低频功率放大器的设计与制作

低频功率放大器设计与制作报告院（系）：机械与电子工程学院题目:低频功率放大器的设计与制作班级：学生姓名：指导老师：时间：★工作进度安排和小组成员分工情况:（***主要是负责硬件部分，***主要负责软件部分）一：5月30号，接到赛题后，小组成员开会讨论决定设计方案并初步规划出设计思路与步骤。二：第二天，5月31号，小组分工在电脑软件上设计出各个模块的仿真图。***负责设计电源模块和功率放大模块的设计与仿真验证，***负责前级放大器、波峰检测以及阻带滤波器的设计与仿真验证。三；第三天上午，小组讨论决定最终可行方案，并整合各个模块统一软件调试；下午继续开会讨论决定最终的整机电路图并在网上购买相应的元器件。四：在等待元器件到来的同时，小组成员中***作相应的A/D转换编程与相应的软件仿真，***就继续软件调试整机的仿真的效果，以达到最好的效果。五：元器件还没到，小组成员中***继续做显示模块的编程仿真与调试。六：端午节3天时间，小组成员都回家了，作品制作工作停一下，直到6号回来继续作品的制作。七：6号***焊接完电路后，队员即刻进入到紧张的调试中，***主要负责各个模块的实物调试，***负责记录数据并配合实物调试。八：调试工作继续进行中……..直到七号晚上，由于交作品时间（8号）的到来，我们的调试工作结束了，转而写实验设计报告。虽然有些模块没能很好的调试，但我们尽了各个队员的努力，都收获甚多。摘要本文介绍了一种基于NE5532而设计的低频功率放大器。由直流稳压电源，前置放大器，功率放大器，带阻电路，峰值检测和数据采集显示六个模块组成。直流稳压电源主要由15V双电源与LM317与LM337，7805构成可输出正负15V电压和5V电压，分别为功率放大器和显示模块提供所需电压。前置放大器为两级放大，构成一个带通放大器。功率放大器由BD139和BD140三极管构成OCL电路。带阻电路用于滤除电源公共频率。峰值检测将负载输出稳定电压并将电压降低至5V以下。液晶显示模块显示结果。主要功能是将20HZ~20KHZ的小信号放大，输出功率大于5W，并将系统的输出功率，直流电压输出功率，整机效率显示出来。关键词：功率放大器，三极管，NE5532，OCLDesignandapplicationofthelowFrequencypoweramplifierAbstractOCL任务要求一、任务设计并制作一个低频功率放大器，要求末级功放管采用分立的大功率双极型晶体管（三极管）。二、要求1．基本要求（1）当输入1KHz正弦信号电压幅度为15mV时，在8Ω电阻（或喇叭）负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。（2）通频带为20Hz～20kHz。（3）输入电阻为600Ω左右。（4）尽可能提高功率放大器的效率。（5）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%。2.发挥部分（1）低频功率放大器通频带扩展为10Hz～50kHz。（2）在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,尽可能降低输入信号幅度。（3）设计一个带阻滤波器，阻带频率范围为40～60Hz。在50Hz频率点输出功率衰减≥6dB。（4）其他。三、说明1．功率放大部分不得使用功率集成块。2．功率放大电路的通频带、输入电阻请参考《模拟电子技术基础》第四版（华成英童诗白主编）第2章（或参考其它模拟电子技术）。3．功率放大电路的效率定义请参考《模拟电子技术基础》第四版（华成英童诗白主编）第9章（或参考其它模拟电子技术）。4．电路中应预留测试端子，以便测试直流电源供给功率。5．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要的测试结果。完整的电路原理图用附件给出。6、设计报告注明工作进度安排和小组成员分工情况。目录一、绪论 11.1系统背景 1二、系统电路设计 12.1系统总体方案 12.3单元电路设计 22.3.1前置放大器的分析与设计 22.3.2功率放大级的设计 32.3.3带阻滤波器的分析与设计 52.3.4峰值检测 62.3.5稳压直流电源的设计 72.3.6显示模块 8三、软件设计 83.1系统流程图 83.2相关算法 93.2.1输出功率计算 93.2.2电源输出功率计算 93.2.3整机效率计算 10四、测试方法与结果分析 104.1测试仪器 104.3放大倍数的测试 104.4输入电阻的测试 114.5通频带的测试 114.6低频功率放大器效率测试 12五、总结 135.1实验结果 135.2改进意见 13附录 14附录一功率放大器电路原理图 14附录二液晶显示PORTUES仿真图 15附录三显示程序 15参考文献 23一、绪论1.1系统背景功率放大器是的作用主要是给负载提供所需要的功率，它不仅仅是音频设备中必不可少的器件，同时在测量系统和控制系统中也有广泛的应用。低频功率放大器已经是一个相当成熟的技术。几十年来，无论是从线路技术和元器件方面，乃至思想方面都有很大的进步。它可以由集成元件构成，也可以由分立元件构成。集成功率放大器具有功放体积模块小，性能优越，外围电路简单，制作简单，易调试，保护功能齐全。而用分立元件制作，如果精心设计，则在效率和失真方面要远远优于集成功放。二、系统电路设计2.1系统总体方案本系统由前置放大器，带阻滤波器，功率放大级，峰值检测，数据采集及液晶显示等构成。其中，前置放大级有NE5532够成的两级放大电路组成，可选择通过带阻滤波器将40~60HZ的信号衰减，通过NE5532和有功率三极管构成的放大电路放大输出，经过A\D采样电路收集数据，单片机分析计算，通过显示电路显示。系统方框图如图2-1所示。图2-1系统方框图2.3单元电路设计2.3.1前置放大器的分析与设计前置放大器主要完成小信号电压放大的任务，其失真度和噪声影响是优先考虑的指标。同时也起对信号的衰减作用。为此我们选用NE5534，NE5534的主要特性：等效输入噪声电压3.5nV/,频率带宽10MHZ，高转换速率13V/uS,较宽电压围正负3V到正负20V，同时有可外在补偿的能力EQ\o\ac(○,1)。