实用低频信号发生器Word文档格式.docx

实用低频信号发生器Word文档格式.docx

《实用低频信号发生器Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实用低频信号发生器Word文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

频率为1000Hz、上升时间≤　1μs、峰-峰值电压为200mVpp。

用上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，放大通道应满足：

②额定输出功率POR≥10W；

带宽BW≥（50～10000）Hz；

③在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；

④在POR下输出波形顶部斜降≤2%；

⑤在POR下输出波形过冲量≤5%。

（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减小非线性失真等）。

2．总体方案设计

2.1总体方案论证

按照本系统的设计功能要求，本低频功率放大器系统的设计采用了由NE5532构成的低噪声放大电路，前置电路信号放大电路、功率放大电路、波形变换电路、稳压电源等几个模块组成。

电路的系统框图如图1所示。

图2低频三相函数信号发生器系统方框图

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。

2.2单元模块方案论证与比较

2.2.1前置放大电路

方案一：

由OP37构成的放大电路。

OP37芯片是一种低噪声，非斩波零稳态的双极性运算放大器集成电路增益带宽积为63MHz。

方案二：

用NE5532构成的放大电路。

NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器，小信号带宽10MHz,转换速率9V/us。

相比较大多数标准运算放大器，NE5532是音频专用放大芯片。

综上所述，我们选择方案二。

2.2.2功率放大电路

采用乙类互补对称功率放大电路（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OCL电路要采用双电源供电，电源利用率不高。

采用具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路（OTL电路），可采用单电源供电，提高了电源的利用率，而且有效克服了普通甲乙类推挽放大电路的交越失真问题。

缺点，外围元器件多，调试困难。

方案三：

采用MOSFET构成的低频功率放大器。

MOSFET功率管具有激励功率小，输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，安全可靠，无须加保护措施，而且还具有工作频率高、偏置简单等优点，因此，采用MOSFET功率管设计放大电路既简单又方便。

采用NE5534（或NE5532中的一个运放）和大功率MOSFET功率对管TN9NP10组成实用低频功率放大电路。

方案四：

采用集成运放LM1875构成的低频功率放大电路。

LM1875是一个输出功率最大可以达到30W的音频功率放大器，Avo为90dB，失真率为0.015%（1KHz，20W），带宽为70kHz，具有AC和DC短路保护电路和热保护电路，电源电压范围为16-60V，94dB纹波抑制，采用TO-220封装。

优点：

带宽，功放都可以达到要求，同时外围器件少，调试简单。

综上所述，方案一、方案二外围电路器件太多，调试困难，因此我们选择放弃。

方案三、方案四电路比较简单，且都可以达到题目要求，但是方案三所需要的稳压二极管2CW19我们手上没有，故而舍弃，我们选用方案四。

2.2.3正弦波转化方波电路

利用运放在开环状态下的饱和特性,正弦波信号专用电压比较器LM339,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,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。

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。

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3V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。

由于方案一外围电路简单，成本低，所以本电路采用方案一。

2.2.4电源电路

采用开关电源。

当电源的输出电流过大时，开关电源能够自动切断电流；

当输出电流过小时，开关电源能使其增大，起到保护电路的作用。

但考虑到开关电源的价格高，而且其输出的纹波比较大，故不采用。

采用调整稳压电源。

此电源采用大功率三极管作调整管，散热量大，体积大，不宜采用。

如图6所示，采用三端集成稳压源自制电源。

此电源的体积小、散热量小，输出电压很稳定，能够满足设计的要求，易于制作。

故采用此方案。

3.理论计算

3.1输出电压与功率计算

因为设计要求在8Ω电阻负载上输出功率≥10W

即输出最小电压为

（1）

所以

所以其峰值电压

考虑留出一定的裕量,故设计输出功率输出级的电源电压为18V，输出功率输出级的输出电压峰值则接近17V,，最大输出功率则接近15W，满足题目要求。

3.2系统放大倍数的计算

根据U和输入信号幅度，由于输入电压幅度为（5～700）mV,所以系统最小放大倍数为

最大放大倍数为

考虑到电路的复杂程度，我们确定采用三级放大器，一级跟随器兼增益调节。

前置放大器的增益Av1=368倍，功率放大器的增益Av2=20倍，跟随器兼增益调节的增益Av3=0～1倍。

整机增益为Av=Av1×

Av2×

Av3=368×

20×

（0～1）=0～7360倍。

4单元电路的设计

4.1前置放大电路

为了提高前置放大电路输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，采纳集成运算放大器构成前置放大电路时，必须采用同相放大电路结构，电路图如下所示：

