低频功率放大器.docx

1、低频功率放大器8.5 低频功率放大器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8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20Hz20kHz。（3）输入电阻为600。（4）输出噪声电压有效值V0N5mV。（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10Hz50kHz。（2）在通频带内低频功率放大器失真度小于

2、1%。（3）在满足输出功率5W、通频带为20Hz20kHz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4060Hz。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

3、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508.5.2 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

4、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8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13002000，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

5、频带宽度设计为10Hz50kHz，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10Hz50kHz，根据fp=1/(2pi*RC*CC)=50 kHz,我们取CC=0.1uF,计算出 RC=31.8，取标称值RC=33。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

6、、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M

7、OS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8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

8、行调节，这里取R9=1k。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8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

9、益多路反馈带阻滤波电路形式，根据设计要求BW=H-L=20Hz,则Q=o/BW=50/20=2.5,由fc=50Hz时取C=C1=C2=1F，则对应参数K=100/fcC=2。经计算得，R1=3.98K,取标称值3.9K；R2=1.52K，取标称值1.5K；R3=2K；R4=16K；R5=4K；取带阻滤波器的增益AV=2,则R6=AV R3=4K。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=750，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

10、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414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1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

11、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=10K，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=10K，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=10K，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

12、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CMOS 8位微型计算机，系统由单片机、时钟

13、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 #includeLCD12864P.C#includeKEY.H/*

14、 * 端口定义声明专区 * */#define ADCOM XBYTE0xFF7C /使A0=0,RC=0,CS=0;#define ADLO XBYTE0xFF7F /使A0=1,RC=1,CS=0;#define ADHI XBYTE0xFF7D /使A0=0,RC=1,CS=0;sbit r=P30; /读sbit w=P31; /写sbit adbusy=P27; /忙sbit AA = P26; /测量切换控制端Asbit BB = P24; /测量切换控制端B/* * 函数声明专区 * */uint ad574( void ); /AD574采样子程序void CSCGL( voi

15、d ); /测量负载输出功率void CGJGL( void ); /测量电源供给功率void CZJXL( void ); /测量整机效率void jiemian( void ); /界面子程序/* * 数据定义专区 * */uchar SCGL = 0.0000W; /负载输出功率缓存区uchar GJGL = 0.0000W; /电源供给功率缓存区uchar ZJXL = 0.0000 ; /整机效率数据缓存区float SCP; /负载输出功率float GJP; /电源供给功率uchar count; /void main( void ) uchar workcode; /键盘扫描码

16、 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

17、; 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 i

18、f( 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 & workco

19、de != 15 ) TR0 = 1 ; */ /* * 函数名称: uint ad574( 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：*/uint ad574( 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 Z ; delayms(10); result = ad574(); U = 0.002442 * result - 4.955 ; /负载电压值得测量 U =

20、 U * 7.65 ; P = U * U / 8 ; /P = U2 / R ; 衰减了6倍; SCP = P ; P = P + 0.00005 ; if( P 10 ) SCGL0 = (uint)P % 10 + 0x30; /将数据存入缓存区 SCGL1 = 0x2e ; SCGL2 = (uint)(P * 10) % 10 + 0x30; SCGL3 = (uint)(P * 100) % 10 + 0x30; SCGL4 = (uint)(P * 1000) % 10 + 0x30; SCGL5 = (uint)(P * 10000) % 10 + 0x30; else P =

21、 P + 0.00045 ; SCGL0 = (uint)(P / 10) % 10 + 0x30; /将数据存入缓存区 SCGL1 = (uint)P % 10 + 0x30; SCGL2 = 0x2e; SCGL3 = (uint)(P * 10) % 10 + 0x30; SCGL4 = (uint)(P * 100) % 10 + 0x30; SCGL5 = (uint)(P * 1000) % 10 + 0x30; /* * 函数名称: void CGJGL( 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

22、意：*/void CGJGL( void ) uint idata result; uint i; float U0; float U; float I; float P; U0 = 0 ; for( i=0;i 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 * resu

23、lt - 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 ) GJGL0 = (uint)P % 10 + 0x30 ; /将数据存入缓存区 GJGL1 = 0x2e ; GJGL2 = (uint)(P * 10) % 10 + 0x30 ; GJGL3 = (uint)(P * 100) % 10 + 0x30; GJGL4 = (uint)(P * 1000) % 10 + 0x30; GJGL5 = (uint)(P * 10000) % 10 + 0x

24、30; else P = P + 0.00045 ; GJGL0 = (uint)(P / 10) % 10 + 0x30; /将数据存入缓存区 GJGL1 = (uint)P % 10 + 0x30; GJGL2 = 0x2e; GJGL3 = (uint)(P * 10) % 10 + 0x30; GJGL4 = (uint)(P * 100) % 10 + 0x30; GJGL5 = (uint)(P * 1000) % 10 + 0x30; /* * 函数名称: void CZJXL( 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

25、块: 无* 说明：* 注意：*/void CZJXL( void ) float P; 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。 ZJXL2 = (uint)(P * 10) % 10 + 0x30; /将数据存入缓存区 ZJXL3 = (uint)(P * 100) % 10 + 0x30; ZJXL4 = (uint)(P * 1000) % 10 + 0x30; ZJXL5 = (uint)(P * 10000) % 10 + 0x30;/* * 函数名称: void jiemian( 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：*/void jiemian( void