85低频功率放大器.docx
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85低频功率放大器
8.5低频功率放大器题目:
8.5.1设计要求
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MOS晶体管。
1.基本要求
(1)当输入正弦信号电压有效值为5mV时,在8Ω电阻负载(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。
(4)输出噪声电压有效值V0N≤5mV。
(5)尽可能提高功率放大器的整机效率。
(6)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)在通频带内低频功率放大器失真度小于1%。
(3)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。
(4)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。
(5)其他。
3.说明
(1)不得使用MOS集成功率模块。
(2)本题输出噪声电压定义为输入端接地时,在负载电阻上测得的输出电压,测量时使用带宽为2MHz的毫伏表。
(3)本题功率放大电路的整机效率定义为:
功率放大器的输出功率与整机的直流电源供给功率之比。
电路中应预留测试端子,以便测试直流电源供给功率。
(4)发挥部分(4)制作的带阻滤波器通过开关接入。
(5)设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。
完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。
4.评分标准
评分标准如表8.5.1所示。
表8.5.1评分标准
设计报告
项目
主要内容
满分
系统方案
总体方案设计
4
理论分析与设计
电压放大电路设计
输出级电路设计
带阻滤波器设计
显示电路设计
8
电路与程序设计
总体电路图;工作流程图
3
测试方案与测试结果
调试方法与仪器
测试数据完整性
测试结果分析
3
设计报告结构及规范性
摘要;设计报告正文的结构
图表的规范性
2
总分
20
基本要求
实际制作完成情况
50
发挥部分
完成第
(1)项
10
完成第
(2)项
10
完成第(3)项
15
完成第(4)项
10
其他
5
总分
50
8.5.2系统方案设计
根据竞赛试题要求,所设计的低频功率放大器由以下几部分组成:
稳压电源、阻抗匹配、前置放大、低通滤波、功率放大和单片机最小系统。
系统方框图如图8.5.1所示。
图8.5.1系统方框图
8.5.3电压放大电路设计
当输入正弦信号电压有效值为5mV时,在8Ω电阻负载(一端接地)上,输出功率≥5W,输出波形无明显失真,故由Uout2=Pout*R=5*8=40得Uout=6.33V,则Av=Uout/Uin=6.33/0.005=1266,所以电压放大电路至少需要1266倍的放大,考虑到理论和实际的差别及设计的要求,在这里取放大倍数为1300~2000,并通过三级NE5532运算放大器电路来实现。
对于低通滤波电路,根据设计的基本和发挥部分的要求,低通滤波器的频带宽度设计为10Hz~50kHz,本设计中低通滤波器的设计采用RC有源滤波来实现,并置入前置放大电路之中。
由于放大电路是由三级放大电路构成,每一级结构基本相同,第三级放大器电路如图8.5.2所示,整个三级放大电路如图8.5.3所示。
图8.5.2第三级放大器电路
在此电路中由RC,CC构成低通滤波电路,考虑到频带宽度为10Hz~50kHz,根据fp=1/(2pi*RC*CC)=50kHz,我们取CC=0.1uF,计算出RC=31.8Ω,取标称值RC=33Ω。
C19、C20、C21、C22、C23、C24为电源退耦电容,若取值过大会造成电源自激,这里其值分别取为0.1uF和1uF。
R06、RK4、R07构成放大电路,若JPP7的1脚与JPP6连接电路增益为AV=Uo/Ui=(RK4+R06)/R06=21,若JPP7的2脚与JPP6连接则电路增益为AV=Uo/Ui=(R07+R06)/R06=11。
在第三级电路中,采用跳线连接的方式来改变电路增益,其它两级电路中也采用相同的方式来调节电路增益,使之满足电压放大倍数的要求。
电路原理图:
PCB图:
补充完整的三级放大器电路的原理图和PCB图以及元器件布局图(即丝印图),如果没有PCB图也需要画一个元器件的布局图和连线图
图8.5.3三级放大器电路原理图以及PCB图
