低频功率放大器毕业论文

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根底上，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根本原理、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局部构成。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。 Abstract:PAshortamplifiercanbesaidthatthevarioustypesofaudioequipmentinoneofthebiggestofthefamily.Practicallow-frequencypoweramplifierdesignisalotofsignificance:itcanbeimportedaudioequipmentforaweaksignalamplification,togenerateenoughcurrenttodrivethespeakerstovoiceplayback.Atpresentpoweramplificationbydiscretecomponents,orcompletecollectoroutputfromtheamplifiercomposedofdiscretecomponents,circuitstructureissimple,fromthecollectoroutputamplifiercanreducethesignaldistortion.Keywords:Sinewave–squarewaveconversioncircuitWeaksignalpreamplifiercircuitPoweramplifiercircuitSelf-madepowersupplycircuit目录TOC\o"1-5"\h\z\u摘要 1第一章前言 5第二章低频功率放大器概述 62.1低频功率放大器的根本要求 62.2低频功率放大器的分类 72.3功率放大电路的主要特点 8第三章总体方案设计 103.1总体方案论证 103.2单元模块方案论证与比拟： 12波形变换电路： 12弱信号前置放大级 12功率放大级： 13自制稳压电源 143.3方案选择： 15第四章单元模块设计 164.1各单元模块功能介绍及电路设计： 16波形变换电路： 16弱信号前置放大级电路： 18功率放大级电路： 204.1.4自制稳压电源电路： 224.2电路参数的计算及元器件的选择： 23增益分配： 23前置放大器的参数设计： 234.2.3中间放大级的参数设计 24功率放大级的参数设计 24电源电路的参数设计; 25波形变换电路的参数设计： 25测量局部 254.2.8显示局部 274.3系统软件设计 27测量显示模块软件设计流程图 274.4特殊器件的介绍 29第五章系统调试 325.1调试前的直观的检查: 325.2.稳压电源的调试： 325.3.前置放大电路和波形转换电路的调试： 325.5输入电阻的测试 335.6功放级的调试 335.8系统的总调试 34第六章系统功能、指标参数 366.1根本要求局部 366.2发挥局部 376.3要求指标与实测指标比照 376.4测试结果分析 38第七章设计总结 417.1对设计的小结: 417.2设计收获体会: 41第八章附录 438.1系统整体电路图：〔见附图〕 438.2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开展，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时机，通过这种综合性训练，要求我们到达以下目的和要求：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那么，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2.1低频功率放大器的根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拟小，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以下几点根本要求：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η，用公式表示为：η＝eq\f(Po,PE)×100%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2.2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2.2.1所示。(a)3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2.2.1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2.2.1(a)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2.2.1(b)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IB＝0的交点处，如图2.2.1(a)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2.2.1(c)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，那么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2.2.1(a)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2.2.1(d)所示。甲乙类工作状态的电流较小，效率也比拟高。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、功率管的平安使用知识就功率管而言，为了保证其平安运用，必须做到以下几个方面：(1)防止发生集电结的击穿。(2)防止集电结过热，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。2.3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根本任务，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、电流幅度都比拟大，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，功率放大电路提供应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局部转换成交流能量输出，其余的局部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，否那么，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3.1总体方案论证低频功率放大器的根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拟小，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以下几点根本要求：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η，用公式表示为：η＝eq\f(Po,PE)×100%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,我们设计有四个根本电路①正弦波一方波转换电路②弱信号前置放大级电路③功率放大电路④自制稳压电源电路。图3.1.1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；功率放大级那么实现对信号的电压和电流放大任务；直流稳压电源局部那么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。3.2单元模块方案论证与比拟：3.2.1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200mVp-p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：利用运放的正反应作用，使转换局部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6．2V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。3.2.2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。3.2.3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，放大倍数要到达要求，放大级数多，难以到达要求。方案二采用集成芯片做一级放大，放大倍数易到达要求，设计易于实现，价比高。因此选方案二。3.2.4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应。这种方案的优点是：由于反应深度容易控制，故放大倍数容易控制。且失真度可以做到很小，使音质很纯洁。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平安工作保护。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，那么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，那么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。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。