低頻功率放大器的設計與制作

低頻功率放大器設計與制作報告院（系）：機械與電子工程學院題目:低頻功率放大器的設計與制作班級：學生姓名：指導老師：時間：★工作進度安排和小組成員分工情況:（***主要是負責硬件部分，***主要負責軟件部分）一：5月30號，接到賽題后，小組成員開會討論決定設計方案并初步規(guī)劃出設計思路與步驟。二：第二天，5月31號，小組分工在電腦軟件上設計出各個模塊的仿真圖。***負責設計電源模塊和功率放大模塊的設計與仿真驗證，***負責前級放大器、波峰檢測以及阻帶濾波器的設計與仿真驗證。三；第三天上午，小組討論決定最終可行方案，并整合各個模塊統(tǒng)一軟件調試；下午繼續(xù)開會討論決定最終的整機電路圖并在網(wǎng)上購買相應的元器件。四：在等待元器件到來的同時，小組成員中***作相應的A/D轉換編程與相應的軟件仿真，***就繼續(xù)軟件調試整機的仿真的效果，以達到最好的效果。五：元器件還沒到，小組成員中***繼續(xù)做顯示模塊的編程仿真與調試。六：端午節(jié)3天時間，小組成員都回家了，作品制作工作停一下，直到6號回來繼續(xù)作品的制作。七：6號***焊接完電路后，隊員即刻進入到緊張的調試中，***主要負責各個模塊的實物調試，***負責記錄數(shù)據(jù)并配合實物調試。八：調試工作繼續(xù)進行中……..直到七號晚上，由于交作品時間（8號）的到來，我們的調試工作結束了，轉而寫實驗設計報告。雖然有些模塊沒能很好的調試，但我們盡了各個隊員的努力，都收獲甚多。摘要本文介紹了一種基于NE5532而設計的低頻功率放大器。由直流穩(wěn)壓電源，前置放大器，功率放大器，帶阻電路，峰值檢測和數(shù)據(jù)采集顯示六個模塊組成。直流穩(wěn)壓電源主要由15V雙電源與LM317與LM337，7805構成可輸出正負15V電壓和5V電壓，分別為功率放大器和顯示模塊提供所需電壓。前置放大器為兩級放大，構成一個帶通放大器。功率放大器由BD139和BD140三極管構成OCL電路。帶阻電路用于濾除電源公共頻率。峰值檢測將負載輸出穩(wěn)定電壓并將電壓降低至5V以下。液晶顯示模塊顯示結果。主要功能是將20HZ~20KHZ的小信號放大，輸出功率大于5W，并將系統(tǒng)的輸出功率，直流電壓輸出功率，整機效率顯示出來。關鍵詞：功率放大器，三極管，NE5532，OCLDesignandapplicationofthelowFrequencypoweramplifierAbstractOCL任務要求一、任務設計并制作一個低頻功率放大器，要求末級功放管采用分立的大功率雙極型晶體管（三極管）。二、要求1．基本要求（1）當輸入1KHz正弦信號電壓幅度為15mV時，在8Ω電阻（或喇叭）負載（一端接地）上，輸出功率≥5W，輸出波形無明顯失真。（2）通頻帶為20Hz～20kHz。（3）輸入電阻為600Ω左右。（4）盡可能提高功率放大器的效率。（5）具有測量并顯示低頻功率放大器輸出功率(正弦信號輸入時)、直流電源的供給功率和整機效率的功能，測量精度優(yōu)于5%。2.發(fā)揮部分（1）低頻功率放大器通頻帶擴展為10Hz～50kHz。（2）在滿足輸出功率≥5W、通頻帶為20Hz～20kHz的前提下,盡可能降低輸入信號幅度。（3）設計一個帶阻濾波器，阻帶頻率范圍為40～60Hz。在50Hz頻率點輸出功率衰減≥6dB。（4）其他。三、說明1．功率放大部分不得使用功率集成塊。2．功率放大電路的通頻帶、輸入電阻請參考《模擬電子技術基礎》第四版（華成英童詩白主編）第2章（或參考其它模擬電子技術）。3．功率放大電路的效率定義請參考《模擬電子技術基礎》第四版（華成英童詩白主編）第9章（或參考其它模擬電子技術）。4．電路中應預留測試端子，以便測試直流電源供給功率。5．設計報告正文中應包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要的測試結果。完整的電路原理圖用附件給出。6、設計報告注明工作進度安排和小組成員分工情況。