8.5.4输出级电路设计
根据设计要求,末级功放管采用分立的大功率MOS晶体管来实现,且满足当输入正弦信号电压有效值为5mV时,在8Ω电阻负载(一端接地)上,输出功率≥5W,由Uout2=Pout*R=5*8=40得Uout=6.33V,故要求输出电压有效值不小于6.33V,电路如图8.5.4所示。
PCB图:
补充PCB图以及元器件布局图(即丝印图),如果没有PCB图也需要画一个元器件的布局图和连线图
图8.5.4输出级电路原理图以及PCB图
在输出电路中,采用了13个二极管串联的方式接入电路,采用硅二极管,导通电压为VD=13*0.7=9.1V,配合电阻R9的接入使CMOS两个对管处于微导通状态,电阻R9也可以采用可变电阻器,可以对CMOS两个对管的静态工作点进行调节,这里取R9=1kΩ。
电阻R3、R4、R5、R6对称接入电路用来调节CMOS两个对管的静态工作点,R5、R6用于改善静态工作点,减少交越失真,C1、C2、C3、C15、C16用来滤波,L和RL组成的选频电路对输出信号进行低通滤波,最后信号加载在8Ω电阻负载上输出,实现功率放大。
3.带阻滤波器的设计
带阻滤波器在本设计中属于发挥部分的内容,它可以通过开关接入电路,其电路如图8.5.5所示。
在本设计中是通过短路帽的切换来实现带阻滤波器的接入。
补充PCB图以及元器件布局图(即丝印图),如果没有PCB图也需要画一个元器件的布局图和连线图
图8.5.5带阻滤波器电路
带阻滤波器电路采用的是二阶无限增益多路反馈带阻滤波电路形式,根据设计要求BW=ωH-ωL=20Hz,则Q=ωo/BW=50/20=2.5,由fc=50Hz时取C=C1=C2=1μF,则对应参数K=100/fcC=2。
经计算得,R1=3.98KΩ,取标称值3.9KΩ;R2=1.52KΩ,取标称值1.5KΩ;R3=2KΩ;R4=16KΩ;R5=4KΩ;取带阻滤波器的增益AV=2,则R6=AVR3=4KΩ。
为了使中心频率稳定在50Hz且该频率点输出功率衰减≥6dB,我们调整了元件参数R2=750Ω,达到了比较好的效果。
8.5.5显示电路
根据设计基本要求,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,故需要对功率放大器输出电压,直流电源电压和电流进行采样,再通过A/D转换将采样值送入单片机编程,通过显示器显示出来。
显示电路采用LCD12864液晶显示器来实现。
单片机根据输入的数字信号经过编程得到相应的输出量,从P0口、P2口的低三位输出,与LCD12864液晶显示器的4~14脚连接,电路如图8.5.6所示。
图8.5.6显示电路
8.5.6功率测量电路设计
通过如图8.5.7所示直流电源电路,首先进行电流采样,双15V电源经过1Ω电阻取样后将电流转换为电压,从X1端输出,并通过8选1模拟开关CC4051接入AD574,经AD574后输出的数字信号输入单片机,同时直流电源电压经模拟开关CC4051接入AD574采样送入单片机,通过编程,从显示器上可读出直流电源的供给功率。
相关电路原理图参见附录四。
补充相关电路、PCB图以及元器件布局图(即丝印图),如果没有PCB图也需要画一个元器件的布局图和连线图
图8.5.7电源功率测量电路
在本电路中,我们取R1=R2=R3=R4=10KΩ,通过运算放大器电路来实现对电源正端电流的采样,同理取R5=R6=R7=R8=10KΩ,通过运算放大器电路来实现对电源负端电流的采样,之后取R9=R10=R11=R12=10KΩ,通过运算放大器构建加法器电路,得到电源总的电流采样值。
输出信号功率测量,功放输出信号通过AD637进行真有效值转换后,经模拟开关CC4051接入AD574采样送入单片机,并送液晶进行显示。
如图7所示,AD637构成真有效值AC/DC转换电路,图中的C26是输入电容,C29是平均电容,用来设计平均时间常数,并且决定低频准确度输出波纹稳定时间。
交流信号从AD637的第12脚输入,转换后的有效值电压通过AD637的第14脚输出。
补充清晰的电路图、PCB图以及元器件布局图(即丝印图),如果没有PCB图也需要画一个元器件的布局图和连线图
图8.5.8功放输出级输出电压有效值转换电路
8.5.7单片机最小系统
单片机最小系统是单片机能正常工作的基础,本系统采用AT89S52单片机,AT89S52是一种低功耗,高性能的CMOS8位微型计算机,系统由单片机、时钟电路、复位电路组成,如图8.5.9所示。
补充清晰的电路图、PCB图以及元器件布局图(即丝印图),如果没有PCB图也需要画一个元器件的布局图和连线图
图8.5.9单片机最小系统