3.2.6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3.2.2.3我们知道，如果R2的阻值远小于R1的阻值时，那R2对 ADC0804是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比拟型模数转换芯片。分辨率8位，转换时间100us，输入电压范围为0~5V。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。3.2.7显示模块根据设计要求，需要显示输出电压、电源供应功率、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。3.3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4.1各单元模块功能介绍及电路设计4.1.1波形变换电路设计电路如图4.1.1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。图4.1.1波形变换电路4.1.2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应电路，因为电压并联负反应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5mV~700mV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BW>50Hz-10KHz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以下图4.1.2所示。图4.1.2：前置放大级电路第一级前置级增益为：Au1=R2/R1=150/10=15〔约为24dB〕第二级前置级增益为：Au1=R5/R4=150/10=15〔约为24dB〕考虑到输入信号的变化范围很大〔5～700mV〕，在第一级用RP1〔100K〕做分压器来实现各级增益可调，到达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。4.1.3功率放大级电路：功率放大电路如图4.1.3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应的功率之比值。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，保护功能平安。它的缺乏之处是高频特性较差〔BW≤70kHz〕，但对于本设计的要求的50Hz～10kHz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平安工作保护。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。4.1.4自制稳压电源电路直流稳压电源局部那么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0.1uF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4.1.4所示。图4.1.3功率放大电路图图4.1.4稳压电源电路图4.2电路参数的计算及元器件的选择4.2.1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8Ω，那么Uomax===8.95V．故Uop-p＞Uomax＞12.6V系统的最大增益为：Aumax=20lg(8.95／0.005)≈65dB．系统的最小增益为：Aumin=20lg〔8.95／0.7〕≈22dB．那么需整个放大电路的增益应在22dB～65dB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20-40dB(放大倍数10～100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．那么前置级需要两级放大，且其总增益应在1～45dB之间可调。4.2.2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,这种信号才能鼓励功率放大器,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：Au1=R2/R1=150/10=15〔约为24dB〕第二级前置级增益为：Au1=R5/R4=150/10=15〔约为24dB〕前置放大两级之间采用阻容耦合〔10μF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5mV~700mV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。4.2.3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。4.2.4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：Au=1+R15／R14=11因此功放级的增益为20lg11≈21dB。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，而输入信号又比拟大，那么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：①.开环增益可达90dB。②.极低的失真，1kHz，20W时失真仅为0.015%。③AC和DC短路保护电路。④.超温保护电路。⑤峰值电流高达4A。

⑥.极宽的工作电压范围〔16-60V〕。⑦内置输出保护二极管。⑧外接元件非常少，TO-220封装。⑨.输出功率大，Po=20W(RL=4Ω)。4.2.5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。①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5.5V的压降，同时取二极管桥式整流器的系数为1.2，那么变压器副边的电压≧〔24／1.2〕=20V，取为21V。由于W78系列的最大输出电流为1.5A，因此电源消耗的功率应至少为：21V×1.5A=31.5W。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。②电源电路中整流二极管、电容的参数：电路中采用了5A／50V2CZBE硅整流管全桥,电源经1000uF电解并并上0.1uF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。4.2.6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Vp-p=200mV；二是方波信号要经过放大通道进行放大，使输出到达额定功率≧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，反相端接反应网络，运放的输出为正负对称的方波。再经R12〔56K〕、RP2〔3.3K〕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，使输出功率到达10W以上。4.2.7测量局部测量局部采用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、技术成熟和本钱低等优点，使其在各个领域应用广泛。4.2.8显示局部显示局部采用液晶1602，只要编写简单程序便可将数据显示出来。见图3.3.4.4.3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、直流电源的供应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。4.3.1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4.3.1所示开始显示初始化开始显示初始化ADC0832显示图4.3.1测量显示模块主程序流程图开始计算结果开始计算结果写指令写数据结束图4.3.2显示模块流程图开始使能芯片开始使能芯片产生时钟信号输入通道控制字读取数据i++i>1000结束将最大值送变量图4.3.2ADC0832流程图4.4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Vcc±22V差分输入电压Vdif±13V输入电压Vi提供电压V功耗，TA=25℃PD1100mW工作温度TOPR0~70℃LM1875的参数：电压范围单电压15~60V,或±30V静态电流50mA输出功率30W谐波失真＜0.015%，当f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W时额定增益26dB，当f=1kHz时工作电压±25V转换速率18V/μS(9V/μS)LF357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/ƒ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：1012Ω；低输入噪声电流：0.01pA/√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，数据说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，先分局部调试：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。5.1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。5.2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-18.3V。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8Ω负载上，20W输出时总谐波失真为0.015％的特点，对正负电压输出微小的不对称不再做调整。