实用低频信号发生器.docx
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实用低频信号发生器
作品名称：
实用低频功率放大器设计
系别：
合肥学院电子系10级（3）班
队员姓名：
都平
葛如成
_舒强红
摘要
本设计设计制作的是实用低频功率放大器，由正弦波转化方波电路，前置放大电路，功率放大电路，电源电路等模块组成。
本系统通过信号发生器产生频率在50—10kHz之间，幅值在5—700mV之间的正弦信号，再通过用NE5532组成的三级放大电路，实现电压放大，最后用LM7815实现功率放大。
发挥部分的波形转化，采用LM339芯片实现。
本设计中通过自制直流电源+18V、-18V和+15V、-15V来对电路进行供电。
关键字：
低频放大功率放大NE5532LM1875
1．作品要求
1.1任务
设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。
其原理示意图如下：
图1原理示意图
1.2要求
a．基本要求
（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：
①额定输出功率POR≥10W；②带宽BW≥（50～10000）Hz；
③在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；
④在POR下的效率≥55%；
⑤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。
（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
b．发挥部分
（1）放大器的时间响应
①方波产生：
由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：
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
方案一：
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。
方案二：
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
方案一：
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。
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
方案一：
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。
方案二：
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。
方案三：
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。
测量方法：
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
所用仪器:
毫伏表
测量方法：
将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值
。
测量结果：
测得
33mV。
5.5效率的测试
所用仪器:
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。
测量方法：
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；利用公式
测量结果：
19V,
0.8A，
可得整机效率；
=56%。
5.6失真度测量
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：
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
500Hz
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
f
ui
uo、波形
50Hz
100mV
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。
500Hz
100mV
uo=19.8V
5kHz
100mV
uo=20.2V
10kHz
100mV
uo=20V
失真系数
（1）在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%
f
ui
失真系数、波形
50Hz
100mV
0.32%
可采用失真度仪测量失真系数，正弦波形无明显失真
500Hz
100mV
0.32%
5kHz
100mV
0.44%
10kHz
100mV
0.56%
功放效率
（1）在POR下的效率≥55%；
f
ui
uo、系统供电功率
500Hz
100mV
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
ui
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
ui
f、t、uo
1kHz
100mV
f=1.00092kHz
t=1us
uo=200mV
采用示波器测量
输出功率
输入上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；
f
ui
uo、波形
50Hz
100mV
uo=24.6V
500Hz
100mV
uo=16.4V
5kHz
100mV
uo=15.8V
10kHz
100mV
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
RL
uo
≥10W
8Ω
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%
≥10W
8Ω
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%
≥10W
8Ω
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）
器件名
规格
数量（个）
LM1875
--
1
NE5532
---
2
LM339
--
1
稳压芯片
7818、7918
2
瓷片电容
30pF
4
二极管
IN4007
8
瓷片电容
104
4
排插
——
若干
发光二极管
——
2
插座
——
若干
电解电容
10uF/50V
4
瓷片电容
——
若干
电解电容
3300uF/50V
2
杜邦线
——
若干
电解电容
100uF/25V
2
电解电容
4.7uf/25V
1
电解电容
1uf/50v
1
电解电容
47uf/50v
2
电阻
104/103
若干
电位器
10kΩ
5
升级会员 