8.5.8程序设计
软件主要由功能键组成,功能的选定都由按键完成,功能键相互独立,具有很好的交互性。
按键主要由测量显示键、返回键,两个功能键组成。
并且按键具有重复,按键的功能,当按下某一键不放时,将重复响应此键,操作很方便。
主程序流程图如图8.5.10所示,程序清单如下。
图8.5.10主程序流程图
程序清单
主源程序:
#include
#include
#include"LCD12864P.C"
#include"KEY.H"
/********************************************************
**端口定义声明专区**
********************************************************/
#defineADCOMXBYTE[0xFF7C]//使A0=0,R\C=0,CS=0;
#defineADLOXBYTE[0xFF7F]//使A0=1,R\C=1,CS=0;
#defineADHIXBYTE[0xFF7D]//使A0=0,R\C=1,CS=0;
sbitr=P3^0;//读
sbitw=P3^1;//写
sbitadbusy=P2^7;//忙
sbitAA=P2^6;//测量切换控制端A
sbitBB=P2^4;//测量切换控制端B
/********************************************************
**函数声明专区**
********************************************************/
uintad574(void);//AD574采样子程序
voidCSCGL(void);//测量负载输出功率
voidCGJGL(void);//测量电源供给功率
voidCZJXL(void);//测量整机效率
voidjiemian(void);//界面子程序
/********************************************************
**数据定义专区**
********************************************************/
ucharSCGL[]={"0.0000W"};//负载输出功率缓存区
ucharGJGL[]={"0.0000W"};//电源供给功率缓存区
ucharZJXL[]={"0.0000"};//整机效率数据缓存区
floatSCP;//负载输出功率
floatGJP;//电源供给功率
ucharcount;//
voidmain(void)
{
ucharworkcode;//键盘扫描码
TMOD|=0X01;//选择定时器0工作在模式1,即16位定时器
TH0=(65536-49000)/256;//装49ms的初值
TL0=(65536-49000)%256;
ET0=1;//开定时器0中断
EA=1;//开总中断
init_12864();//液晶初始化
Clean_12864_GDRAM();//先清完所有显示
photodisplay(Photo);//显示界面
TR0=1;
while
(1)
{
workcode=jianmazhi();//判键
if(workcode==13)//测量显示
{
TR0=1;count=0;AA=1;BB=1;delayms(10);
CSCGL();AA=1;BB=1;delayms(10);CGJGL();AA=1;
BB=1;delayms(10);CZJXL();AA=1;BB=1;
delayms(10);r=1;w=1;jiemian();
}
if(workcode==15)//返回主界面
{
TR0=1;count=0;
Clean_12864_GDRAM();//先清完所有显示。
Clean_12864();//清屏
photodisplay(Photo);//显示主界面
}
if(workcode==0)
{
AA=0;BB=0;
}
if(workcode==1)
{
AA=1;BB=0;
}
if(workcode==2)
{
AA=0;BB=1;
}
if(workcode==3)
{
r=1;w=1;
write_12864_cmd(0x34);
write_12864_cmd(0x08);
}
if(workcode==4)
{
r=1;w=1;
write_12864_cmd(0x34);
write_12864_cmd(0x0c);
}
if(workcode!
=14&&workcode!