图2-3(a)前置功率放大器图2-3(b)1kHZ时仿真图形在前置放大电路中，第一级采用电压并联反馈解法，可以增加共模抑制比，可提高抗干扰能力。第二级放大总体来说是个带通放大电路，当有信号时，电容C1与电阻R7构成高通电路2.3.2功率放大级的设计功率放大电路往往要求其驱动负载能力较强，从能量控制和转换的角度来看，功率放大器电路与其他放大电路在本质上没有根本区别。只是功率放大既不是单纯的要求输出高电压，也不是单纯的要求输出大电流，而是追求电源电压稳定的情况下，输出尽可能大的功率。功率放大电路的主要任务是：在允许的失真限度内，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。因此，功率放大电路的电路形式、工作状态、分析方法等都与小信号放大电路有所不同.对功率放大电路的基本要求是：(1)输出功率要大。输出功率PO=UO×IO，要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。因此，晶体管工作在大信号极限运行状态，应用时要考虑管子的极限参数。注意管子的安全。(2)效率要高。放大信号的过程就是晶体管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。功放级电路主要用一对BD139和BD140三极管（推动管）组成，加上末级的两个2N2222组成。对管的选择主要考虑其参数的对称性。一般输出管的电压增益β在40左右。图2-4(a)功率放大级电路图图2-4(b)功率放大级仿真结果2.3.3带阻滤波器的分析与设计输入电压同时作用于低通滤波器和共同滤波器就构成了带阻滤波器。设低通滤波器f1应低于高通滤波器f2，带阻滤波器能衰减f1~f2之间的信号。放大器选择OP07。带阻滤波器主要用于滤除公频干扰。下图为所设计的二阶滤波器。图2-5(a)带阻滤波器频率特性图2-5(b)40~60HZ带阻滤波器2.3.4峰值检测峰值检测电路是为了将整流分压后所得到的电压曲线取得最大峰值，从而为先一步计算提供条件。峰值检测电路（PKD，PeakDetector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。图2-6(a)峰值检测仿真图图2-6(b)峰值检测仿真结果2.3.5稳压直流电源的设计考虑管压降等因素，选择双12V的变压器，经整流滤波可等17V。为了提高效率，功放级电压直接由整流滤波电路提供(电路途中B，C两个输出点)，减小了在稳压片处的能量损失。电路有集成稳压器LM317和LM337构成。电源经4700uF电解电容并上47uF和0.1uF的电容，滤掉不同频率的干扰后输出，输出电压直流性能良好。图2-7直流稳压电源2.3.6显示模块显示模块有数据采集与处理和液晶显示两部分组成。其中数据采集有ADC0832构成A/D转换电路完成数据采集，并通过89C52单片机对数据分析处理，最后由1602液晶显示器将输出功率，直流电源功率，整机效率显示在液晶屏上。三、软件设计3.1系统流程图本系统软件流程图如下，主程序主要是将A/D转换的数据采集，通过单片机计算，最终显示在液晶板上。图3-1系统流程图3.2相关算法为简化程序，采用C语言编程，设置输出电阻为固定参数，通过功率相关计算公式可分别得出，输出功率，电源输出功率，整机效率。3.2.1输出功率计算可由公式计算得出。3.2.2电源输出功率计算可由公式计算获得3.2.3整机效率计算可由公式计算获得四、测试方法与结果分析整个系统测试时，分部分测试，首先调试电源，然后是前级放大器，功率放大器，最后再整体测量。4.1测试仪器测试使用的仪器设备如表4.1所示。表4.1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量1信号发生器12示波器13数字万用表14.3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4.3。表4.3放大倍数的测定输入信号\mV10152050率放大级输出\V1724.62830电压放大倍数170016401400600测试结果分析：由图表可以看出随着输入信号的增加电压放大倍数减小，这是因为器件自身的内部消耗造成的，当输入信号有效值为15mV，满足输出大于或等于5W的要求。4.4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4.4。表4.4输入电阻的测定输入直流电压输入直流电流输入电阻5V8mA62510V15mA66612V198mA606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误差，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。4.5通频带的测试根据通频带的定义，放大倍数下降到0.7时的低端频率和高端频率范围称为放大电路通频带。即：BW=fH-fL.图4-5(a)为通过multisim仿真幅频响应结果图中直线所在位置为电压增益下降3dB时。图4-5(b)为相频响应仿真结果。图4-5(a)幅频响应仿真图4-5(b)相频响应仿真结果分析：由测试数据可以看出频率在中频端响应相对较好，这主要是因为3dB点式增益回降低一半，从而给电压放大带来影响。本设计通频带为10HZ~60KHZ左右,满足题目要求。4.6低频功率放大器效率测试电源供给的功率按公式计算，输出功率按公式计算，效率按公式。为最大不失真输出信号的峰值。测试结果见表4.6。表4.6低频功率放大器效率测试供给直流电源电压/V111518电源供给功率/W7.7914.7822.04实际测量输出功率/W4.679.0914.11理论测量输出功率/W4.959.5614.78理论效率63.5%64.7%67.1%测量效率60%61.5%64%测量精度3.5%3.2%3.1%测试结果分析：通过测试可得，放大器的效率达到了60%测量精度达到3%左右。误差是由于存在精确度不高以及在信号传输过程中的干扰和损耗造成的。