目錄一、緒論 11.1系統(tǒng)背景 1二、系統(tǒng)電路設計 12.1系統(tǒng)總體方案 12.3單元電路設計 22.3.1前置放大器的分析與設計 22.3.2功率放大級的設計 32.3.3帶阻濾波器的分析與設計 52.3.4峰值檢測 62.3.5穩(wěn)壓直流電源的設計 72.3.6顯示模塊 8三、軟件設計 83.1系統(tǒng)流程圖 83.2相關算法 93.2.1輸出功率計算 93.2.2電源輸出功率計算 93.2.3整機效率計算 10四、測試方法與結果分析 104.1測試儀器 104.3放大倍數(shù)的測試 104.4輸入電阻的測試 114.5通頻帶的測試 114.6低頻功率放大器效率測試 12五、總結 135.1實驗結果 135.2改進意見 13附錄 14附錄一功率放大器電路原理圖 14附錄二液晶顯示PORTUES仿真圖 15附錄三顯示程序 15參考文獻 23一、緒論1.1系統(tǒng)背景功率放大器是的作用主要是給負載提供所需要的功率，它不僅僅是音頻設備中必不可少的器件，同時在測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中也有廣泛的應用。低頻功率放大器已經(jīng)是一個相當成熟的技術。幾十年來，無論是從線路技術和元器件方面，乃至思想方面都有很大的進步。它可以由集成元件構成，也可以由分立元件構成。集成功率放大器具有功放體積模塊小，性能優(yōu)越，外圍電路簡單，制作簡單，易調試，保護功能齊全。而用分立元件制作，如果精心設計，則在效率和失真方面要遠遠優(yōu)于集成功放。二、系統(tǒng)電路設計2.1系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)由前置放大器，帶阻濾波器，功率放大級，峰值檢測，數(shù)據(jù)采集及液晶顯示等構成。其中，前置放大級有NE5532夠成的兩級放大電路組成，可選擇通過帶阻濾波器將40~60HZ的信號衰減，通過NE5532和有功率三極管構成的放大電路放大輸出，經(jīng)過A\D采樣電路收集數(shù)據(jù)，單片機分析計算，通過顯示電路顯示。系統(tǒng)方框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)方框圖2.3單元電路設計2.3.1前置放大器的分析與設計前置放大器主要完成小信號電壓放大的任務，其失真度和噪聲影響是優(yōu)先考慮的指標。同時也起對信號的衰減作用。為此我們選用NE5534，NE5534的主要特性：等效輸入噪聲電壓3.5nV/,頻率帶寬10MHZ，高轉換速率13V/uS,較寬電壓圍正負3V到正負20V，同時有可外在補償?shù)哪芰Q\o\ac(○,1)。圖2-3(a)前置功率放大器圖2-3(b)1kHZ時仿真圖形在前置放大電路中，第一級采用電壓并聯(lián)反饋解法，可以增加共模抑制比，可提高抗干擾能力。第二級放大總體來說是個帶通放大電路，當有信號時，電容C1與電阻R7構成高通電路2.3.2功率放大級的設計功率放大電路往往要求其驅動負載能力較強，從能量控制和轉換的角度來看，功率放大器電路與其他放大電路在本質上沒有根本區(qū)別。只是功率放大既不是單純的要求輸出高電壓，也不是單純的要求輸出大電流，而是追求電源電壓穩(wěn)定的情況下，輸出盡可能大的功率。功率放大電路的主要任務是：在允許的失真限度內，盡可能高效率地向負載提供足夠大的功率。因此，功率放大電路的電路形式、工作狀態(tài)、分析方法等都與小信號放大電路有所不同.對功率放大電路的基本要求是：(1)輸出功率要大。輸出功率PO=UO×IO，要獲得大的輸出功率，不僅要求輸出電壓高，而且要求輸出電流大。因此，晶體管工作在大信號極限運行狀態(tài)，應用時要考慮管子的極限參數(shù)。注意管子的安全。(2)效率要高。放大信號的過程就是晶體管按照輸入信號的變化規(guī)律，將直流電源提供的能量轉換為交流能量的過程，其轉換效率為負載上獲得的信號功率和電源供給的功率之比值。功放級電路主要用一對BD139和BD140三極管（推動管）組成，加上末級的兩個2N2222組成。對管的選擇主要考慮其參數(shù)的對稱性。一般輸出管的電壓增益β在40左右。圖2-4(a)功率放大級電路圖圖2-4(b)功率放大級仿真結果2.3.3帶阻濾波器的分析與設計輸入電壓同時作用于低通濾波器和共同濾波器就構成了帶阻濾波器。設低通濾波器f1應低于高通濾波器f2，帶阻濾波器能衰減f1~f2之間的信號。放大器選擇OP07。帶阻濾波器主要用于濾除公頻干擾。下圖為所設計的二階濾波器。圖2-5(a)帶阻濾波器頻率特性圖2-5(b)40~60HZ帶阻濾波器2.3.4峰值檢測峰值檢測電路是為了將整流分壓后所得到的電壓曲線取得最大峰值，從而為先一步計算提供條件。峰值檢測電路（PKD，PeakDetector）的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產(chǎn)生輸出Vo=Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復位。