PNP（Q3、Q7）型复合管等组成。复合管的电流放大倍数是两管电流放大倍数的乘积。它可提供很大的输出电流，整个信号在复合管互相补充下放大输出。R6为分流电阻，使注入Q6、Q7基极电流不至于过大损坏功率管；R7、R8是发射极反馈电阻，限制功率管集电极电流，防止穿透电流过大损坏功率管。 交流反馈中，Rw2起直流负反馈作用，应用差分电路原理，其作用是调整电路增益和改善电路的非线性失真，增大Rw2和减少R4都可提高电路的增益。交越失真消除电路D1、D2、 R11，为Q5、Q3提供“静态偏置”使输出级工作在甲乙类状态，以消除输出级的交越失真。微调Rw3电位器使输出级调整到合适的工作点。D1、D2有温度补偿作用，当温度升高时，输出管电流增大但二极管的压降会因温度升高而减少，使输出管的偏置电压降低，静态电流趋于稳定。交流反馈电路C2、R2、R12的作用：调整电路增益和改善电路的非线性失真。增大R12（或减少R4）都能提高电路的增益。扬声器补偿电路R9 、C5系容性负载电路，对扬声器这一感性负载能进行相位补偿，扬声器在瞬间大动态信号作用下容易损坏，如此能达到保护它的目的。三、 调试测试方案（1）直流稳压电源 图1-3 原理解析图A变压器 在查阅直流稳压电源资料的过程中，我知道了变压器的一个知识，在变压器的二次变压线圈中间接一地线变可实现电压的正负转变，这在给功放提供正负双电源进行调试与测试的时候配上很大的用场，本电源用的变压器的二次压变是24V的，输入自然是交流220V/50Hz。针对变压器的真正的工作原理并没有去做很深的查阅与了解，这应该说是一个很大的不足之处。B整流电路 整流电路的硅桥由四个1N4007二极管构成，而耐压值为100V，在测试中发现在硅桥的共阳极与共阴极输出电压有些出入，但变压器输出的正负电压的绝对值是非常接近的，几乎一样。我觉得问题出在硅桥上了，虽然用的是同样型号的硅管但他们之间还是有差别的，特别是管压降，考虑到差值没有超过5V就没有再对其进行改进。C滤波电路滤波电路里的滤波电容根据理论联系实际应该是容值越大的其滤波效果越好，滤出的直流电压纹波是很小的，波形自然也是很平缓的，在实际电路里我们采用了470uF50V的滤波电容，采用的原因是在仿真过程里输出直流电压的效果很好，但是在测试电源的性能指标时这样做的缺点就暴露出来了，电压调整率非常大，也就是说其稳定性不好，很一般！对指示电路做一说明，因为双电源的电压要求是28V的，当这个值加在2K的电阻上其电流有点过大承受不了，所以电阻的发热情况很是严重，久而久之，这个电阻的颜色就变成黑暗焦型的。改进措施是将电阻换成阻值大点的。D稳压电路在这块出的问题可以说是最多的。一是在参考资料书上，有的在电路图上的11和16点是有节点的而有的没有，可是在仿真的过程中，只有在没有节点时才能仿真正确。故我在焊接时没有放节点，其工作状态正常。可是一起的同学将节点放上的，电源也能正常工作。二是在识别元件和焊接的过程中，出现了一个严重的错误，将的输入输出端接反了，这也是许多同学都出现的问题，换过来以后前面在接错的时出现的问题不在出现了。集成稳压块用的是和，但这两个的电路接法是有很不同的，是可调输出输入而是可调输入输出。接错付出的代价是将给烧了，R6也冒烟了，起初我还想着是不会出什么问题，至少不会想到我们的课本上写的是错误接法的这一点的，我考虑是流过电阻的电流太大了，就将的阻值换了个大点的，可还是老样子只是不同的呢是在可调端的的电阻滑到某一值时才开始冒烟。此举没有改变原状的情况下，我又试着给R6并大电阻，结果只是推迟了下时间而已。最后又想着给R6并个电阻试试，第一次是容值大一点的效果明显好点了，可调范围很大了。但想着电容太大是个浪费换个容值小点的再试试，没想电容在微调可调端时直接给放鞭炮爆了。原来和的接法是有差别的，这点在后来的网上查找后得到了验证。测试电源技术指标电压调节范围：正（.）、负（-.-.）电流调整率：负载为和的电位器正（ . .）负（- -. .）电压调整率：交流电网变化（） 负载为电炉丝正（） 负（.）纹波抑制比：正（. .）负（-. -.）