09电赛低频功率放大器.doc

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1、低频功率放大器摘要：本系统采用MSP430系列单片机通过对真有效值转换电路输入的数据计算显示实用功率、整机功率、整机效率，NE5532构成前置放大与电压放大电路获得所需的增益，带阻滤波电路实现50Hz频率点的工频干扰，大功率MOSFET管IRF630与IRF9630组成的低功放电路。各模块紧密联系，达到了题目要求。通频带实现10Hz-50kHz，输入信号幅度降低到3.6mV，输出功率大于5W。单片机的显示精度很高。一方案论证（一）总体方案根据题目要求，我们设计有五个基本电路：1.弱信号前置放大电路2.带阻滤波电路3.功率放大电路4.直流稳压电源电路5.显示电路。其组成框图如下系统框图：Vo输入

2、信号前置放大带阻滤波电压放大功率放大真有效值转换430单片机键盘显示电源功率取样低噪声处理负载功率驱动 （二）方案论证1.弱信号前置放大电路方案一：采用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看来较集成电路灵活。方案二：采用集成芯片AD603程控放大，易实现步进，能放大更小的信号。由AD603的基本增益公式可以看出，以单位为dB 为单位的对数增益和电压之间是线性关系。单片机只要进行简单的线性计算就可以控制对数增益。增益步进也可以很准确地实现。但由于时间紧迫，未能采用此方案。方案三：采用集成运放NE5532多级放大，同

3、众多的运放相比，它具有高精度、低噪声、高速、高阻抗、频带宽等优良性能，具体指标参数为：转换速率9 V/s ，增益带宽积10 MHz，直流增益为10倍，最高工作电压为 20V，这种运放的高速转换性能可大大改善电路的瞬态性能，较宽的宽带能保证信号在低、中、高频段均能不失真地输出，使电路的整体指标大大提高。综上考虑：方案三为最优选择。2.功率放大电路方案一：无输出耦合电容（OCL）的分立元件低功放。分立元件低功放可分为输入级、功率激励级和OCL输出级三部分组成。为保证低频响应电路中采用直接耦合，同时电路中采用互补复合管推挽输出电路，这对提高线性、降低波形失真都有作用。电路中还取消了自举电容，以保证电

4、路的稳定和瞬态响应。方案二：MOSFET低功放电路。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，安全可靠无需加保护措施，而且还有工作频率高、偏置简单等优点。因此用MOSFET功率管设计功放电路既简单又方便。方案三：LM1875构成的集成功率放大电路。集成功放电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数 稳定，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。根据题目要求及比较：方案二为最优选择。二理论分析与设计1.前置信号放大电路前置放大级主要完成小信号电压放大的任务，其

5、失真度和噪声对系统的影响是优先考虑的指标。对于前置放大级的设计，采用集成双运放NE5532。由于第一级前置级增益为：A U1 = ( R2/ R1) = (150 k/ 10 k) =1524 dB ；第二级前置级增益为：A U2 = ( R5/ R4) = (100 k/ 10 k) =1020 dB。考虑到输入信号的变化范围很大，在两级间串一个滑动变阻器来改变整个系统的增益，同时也起到对信号的衰减作用。2.带阻滤波电路带阻滤波电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。题目要求在50Hz频率点输出功率衰减 6dB 。此处采用双T网络的压控电压源构成的二阶带阻滤波电路。

6、滤波电路的参数为：3.VMOS管高效率功率放大电路采取甲乙类VMOS管高效率功率放大电路，集成运放NE5532是一款低噪声优质运放。我们最终选择NE5532和大功率MOSFET管IRF630和IRF9630组成的低功放电路。NE5532担任电压驱动激励级，大功率MOSFET管担任OCL功率放大。调整电位器使两管的静态电流为15mA20Ma左右，即为正常工作状态。我们设计的功率放大电路是一个对称的电路，首先测静态工作点，使功率管的漏极电流在1520mA 范围内，即为正常的工作状态，这时我们才开始加交流信号，进行功率放大电路的调试。关于调试静态工作点，我们反复思考调换电阻 R6，R7，R10，R1

7、1，最终使负载（8的水泥电阻）的端电压几乎为零。其中部分静态工作点如下：Ugsn=4.090V,Ugsp=-3.916V,Id=17.20mA使两管均处于微导通状态。15V稳压管，为的是让输出波形在不失真的前提下尽可能大，以便提高大功率。题目要求在Rl为8欧姆电阻负载条件下输出功率 5W，所以可以算出负载上输出电压的峰值：Vom = = 58) 9V考虑一定功率的管压降，再考虑到电路，我们选择供电电压为15V。4.直流稳压电源电路 本电路输出电压的动态范围大于 9 V，所以放大器供电电源必须是 15V。用普通集成三端稳压电路直接构成稳压电源是难以达到题目提出的输出电压的有效值“ 5mV”的噪声

8、要求。需要在集成三端稳压电路外增加放大环节，才能进一步抑制噪声。三软件设计 程序全部使用C语言编写,可实现同时/分时实用功率、整机功率、整机效率同时/分时显示，能够消隐，可以实现低功耗。流程图：初始化开始ADC12单片机内部计算整机效率A1采集电源负载电路电压测量电路电压转换成电流，计算电源供给功率P=UIA0采集输出电压计算功率显示显示显示结束四测试方案与测试结果1.测量仪器20MHz双踪示波器、带宽为2MHz的毫伏表、数字万用表、直流稳压电源2.调试方法与数据（1）输出功率Po测试用示波器测在10欧电阻负载，输入端短路时示波器波形，测得其峰-峰值电压 0.5Vp-p，则 P = (0.49

9、3/2)/10 = 4.4 mW 。 (2) 带宽BW测试信号输入频率6102010k25k56k功率输出幅值5.76.16.26.26.45.9由表可知, 输人中频幅值为6.2, 则fL和fH对应的幅值为6.20.707=4.4, 所测频率对应的幅值均在fL和fH之上.所以带宽10Hz50kHz（3）交流声功率测试交流声功率:输入端短路时,用晶体管毫伏计测输出端交流电压有效值为4.78 mV ,则P = (4.78 10 - 3 ) 2/ 10 = 22.810 - 6 W =22.8W.（4）整机效率测试 功率放大器的输出功率6.78W与整机的直流电源供给功率11.76W之比：6.78/1

10、1.76 = 57.7%3.主要技术指标分析1.MOSFET管功率放大电路，调节电阻值的匹配，能达到更大的功率。2.在50Hz频率点输出功率衰减 6 dB ，通过改变滑动变阻器的阻值，是输出功率衰减更大3.单片机显示部分能同时/分时显示实用功率、整机功率、整机效率。能够进行消隐，实现低功耗。3结束语：整个系统既存在大信号（功放级），也存在小信号（前置级），所以抗干扰也要引起足够的重视。因为如果功放级的大电流流过公共地线，会产生一个压降。这样就会对前置级产生干抗。因此要采取单点接地的抗干扰措施，即前置级单独用一个地，功放级单独用一个地，最后两地单点接到变压器的公共地上。从实际的制作结果来看，各方面的指标都能够达到要求，并有不同程度的提高，充分证明了该方案的正确性和可行性。由于使用单片机编程实现，结果精度较高，易于控制。因比赛时间有限，该系统还有好多值得改进的地方。附件：其他电路原理图 负载取样整机功率测试电路 C主程序：for(i=0;i 8 ; y=y*2500/4095; for(j=0;j 8 ; z=z*2500/4095; q=z*2475; /整机功率 n=(y*y)*9/100; /输出功率 m= (n*1000000)/q;/整机效率 第 8 页