圖2-6(a)峰值檢測仿真圖圖2-6(b)峰值檢測仿真結果2.3.5穩(wěn)壓直流電源的設計考慮管壓降等因素，選擇雙12V的變壓器，經(jīng)整流濾波可等17V。為了提高效率，功放級電壓直接由整流濾波電路提供(電路途中B，C兩個輸出點)，減小了在穩(wěn)壓片處的能量損失。電路有集成穩(wěn)壓器LM317和LM337構成。電源經(jīng)4700uF電解電容并上47uF和0.1uF的電容，濾掉不同頻率的干擾后輸出，輸出電壓直流性能良好。圖2-7直流穩(wěn)壓電源2.3.6顯示模塊顯示模塊有數(shù)據(jù)采集與處理和液晶顯示兩部分組成。其中數(shù)據(jù)采集有ADC0832構成A/D轉換電路完成數(shù)據(jù)采集，并通過89C52單片機對數(shù)據(jù)分析處理，最后由1602液晶顯示器將輸出功率，直流電源功率，整機效率顯示在液晶屏上。三、軟件設計3.1系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)軟件流程圖如下，主程序主要是將A/D轉換的數(shù)據(jù)采集，通過單片機計算，最終顯示在液晶板上。圖3-1系統(tǒng)流程圖3.2相關算法為簡化程序，采用C語言編程，設置輸出電阻為固定參數(shù)，通過功率相關計算公式可分別得出，輸出功率，電源輸出功率，整機效率。3.2.1輸出功率計算可由公式計算得出。3.2.2電源輸出功率計算可由公式計算獲得3.2.3整機效率計算可由公式計算獲得四、測試方法與結果分析整個系統(tǒng)測試時，分部分測試，首先調試電源，然后是前級放大器，功率放大器，最后再整體測量。4.1測試儀器測試使用的儀器設備如表4.1所示。表4.1測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量1信號發(fā)生器12示波器13數(shù)字萬用表14.3放大倍數(shù)的測試放大倍數(shù)測量：使用信號發(fā)生器接入輸入端，將示波器的兩個探頭分別接輸入和輸出端。測試數(shù)據(jù)如表4.3。表4.3放大倍數(shù)的測定輸入信號\mV10152050率放大級輸出\V1724.62830電壓放大倍數(shù)170016401400600測試結果分析：由圖表可以看出隨著輸入信號的增加電壓放大倍數(shù)減小，這是因為器件自身的內部消耗造成的，當輸入信號有效值為15mV，滿足輸出大于或等于5W的要求。4.4輸入電阻的測試測試方法：給系統(tǒng)輸入端加不同的直流電壓，分別測輸入電流，按計算輸出電阻。測試數(shù)據(jù)如表4.4。表4.4輸入電阻的測定輸入直流電壓輸入直流電流輸入電阻5V8mA62510V15mA66612V198mA606測試結果分析：實際測量值和理論有一定差距，這可能是由于電阻的值有一定誤差，這是不可避免的。從測試結果分析，滿足輸入電阻為600的要求。4.5通頻帶的測試根據(jù)通頻帶的定義，放大倍數(shù)下降到0.7時的低端頻率和高端頻率范圍稱為放大電路通頻帶。即：BW=fH-fL.圖4-5(a)為通過multisim仿真幅頻響應結果圖中直線所在位置為電壓增益下降3dB時。圖4-5(b)為相頻響應仿真結果。圖4-5(a)幅頻響應仿真圖4-5(b)相頻響應仿真結果分析：由測試數(shù)據(jù)可以看出頻率在中頻端響應相對較好，這主要是因為3dB點式增益回降低一半，從而給電壓放大帶來影響。本設計通頻帶為10HZ~60KHZ左右,滿足題目要求。4.6低頻功率放大器效率測試電源供給的功率按公式計算，輸出功率按公式計算，效率按公式。為最大不失真輸出信號的峰值。測試結果見表4.6。表4.6低頻功率放大器效率測試供給直流電源電壓/V111518電源供給功率/W7.7914.7822.04實際測量輸出功率/W4.679.0914.11理論測量輸出功率/W4.959.5614.78理論效率63.5%64.7%67.1%測量效率60%61.5%64%測量精度3.5%3.2%3.1%測試結果分析：通過測試可得，放大器的效率達到了60%測量精度達到3%左右。誤差是由于存在精確度不高以及在信號傳輸過程中的干擾和損耗造成的。五、總結5.1實驗結果本設計完整的介紹了低頻功率放大器的設計，選用高性能的NE5532運放，保證了足夠大的增益和電壓輸出且性能穩(wěn)定通過給出的實驗數(shù)據(jù)可以看出，本電路具有很好的頻率響應，從測的得帶寬10HZ~60KH左右看出，該功率放大器可以很好的實現(xiàn)對低頻信號的放大。