在进行电源的技术指标测试特别是在电压调整率时，317和337的发热很厉害，这个当然是在电路全部检查无误合适也就是有保障的情况下进行的，我想原因可能是交流电网的变化而集成块的承受能力有限所致。根据其他同学的经验，338系列的集成块质量高点也耐用。在电电源的制作过程中，我并没有完完全全按照书上的参数去做，而是将其作为参考的，如滑动电阻器用的是10K的，C3和C7都用的是47uF50，和C8都用的是100uF50。在功放接上自己纸做的双电源时，时常会出现一个问题，本来是调好的电压值可是接上负载时会大幅度减小，也就是没有稳压效果了，特别是正电源的这个问题突出，这种情况跟接错337的还不太一样，337接错并在不加负载的情况下用万用表测时是一直波动的也不是围绕某个定制波动的，有大有小；它的变化是变成很小的压值并趋于稳定。我分析很可能是317已经烧毁了，起不到稳压的作用；烧毁的原因是我直接将自己制作的电源加在功放上，而功放没有调好正负电压差距拉大所烧，在用实验室的直流稳压电源带动功放时，就会因电流过大而跳档。R3和R8在电路中的作用，应该说是限流可是在电路里我发现在317和337都能正常工作的时候，是基本没有什么作用的；但是在317或是337坏的时候却能调电压！ 图1-4 原理解析图（2）OCL功率放大器在焊接中本是.的滑动电阻R5换成了5K的，其它的元件参数基本上没变，在仿真过程中为了方便就对相应的参数放大了一些。在信号的输入端有个隔离电容，它的正负极在有的电路上是接法相反的，这个我想还得在仿真中仿真研究后才能下结论，在仿真过程中发现这个跟接法其实是没有多大关联的。在原理图上节点A和C是真实存在的，而B处是没有节点的。而这在仿真时却出了问题。在跟我们类似的功放图上，有的因Q7是NPN型箭头朝下而在B、C两点都是有节点的。到底在这三个点的节点应该有还是没有的问题上我仿真后知道在节点A是不能存在的，否则仿真不能正常运行！在我焊接的功放上我是有这个节点的，但组员在没有的情况下还是不太合适，测试时电流会变大导致电源跳档将电源电压拉到10V以下或更低。针对这个我到目前还没试呢，主要是顾虑会出现很杂很奇怪的，恐怕受影响的因素太多，改了还是不对！现在我觉得还是得试一下，因为仿真时节点A不存在的话才正常，这也是要更改电路的唯一依据！针对这点我觉得还只是电路哪里不对表现出来的特征，这在把D2上面的那个电阻改成特别的解法后更为突出敏锐些！A调试静态工作点我们的功放似乎很奇怪，三个成员做的都将音频信号不太好的放大出来了，大概有20倍的放大倍数。在测静态工作点时，都不约而同的出现复合互补功放的上半部分几乎是截止的或是把正弦信号没放大出来，再次检查时发现复合推挽互补一级上半部分的三极管导通的条件不满足，特别是Q6，这个管子就不到痛的！所以这也导致我们要不停的调各个滑动变阻器以达到最后一级上半部分三极管导通能够把信号放大出来。在后续的不断调试当中始终没有将Q3和Q5的基极之间的电压调到1.2V或以上，这使我耗费了许多的时间来解决。当然与此同时又出现了许多新的问题，像有些元件已经焊到电路板上了但你一动它就会出现莫名奇怪的现象，像刚调的电路因为某个元件被动了就走样了又得重新开始，这使人很郁闷，觉得模电真的是啥情况都有可能发生。调试中遇到的问题还有很多，真的是一个叠着一个的，像基本的操作错误或是调试方法错误或是其他什么错误都会犯的，我觉得归根结底还是自己本身基础知识掌握的问题，因为基础不好，所以解决问题的时候就老会出点这样或那样的新问题。首先我在调试过程当中犯了一个严重的错误，那就是将自己制作的双电源直接加在功放上，因电源的性能一般受不住调试功放的这番大折腾就出了前面说的毛病压降，最终导致制作的双电源本身也不稳定了，检查发现LM317烧了！我分析是在调试过程中因负电源压降左右电流极不平衡所致，还有就是可能短触造成的，探针的不小心碰触导致电路短接，使元件烧坏。后来换了实验室的电源调试，在有了很好的电源提供保证下，压降问题就暂时没再出现过。接着调试时却因万用表表笔短触元件引脚把Q4给烧了，解决的办法只有一个那就是更换更换后恢复被烧前的状态。