=15)
{
TR0=1;
}*/
}
}
/*********************************************************
**函数名称:
uintad574(void)
**功能描述:
AD574转换函数
**输 入:
无
**输出:
**全局变量:
无
**调用模块:
无
**说明:
**注意:
********************************************************/
uintad574(void)
{
r=0;//产生CE=1
w=0;
ADCOM=0;//启动转换
while(adbusy==1);//等待转换结束
return((uint)(ADHI<<4)+(ADLO&0x0F));//返回十二位采样值
}
/*********************************************************
**函数名称:
voidCSCGL(void)
**功能描述:
测量输出功率函数
**输 入:
无
**输出:
**全局变量:
无
**调用模块:
无
**说明:
**注意:
********************************************************/
voidCSCGL(void)
{
uintidataresult;
floatU;floatP;
AA=0;
BB=1;//Y2>>Z;
delayms(10);result=ad574();
U=0.002442*result-4.955;//负载电压值得测量
U=U*7.65;
P=U*U/8;//P=U^2/R;衰减了6倍;
SCP=P;P=P+0.00005;
if(P<10)
{
SCGL[0]=(uint)P%10+0x30;//将数据存入缓存区
SCGL[1]=0x2e;
SCGL[2]=(uint)(P*10)%10+0x30;
SCGL[3]=(uint)(P*100)%10+0x30;
SCGL[4]=(uint)(P*1000)%10+0x30;
SCGL[5]=(uint)(P*10000)%10+0x30;
}
else
{
P=P+0.00045;
SCGL[0]=(uint)(P/10)%10+0x30;//将数据存入缓存区
SCGL[1]=(uint)P%10+0x30;
SCGL[2]=0x2e;
SCGL[3]=(uint)(P*10)%10+0x30;
SCGL[4]=(uint)(P*100)%10+0x30;
SCGL[5]=(uint)(P*1000)%10+0x30;
}
}
/*********************************************************
**函数名称:
voidCGJGL(void)
**功能描述:
测量供给功率函数
**输 入:
无
**输出:
**全局变量:
无
**调用模块:
无
**说明:
**注意:
********************************************************/
voidCGJGL(void)
{
uintidataresult;
uinti;floatU0;floatU;floatI;floatP;
U0=0;
for(i=0;i<10;i++)
{
AA=0;
BB=0;//Y0>>Z;
delayms(10);result=ad574();
U=0.002442*result-4.955;//电压值的测量
U0=U0+U;
}
U=U0/10;delayms(10);AA=1;
BB=0;//Y1>>Z;
delayms(100);result=ad574();
I=0.002442*result-5;//电流值的测量
P=3*U*I/0.9;//P=U*I;衰减了3倍;
GJP=P;P=P+0.00005;
if(P<10)
{
GJGL[0]=(uint)P%10+0x30;//将数据存入缓存区
GJGL[1]=0x2e;
GJGL[2]=(uint)(P*10)%10+0x30;
GJGL[3]=(uint)(P*100)%10+0x30;
GJGL[4]=(uint)(P*1000)%10+0x30;
GJGL[5]=(uint)(P*10000)%10+0x30;
}
else
{
P=P+0.00045;
GJGL[0]=(uint)(P/10)%10+0x30;//将数据存入缓存区
GJGL[1]=(uint)P%10+0x30;
GJGL[2]=0x2e;
GJGL[3]=(uint)(P*10)%10+0x30;
GJGL[4]=(uint)(P*100)%10+0x30;
GJGL[5]=(uint)(P*1000)%10+0x30;
}
}
/*********************************************************
**函数名称:
voidCZJXL(void)
**功能描述:
测量整机效率函数
**输 入:
无
**输出:
**全局变量:
无
**调用模块:
无
**说明:
**注意:
********************************************************/
voidCZJXL(void)
{
floatP;
P=SCP/GJP+0.00005;//本题功率放大电路的整机效率定义为:
功率放大器的输出功率与整机的直流电源供给功率之比。
ZJXL[2]=(uint)(P*10)%10+0x30;//将数据存入缓存区
ZJXL[3]=(uint)(P*100)%10+0x30;
ZJXL[4]=(uint)(P*1000)%10+0x30;
ZJXL[5]=(uint)(P*10000)%10+0x30;
}
/*********************************************************
**函数名称:
voidjiemian(void)
**功能描述:
界面函数,采样完后显示。
**输 入:
无
**输出:
**全局变量:
无
**调用模块:
无
**说明:
**注意:
********************************************************/
voidjiemian
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