值得注意的是功率放大級與前置放大級應采用分離電源模式的接線放大，否則容易造成干擾。在設計功率放大器的同時應考慮對非線性失真與增益做出認真的思考，這是影響功率放大的最主要的因素。5.2改進意見通過改進電路，可進一步提高整機效率，可通過選擇更好性能的運放及管耗更小的功率管，設計非線性失真更完善的電路；為降低電源，整流管對信號的干擾，應當將整流管，穩(wěn)壓管屏蔽起來；對于雙通道功放，因為左、右通道之間存在串抗，最佳方案是分別用兩套器件。附錄附錄一功率放大器電路原理圖附錄二液晶顯示PORTUES仿真圖附錄三顯示程序#include<reg51.h>//包含單片機寄存器的頭文件#include<intrins.h>//包含_nop_()函數(shù)定義的頭文件sbitCS=P3^4;//將CS位定義為P3.4引腳sbitCLK=P1^0;//將CLK位定義為P1.0引腳sbitDIO=P1^1;//將DIO位定義為P1.1引腳//////////////////////////////////////////////////////////////////unsignedcharcodedigit[10]={"0123456789"};//定義字符數(shù)組顯示數(shù)字unsignedcharcodeStr[]={"Po="};//說明顯示的是輸出功率unsignedcharcodeStr1[]={"Pv="};//說明顯示的是電源功率unsignedcharcodeStr2[]={"n="};//說明顯示的是整機效率/*******************************************************************************以下是對液晶模塊的操作程序*******************************************************************************/sbitRS=P2^0;//寄存器選擇位，將RS位定義為P2.0引腳sbitRW=P2^1;//讀寫選擇位，將RW位定義為P2.1引腳sbitE=P2^2;//使能信號位，將E位定義為P2.2引腳sbitBF=P0^7;//忙碌標志位，，將BF位定義為P0.7引腳/*****************************************************函數(shù)功能：延時1ms(3j+2)*i=(3×33+2)×10=1010(微秒)，可以認為是1毫秒***************************************************/voiddelay1ms(){unsignedchari,j; for(i=0;i<10;i++) for(j=0;j<33;j++) ; }/*****************************************************函數(shù)功能：延時若干毫秒入口參數(shù)：n***************************************************/voiddelaynms(unsignedcharn){unsignedchari; for(i=0;i<n;i++) delay1ms();}/*****************************************************函數(shù)功能：判斷液晶模塊的忙碌狀態(tài)返回值：result。result=1，忙碌;result=0，不忙***************************************************/bitBusyTest(void){bitresult; RS=0;//根據(jù)規(guī)定，RS為低電平，RW為高電平時，可以讀狀態(tài)RW=1;E=1;//E=1，才允許讀寫_nop_();//空操作_nop_();_nop_();_nop_();//空操作四個機器周期，給硬件反應時間 result=BF;//將忙碌標志電平賦給resultE=0;//將E恢復低電平returnresult;}/*****************************************************函數(shù)功能：將模式設置指令或顯示地址寫入液晶模塊入口參數(shù)：dictate***************************************************/voidWriteInstruction(unsignedchardictate){while(BusyTest()==1);//如果忙就等待 