实用低频信号发生器.docx

1、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5010kHz之间，幅值在5700mV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 NE5532 LM1875 1

2、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（5700）mV，等效负载电阻RL为8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR10W； 带宽BW（5010000）Hz； 在POR下和BW内的非线性失真系数3%； 在POR下的效率55%； 在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8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 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1s、峰-

3、峰值电压为200mVpp。用上述方波激励放大通道时，在RL=8下，放大通道应满足： 额定输出功率POR10W；带宽BW（5010000）Hz； 在POR下输出波形上升时间和下降时间12s； 在POR下输出波形顶部斜降2%； 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

4、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

5、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

6、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

7、，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

8、电阻分压得到要求的正负对称的峰一峰值为200 mV 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

9、率计算因为设计要求在8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（5700）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=01倍。整机增益为Av=Av1Av2Av3=36820(01)=073

10、60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

11、。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

12、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

13、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，ADS1102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20Hz20kHz之间变化，用示波器测量8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，ADS1102型双通道数字存储

14、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，ADS1102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8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, 0.8

15、A，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，ADS1102型双通道数字存储示波器。测量方法：测量8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U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

16、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

17、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

18、，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,

19、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) POR10Wuifuo、波形5mV500 Hzuo = 22V 各测试点输出电压 uo 大于12.6V为合格。100mV500Hzuo = 29.6V 700mV500Hzuo = 26.6V 功率带宽

20、(1) BW =100Hz10kHz(2) RL= 8 (一端接地)(3) 波形无明显失真fuiuo、波形50Hz100mVuo = 19.4V 各测试频率点输出电压 差值小于3dB，波形无明显失真。500Hz100mVuo = 19.8V 5kHz100mVuo = 20.2V 10kHz100mVuo = 20V 失真系数(1) 在POR下和BW内的非线性失真系数3%fui失真系数、波形50Hz100mV0.32%可采用失真度仪测量失真系数，正弦波形无明显失真500Hz100mV0.32%5kHz100mV0.44%10kHz100mV0.56%功放效率(1)在POR下的效率55%；fui

21、uo、系统供电功率500Hz100mVuo = 19V Us=18V Is=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=8上的交流声功率10mWuiRLuo输出噪声电压有效值小于9V接地8uo = 400mV 发挥部分方波产生电路(1) 频率为1000Hz(2) 上升时间1s(3) 峰-峰值电压为200mVppfuif、t、uo1kHz100mVf = 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=8下，输出功率POR10W；带宽BW（501000

22、0）Hz；fuiuo、波形50Hz100mVuo = 24.6 V 500Hz100mVuo = 16.4 V 5kHz100mVuo = 15.8 V 10kHz100mVuo =_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12sPORRLuo10W8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%10W83.9%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%10W80.8%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）LM1875-1NE5532-2LM339-1稳压芯片7818、79182瓷片电容30pF4二极管IN40078瓷片电容1044排插若干发光二极管2插座若干电解电容10uF/50V4瓷片电容若干电解电容3300uF/50V2杜邦线若干电解电容100uF/25V2电解电容4.7uf/25V1电解电容1uf/50v1电解电容47uf/50v2电阻104/103若干电位器10k5