5.3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〔Vp-p=200mV〕时前置第一级的输出信号Vp-p=2.98V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。在此根底上我们测得前置第二级的输出信号Vp-pmax=4.45V〔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1μs、电压峰-峰值为200mV。那么可知，本波形转换电路性能良好，能产生符合题目要求的方波。5.4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5.4.1。表5.4.1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6mv7.3V12177mv8V114210mv11.2V112020mv23V1150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。5.5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，按计算输出电阻。测试数据如表5.5.1。表5.5.1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，这是不可防止的。从测试结果分析，满足输入电阻为600的要求。5.6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参加较大的正弦信号(1kHz)，在接入负载〔RL=8Ω〕的条件下，在负载端可测得功放级的输出电压为11.8V,那么Po=／8=17.40W＞10W。可知该功放到达了设计目的。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。5.7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 T1～T4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、D2(1N4148), 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β值增加。运放LF365[7]，C8,R27构成模拟积分器。将功放管输出的交流成分滤除。将直流成分反应到 U3〔NE5534A〕的输入端组成直流负反应。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，功能有三：①进一步滤除输出端的直流成分，②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；③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。参加R28,C9匹配输出端阻抗。5.8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220μF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，重新购置电容接入电路，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。②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，工作平安可靠。例如，芯片温度到达170℃，过热保护即开始工作，当温度降至145℃那么重新进入正常工作。但如果温度再度升高时，在到达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到达预期的效果。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①脚通过100K电阻接地，反相输入端②端通过R14〔1K〕和电容C1〔47μF〕串联接地〔保持输出中点零电位〕，那么易知运放的正、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。重新加上鼓励信号后，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。③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。假设有波形失真,那么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,使之最终到达指标要求。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，要求测试以下局部：6.1根本要求局部条件：在放大通道的正弦信号输入电压为5～700mV,等效负载电阻8Ω。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RL =8Ω，输入1KHz正弦波将输出端波形鼓励到削波点，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：POR=／RL。用数字存储示波器实测，可得输出峰-峰值电压为Vp-p，带入公式有：PoR=／RL 2.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0.707Χ中频带幅值。带宽BW=fH-fL。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〔36Vp-p〕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8Ω负载输入端短路接到地时的0.214示波器波形，测得其峰-峰值电压为117mVp-p，那么：P交流声=／RL=0.214mW＜10mW3〕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，那么输入功率为：PIR=UoIo因此在POR下的功率为：η=PIR／POR=55%6.2发挥局部正弦波-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那么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：t1=0.6μs下降时间：t2=0.7μs方波的峰-峰值电压为200mVp-p。2.用方波信号鼓励放大通道时，在RL=8Ω条件下，可测得最大输出波形峰-峰值电压为Vp-p。那么额定输出功率为POR=／RL=W。在POR条件下，对系统的输出波形测定，结果如下：上升时间：t1=μs下降时间：t2=μs顶部斜降=／36=％波形过冲量=／36=％6.3要求指标与实测指标比照见表6.3工程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〔POR／W〕10带宽〔BW／Hz〕50～10000非线性失真系数γ3％POR下的效率η55％输出交流声功率〔P／mW〕10转换后的方波信号波形上升时间〔tr／μs〕10.6μs下降时间〔tf／μs)10.7μs峰—峰值电压〔Vp-p／mV〕200200mVp-p方波输入鼓励放大通道后输出波形输出功率〔POR／W〕10上升时间〔tr／μs〕12下降时间〔tf／μs〕12顶部斜降2％过冲量5％表6.36.4测试结果分析整个系统在调试时,分局部调试.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U=12.7V,那么 POR= U2/ RL =12.72/10=16.1W.(2) 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0.707×\u20013X频幅值.测得带宽为10Hz～90kHz.(3) 在 POR下的效率:断开正电源,串入万用表,在 POR下,测得电压为20.28V电流为652mA,那么电源输入功率为:PIN=20.28×0.652×2=26.45W.效率为:η=POR/ PIN=16.1/26.45=60.9%.(4) 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1.38mV,那么 P=(1.38×10-3)2/10=1.904×10-6W=1.904μW.(5) 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:0.5%.(6) 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:0.95μs和0.9μs.(7)用方波鼓励放大通道时,测输出方波 tr和 tf分别为4.4μs和3.9μs,顶部斜降为0.04/15.1=0.26%.测试结果见表下表：.表测试结果与要求指标比照工程要求指标实测指标输出功率POR/W≥1016.1带寬/Hz50～10×10310～90×103失真系数γ/%≤31.8效率η/%≥5560.9上升时间tr/μS≤11.8下降时间tf/μS≤11.7产生方波Up-p/mV200200方波输出功率POR/W≥1022.8顶部斜降/%≤20.26表6.4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①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；②各计算公式为近似的公式；③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〔fH?KHz〕，这就保证了很短的上升时间〔tr?μs〕；而低频下限频率延伸到很低〔fL?Hz〕，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Hz～KHz内的失真度为?＜3％，尤其在50Hz～10KHz之间时具有非常