五、总结5.1实验结果本设计完整的介绍了低频功率放大器的设计，选用高性能的NE5532运放，保证了足够大的增益和电压输出且性能稳定通过给出的实验数据可以看出，本电路具有很好的频率响应，从测的得带宽10HZ~60KH左右看出，该功率放大器可以很好的实现对低频信号的放大。值得注意的是功率放大级与前置放大级应采用分离电源模式的接线放大，否则容易造成干扰。在设计功率放大器的同时应考虑对非线性失真与增益做出认真的思考，这是影响功率放大的最主要的因素。5.2改进意见通过改进电路，可进一步提高整机效率，可通过选择更好性能的运放及管耗更小的功率管，设计非线性失真更完善的电路；为降低电源，整流管对信号的干扰，应当将整流管，稳压管屏蔽起来；对于双通道功放，因为左、右通道之间存在串抗，最佳方案是分别用两套器件。附录附录一功率放大器电路原理图附录二液晶显示PORTUES仿真图附录三显示程序#include<reg51.h>//包含单片机寄存器的头文件#include<intrins.h>//包含_nop_()函数定义的头文件sbitCS=P3^4;//将CS位定义为P3.4引脚sbitCLK=P1^0;//将CLK位定义为P1.0引脚sbitDIO=P1^1;//将DIO位定义为P1.1引脚//////////////////////////////////////////////////////////////////unsignedcharcodedigit[10]={"0123456789"};//定义字符数组显示数字unsignedcharcodeStr[]={"Po="};//说明显示的是输出功率unsignedcharcodeStr1[]={"Pv="};//说明显示的是电源功率unsignedcharcodeStr2[]={"n="};//说明显示的是整机效率/*******************************************************************************以下是对液晶模块的操作程序*******************************************************************************/sbitRS=P2^0;//寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚sbitRW=P2^1;//读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚sbitE=P2^2;//使能信号位，将E位定义为P2.2引脚sbitBF=P0^7;//忙碌标志位，，将BF位定义为P0.7引脚/*****************************************************函数功能：延时1ms(3j+2)*i=(3×33+2)×10=1010(微秒)，可以认为是1毫秒***************************************************/voiddelay1ms(){unsignedchari,j; for(i=0;i<10;i++) for(j=0;j<33;j++) ; }/*****************************************************函数功能：延时若干毫秒入口参数：n***************************************************/voiddelaynms(unsignedcharn){unsignedchari; for(i=0;i<n;i++) delay1ms();}/*****************************************************函数功能：判断液晶模块的忙碌状态返回值：result。result=1，忙碌;result=0，不忙***************************************************/bitBusyTest(void){bitresult; RS=0;//根据规定，RS为低电平，RW为高电平时，可以读状态RW=1;E=1;//E=1，才允许读写_nop_();//空操作_nop_();_nop_();_nop_();//空操作四个机器周期，给硬件反应时间 result=BF;//将忙碌标志电平赋给resultE=0;//将E恢复低电平returnresult;}/*****************************************************函数功能：将模式设置指令或显示地址写入液晶模块入口参数：dictate***************************************************/voidWriteInstruction(unsignedchardictate){while(BusyTest()==1);//如果忙就等待 RS=0;//根据规定，RS和R/W同时为低电平时，可以写入指令 RW=0; E=0;//E置低电平(根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，//就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置"0" _nop_(); _nop_();//空操作两个机器周期，给硬件反应时间 P0=dictate;//将数据送入P0口，即写入指令或地址 