图3前置放大电路

为了尽可能保证不失真放大，上图采用三级放大器电路U1A、U2A、U3A，第一级为电压跟随器，Av1=1。

后面两级每级放大电路的增益取决于R2、R3和R5、R6，即

Av2=1+R2/R3=16,Av3=1+R5/R6=23

由上述分析可知，低频方大功率放大器的总功率为71dB，前面三级安排在40dB左右比较合适，既保证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽的要求，从而可保证不失真，即达到高保真放大质量。

图中C3、C4分别为隔直电容，是为满足各级直流反馈、稳定直流工作点而加的。

但对于交流反馈，C3、C4必须呈现短路状态，即要求C3、C4的容抗远小于R3、R6的阻值。

C1、C2为耦合电容，为保证低频响应，要求其容抗远小于放大器的输入电阻。

R1、R4为各级运放输入端的平衡电阻。

4.2功率放大电路

在下图中，R5、R6组成反馈网络，C5为直流负载反馈电容；

R1为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声；

C4为信号耦合电容，R2、C7组成输出去耦电路，防止功放产生高频自激；

C1、C3、C2、C6是电源去耦电容，电容采用+18V、-18V。

图4功率放大电路

4.3正弦波转方波电路

利用运放在开环状态下的饱和特性,正弦波信号专用电压比较器LM393,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,然后通过电阻分压,最终得到题目要求的200mVp-p的方波信号,但是正负极性不对称。

图5正弦波转化方波电路

4.4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，需要稳压电源输出的两种直流电压即±

15V、±

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4700uF电解并并上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，如图6所示：

图6±

18V电源电路

图7±

15V电源电路

5.系统的测试

5.1测试结果

实验结果具体情况，见附录1。

5.2输出功率的测量

所用仪器：

YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器。

测量方法：

用函数信号发生器提供电压有效值为5mV的正弦输入信号，调整其频率在20Hz～20kHz之间变化，用示波器测量8Ω电阻负载上的电压信号，用万用表测量通过负载的电流，可以看到输出波形无明显失真。

记录几个随机频率点处负载两端的电压有效值U，I，利用公式P=U*I即可求出输出功率。

测量结果：

如附录1所示。

5.3通频带宽的测量

所用仪器:

YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器。

本题的通频带可以直接对功率放大器直接进行给定频率，看其在最大频率与最小频率是否失真。

即可得通频带范围。

5.4输出噪声电压的测量

毫伏表

将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值

。

测得

33mV。

5.5效率的测试

万用表，YB1602函数信号发生器，ADS1102Ｃ型双通道数字存储示波器，万用表。

把万用表串联在直流信号源与功率放大电路之间，利用其电流档测直流输入电流

，直流电压

可通过信号源直接读出；

用示波器测量8Ω电阻负载上的电压有效值

，利用公式

得直流电源的供给功率；

利用公式

可得输出功率；

19V,

0.8A，

可得整机效率；

=56%。

5.6失真度测量

测量8Ω电阻负载上的电压信号，用基波剔除法，即测量信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。

5.7顶部斜降

用示波器观察静态输出波形，再把波形放大，读出超过方波幅值的值ΔU除以脉冲宽度即为顶部斜降。

6.总结

实用低频功率放大器的设计，终于在我们的努力下，落下帷幕。

回首制作前后，思绪万千，感慨颇多。

现在坐在电脑前，写着报告，听着音乐，想想我们整个实用低频功率放大器的电路，也是十分简单，就只有波形转化电路，前置放大电路，功率放大电路。

其他的什么都没有，简单得不能够再简单。

而且，这些知识都可以在我们的课本《电子技术基础—模拟部分》找到相关的内容，换句话说，电子设计竞赛考察我们的知识大多数都来源于我们的课本。

所以我们应该多花点时间回头看看我们的模电课本。

其次，我现在都不得不承认，调试阶段使整个过程中最麻烦的，最烦人的，在这次调试过程中，我们这组就爆了四个电容，其它的一些问题不胜枚举。

事情都具有两面性，它又坏的一面，很定会有好的一面。

在这个阶段，是我们收获最多的时间，因为我们必须更加深入的了解整个电路每一个器件的作用，和值的选择等等。

这些就要求我们，再次坐下来，好好的学习相关知识，特别当调试结果与我们预期的不同时。

当然，通过几次培训后，我们也学会了一些调试技巧，例如，按模块调试，最后才总体调试；

知道每个模块输入与输出的关系（实际上的）；

调试前，先将调试部分多检查几遍，防止电路焊接错误，元器件连接错误等等。

接着，就是我们的第一个培训题目数控直流电源，和本题实用功率放大器，就要设计电路要有一定的带载能力，可是我们这两题目完成的带载能力都不是太强，但是我们却找不到问题的解决方案。

我们也曾想过通过级联的方法，连接两个或多个功率放大电路，但是由于一些因数，这始终都只是我们的一个想法，没有付诸实践，也不知道是否可行。

最后，我们感觉，我们要想在这条路上走的更远，我们就必须付出更多的努力。

因为我们都清楚的认识到现在的我们都只是停留在模仿、借鉴上，离真正的创新还有一段很远的距离。

我们只有通过一定的模仿别人的电路，才能够有一定的知识积累，对一些基础电路有一定认识，才能够在此基础上，有自己的想法，有自己的思维，有自己的创新，走出别人的世界，开启一片真正意义上属于我们自己电子空间。

人活着因为由自己的思想才精彩，电路因为附着设计者的思想才奇妙！

7.参考文献

【1】康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005

【2】康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005

【3】郭天祥51单片机C语言教程．北京:

电子工业出版社，2010年10月

【4】张崇，于晓琳，刘建平．无线收发一体芯片nRF2401及其应用,2004年

【5】刘强,甘永梅,王兆安.电子技术应用,2001（9）

【6】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京航空航天大学出版社，2006

【7】赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例,北京．人民邮电出版社．2003

附录1

实用低频功率放大器测评表

组号：

低年级组□高年级组□最后得分：

成员：

测评教师：

项目

指标要求

测量结果

满分

得分

测点

条件

结果

说明

低年级组

高年级组

基本要求

输出功率

（1）POR≥10W

ui

f

uo、波形

5mV

500Hz

uo=22V

各测试点输出电压uo大于12.6V为合格。

100mV

500Hz

uo=29.6V

700mV

uo=26.6V

功率带宽

（1）BW=100Hz~10kHz

（2）RL=8Ω（一端接地）

（3）波形无明显失真

50Hz

uo=19.4V

各测试频率点输出电压差值小于3dB，波形无明显失真。

uo=19.8V

5kHz

uo=20.2V

10kHz

uo=20V

失真系数

（1）在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%

失真系数、波形

0.32%

可采用失真度仪测量失真系数，正弦波形无明显失真

0.44%

0.56%

功放效率

（1）在POR下的效率≥55%；

uo、系统供电功率

uo=19V

Us=18VIs=1.5A

0.56

功放输出功率除以电源供电功率高于0.55为合格。

系统噪声

（1）在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW

RL

uo

输出噪声电压有效值小于9V

接地

8Ω

uo=400mV

发挥部分

方波产生电路

（1）频率为1000Hz

（2）上升时间≤1μs

（3）峰-峰值电压为200mVpp

f、t、uo

1kHz

f=1.00092kHz

t=1us

uo=200mV

采用示波器测量

输入上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，输出功率POR≥10W；

uo=24.6V

uo=16.4V

uo=15.8V

uo=__16_V_______

输出波形上升下降时间

输出波形上升时间和下降时间≤12μs

POR

≥10W

上升时间：

2.6us

下降时间：

2.7us

顶部斜率

输出波形顶部斜降≤2%

3.9%

按给定方法测量，记录详细过程数据

过冲量

输出波形过冲量≤5%

0.8%

其他

酌情给分

发挥部分得分

报告得分

附录2

器材清单表

器件名

规格

数量（个）

LM1875

--

1

NE5532

---

2

LM339

稳压芯片

7818、7918

瓷片电容

30pF

4

二极管

IN4007

8

104

排插

——

若干

发光二极管

插座

电解电容

10uF/50V

3300uF/50V

杜邦线

100uF/25V

4.7uf/25V

1uf/50v

47uf/50v

电阻

104/103

电位器

10kΩ

5