经过大概两周多的时间我还是没有调出静态工作点，保证所有三极管都导通特别是Q6三极管的基射极压降电压老是小于0.6V，在输入正弦波形时输出的波形也总是上半部分截止或放大很小。想来想去，觉得Q5基极的偏压太小，我就大胆的想将自举电路下面的电阻R5换成了滑动变阻器，并且将它的整个电阻都串在电路中，而在滑动端直接引出一线接到Q5的基极。这个想法想着先在仿真中看能不能行的通，能行的通的话我就改电路，还好在仿真软件中仿真出来效果是很好的，这样有了仿真这一凭据我就在实际电路上进行了改进，然这一改进确确实实是将Q5的基极电压给抬上来了，而且Q6也导通了，基射极压降电压能达到0.6V以上。可是此举弄得电源却出问题了，在接上28V的电压时电源会因电源上经过的电流过大而跳闸，将电源电压拉成6V左右的了。我试图再加电源到28V，可是加不上去，加上电源自动跳档，而且稍微将电源电压给高点的话电流就非常大，能达到3A甚至更高了。最后我就用6V的双电源进行了静态调试，使得Q3、Q5两基极的压降各位1.28V保证输出级导通，在Q6、Q7基极的电压也各达到了0.64V左右，处于导通状态。中点电压在-0.01V左右，此值很接近理想中的理想电位0V。至于在改进电路后为什么电源下降到5V左右我还是很不明白，我考虑输出级中的管子Q3、Q5、Q6、Q7中哪个管子肯定是给直接击穿或是烧坏了，因为电流能达到3A。B动态调试在静态工作点调试合适后，对功放进行了动态测试。将1KHz幅值为1mV正弦信号接入功放，在起初没有改进电路的时候，测得输出信号的上半部分截止很严重的。在改进后，输出信号几乎是没有失真的，可是放大倍数却小的可怜，只有10倍左右，电路保持全部接通的情况下从信号的输入开始逐级往后检查波形的变化，在复合功率放大输出级之前的波形几乎就是最后输出的波形，并比最终输出波形的幅值还要大点，这么看来输出级就没有放大信号，这在理论上是完全不对的吧？在这种情况下我取掉正弦信号的输入测试静态工作点时却还是正常的，也就是直流偏置还是静态工作点的状态。由此我判断是输出级的四个管子被击穿或是烧坏了，但具体我再没有对这四个三极管的好坏做更细致的检查，别的什么原因我再没找出来。就这样的情况我大概测了一下相关参数，功放的效率是1.5%，这个结果似乎完全是错误的吧。电源的供给功率为Pvv=VccI=3W,最大有效输出功率为：Pom=Vo*VoRL=0.0.048W;测试Vo的方法：给放大器输入1KHz的正弦信号，用示波器观察输出电压波形并用毫伏表测量输出电压的有效值，逐渐增大输入电压幅值，直至输出波形达到临界削波时，读出毫伏表的读数Vo,即该电路最大不失真输出电压的有效值。与此同时，在电源回路处串接电流表读出此时的电流值取电源输出的平均电流Io。测试过程中，当把供给的电源电压值增大到10V附近时，Q6和Q7集电极的发热特别厉害，但此时电源的电压值还是较稳定的，没有压降的现象出现。目前的状况是功放在接6V或的双电源时静态工作点是合适的，但电源电压一大就出现负电源下降，而且再大的话就电源跳档。这是在前面说的将A节点给加上时的情况。C带宽测试测试的方法是保持输入信号的频率不变，调整输入信号的幅度使得是输出信号的幅度刚好是5格，保持输入信号的幅度不变，增大和减小频率使得输出信号的幅值下降到原来的0.707倍，即高度变为3.5格，所对应的输入信号频率就是放大器的上限截止频率和下限截止频率，两值作差的放大器的带宽BW。其中FH45KHz，FL350Hz，BW4.15KHz。这个范围显然是比普通功放的带宽要窄许多，其原因我觉得还是输出级的问题。4、仿真与分析在仿真中我经多次仿真验证后发现我的电路改进部分（将原来的R5改成图上的R21和R24）的确是正确的，而且改后输出级的三极管正常导通，别且只有在我这样的情况下，我发现静态工作点才是合适的，也就是满足所有三极管的直流偏置的。在R5和R21阻值确定上我经多次仿真后才定下的。若是R21的值小点则Q6还是不导通的，但若太大话则Q6和Q7集电极的电流达到4A了；最后发现在将两阻值之和保持4.7K的前提下分成3.5k和320时输出级的静态工作点合适。另外还有一个地方就是在参考的原原理图上A节点（D1和D2之间）是存在的，