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();//空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=1;//E置高电平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();//空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=0;//当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令}/*****************************************************函数功能：指定字符显示的实际地址入口参数：x***************************************************/voidWriteAddress(unsignedcharx){WriteInstruction(x|0x80);//显示位置的确定方法规定为"80H+地址码x"}/*****************************************************函数功能：将数据(字符的标准ASCII码)写入液晶模块入口参数：y(为字符常量)***************************************************/voidWriteData(unsignedchary){while(BusyTest()==1); RS=1;//RS为高电平，RW为低电平时，可以写入数据 RW=0; E=0;//E置低电平(根据表8-6，写指令时，E为高脉冲，//就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置"0" P0=y;//将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块 _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_();//空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=1;//E置高电平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();//空操作四个机器周期，给硬件反应时间 E=0;//当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令}/*****************************************************函数功能：对LCD的显示模式进行初始化设置***************************************************/voidLcdInitiate(void){delaynms(15);//延时15ms，首次写指令时应给LCD一段较长的反应时间WriteInstruction(0x38);//显示模式设置：16×2显示，5×7点阵，8位数据接口 delaynms(5);//延时5ms，给硬件一点反应时间WriteInstruction(0x38); delaynms(5);//延时5ms，给硬件一点反应时间 WriteInstruction(0x38);//连续三次，确保初始化成功 delaynms(5);//延时5ms，给硬件一点反应时间 WriteInstruction(0x0c);//显示模式设置：显示开，无光标，光标不闪烁 delaynms(5);//延时5ms，给硬件一点反应时间 WriteInstruction(0x06);//显示模式设置：光标右移，字符不移 delaynms(5);//延时5ms，给硬件一点反应时间 WriteInstruction(0x01);//清屏幕指令，将以前的显示内容清除 delaynms(5);//延时5ms，给硬件一点反应时间}/**************************************************************************以下是电压显示的说明**************************************************************************//*****************************************************函数功能：输出功率显示***************************************************/voiddisplay_Po(void){unsignedchari; WriteAddress(0x03);//写显示地址，将在第2行第1列开始显示 i=0;//从第一个字符开始显示 while(Str[i]!='\0')//只要没有写到结束标志，就继续写 { WriteData(Str[i]);//将字符常量写入LCD i++;//指向下一个字符 } }/*****************************************************函数功能：电源输出功率显示***************************************************/voiddisplay_Pv(void){unsignedchari; WriteAddress(0x03);//写显示地址，将在第2行第1列开始显示 i=0;//从第一个字符开始显示 while(Str1[i]!='\0')//只要没有写到结束标志，就继续写 { WriteData(Str1[i]);//将字符常量写入LCD i++;//指向下一个字符 } }/*****************************************************函数功能：整机效率显示***************************************************/voiddisplay_n(void){unsignedchari; WriteAddress(0x03);//写显示地址，将在第2行第1列开始显示 i=0;//从第一个字符开始显示 while(Str2[i]!='\0')//只要没有写到结束标志，就继续写 { WriteData(Str2[i]);//将字符常量写入LCD i++;//指向下一个字符 } }/*****************************************************函数功能：显示电压的小数点***************************************************/void display_dot(void){ WriteAddress(0x09); //写显示地址，将在第1行第10列开始显示 WriteData('.');//将小数点的字符常量写入LCD }/*****************************************************函数功能：显示功率的单位(W)***************************************************/void display_W(void){WriteAddress(0x0c);//写显示地址，将在第2行第13列开始显示 WriteData('W');//将字符常量写入LCD }/*****************************************************函数功能：显示功率的单位(W)***************************************************/void display_m(void){WriteAddress(0x0c);//写显示地址，将在第2行第13列开始显示 WriteData('%');//将字符常量写入LCD }/*****************************************************函数功能：显示整数部分入口参数：x***************************************************/voiddisplay0(unsignedcharx){unsignedchari; i=x/1;//取个位（整数第一位） WriteAddress(0x08);//写显示地址,将在第2行第7列开始显示WriteData(digit[i]);//将小数部分的第一位数字字符常量写入LCD}/*****************************************************函数功能：显示整数部分入口参数：x***************************************************/voiddisplay1(unsignedcharx){unsignedchari,j; i=x/10;//取十位（整数后第一位） j=x%10;//取个位（整数点后第二位） WriteAddress(0x08);//写显示地址,将在第2行第7列开始显示WriteData(digit[i]);//将小数部分的第一位数字字符常量写入LCD WriteData(digit[j]);//将小数部分的第一位数字字符常量写入LCD}/*****************************************************函数功能：显示小数数部分入口参数：x***************************************************/voiddisplay2(unsignedcharx){ unsignedchari,j; i=x/10;//取十位（小数点后第一位） j=x%10;//取个位（小数点后第二位）WriteAddress(0x0a);//写显示地址,将在第1行第11列开始显示 WriteData(digit[i]);//将小数部分的第一位数字字符常量写入LCD WriteData(digit[j]);//将小数部分的第一位数字字符常量写入LCD}/*****************************************************函数功能：将模拟信号转换成数字信号***************************************************/unsignedcharA_D(){unsignedchari,dat;CS=1;//一个转换周期开始CLK=0;//为第一个脉冲作准备CS=0;//CS置0，片选有效DIO=1;//DIO置1，规定的起始信号CLK=1;//第一个脉冲CLK=0;//第一个脉冲的下降沿，此前DIO必须是高电平DIO=1;//DIO置1，通道选择信号CLK=1;//第二个脉冲，第2、3个脉冲下沉之前，DI必须跟别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0CLK=0;//第二个脉冲下降沿DIO=0;//DI置0，选择通道0CLK=1;//第三个脉冲CLK=0;//第三个脉冲下降沿DIO=1;//第三个脉冲下沉之后，输入端DIO失去作用，应置1CLK=1;//第四个脉冲for(i=0;i<8;i++)//高位在前{CLK=1;//第四个脉冲CLK=0;dat<<=1;//将下面储存的低位数据向右移 dat|=(unsignedchar)DIO; //将输出数据DIO通过或运算储存在dat最低位} CS=1;//片选无效 returndat; //将读书的数据返回}/*****************************************************函数功能：主函数***************************************************/voidmain(){unsignedintAD_val;//储存A/D转换后的值unsignedcharzs,xs;//分别储存转换后的整数部分与小数部分unsignedlongintsub,ps,pv,pn;LcdInitiate();//将液晶初始化delaynms(5);//延时5ms给硬件一点反应时间display_Po();//显示功率说明display_W();//显示功率的单位display_dot();//显示功率的小数点if(1){ AD_val=A_D();//进行A/D转换 zs=(AD_val)/51;//计算整数部分 xs=(AD_val%51)*100/51;//计算小数部分display0(zs);//显示整数部分display2(xs);//显示小数部分delaynms(250);//延时250