RS=0;//根據(jù)規(guī)定，RS和R/W同時為低電平時，可以寫入指令 RW=0; E=0;//E置低電平(根據(jù)表8-6，寫指令時，E為高脈沖，//就是讓E從0到1發(fā)生正跳變，所以應先置"0" _nop_(); _nop_();//空操作兩個機器周期，給硬件反應時間 P0=dictate;//將數(shù)據(jù)送入P0口，即寫入指令或地址 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();//空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=1;//E置高電平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();//空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=0;//當E由高電平跳變成低電平時，液晶模塊開始執(zhí)行命令}/*****************************************************函數(shù)功能：指定字符顯示的實際地址入口參數(shù)：x***************************************************/voidWriteAddress(unsignedcharx){WriteInstruction(x|0x80);//顯示位置的確定方法規(guī)定為"80H+地址碼x"}/*****************************************************函數(shù)功能：將數(shù)據(jù)(字符的標準ASCII碼)寫入液晶模塊入口參數(shù)：y(為字符常量)***************************************************/voidWriteData(unsignedchary){while(BusyTest()==1); RS=1;//RS為高電平，RW為低電平時，可以寫入數(shù)據(jù) RW=0; E=0;//E置低電平(根據(jù)表8-6，寫指令時，E為高脈沖，//就是讓E從0到1發(fā)生正跳變，所以應先置"0" P0=y;//將數(shù)據(jù)送入P0口，即將數(shù)據(jù)寫入液晶模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_();//空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=1;//E置高電平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();//空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=0;//當E由高電平跳變成低電平時，液晶模塊開始執(zhí)行命令}/*****************************************************函數(shù)功能：對LCD的顯示模式進行初始化設置***************************************************/voidLcdInitiate(void){delaynms(15);//延時15ms，首次寫指令時應給LCD一段較長的反應時間WriteInstruction(0x38);//顯示模式設置：16×2顯示，5×7點陣，8位數(shù)據(jù)接口 delaynms(5);//延時5ms，給硬件一點反應時間WriteInstruction(0x38); delaynms(5);//延時5ms，給硬件一點反應時間 WriteInstruction(0x38);//連續(xù)三次，確保初始化成功 delaynms(5);//延時5ms，給硬件一點反應時間 WriteInstruction(0x0c);//顯示模式設置：顯示開，無光標，光標不閃爍 delaynms(5);//延時5ms，給硬件一點反應時間 WriteInstruction(0x06);//顯示模式設置：光標右移，字符不移 delaynms(5);//延時5ms，給硬件一點反應時間 WriteInstruction(0x01);//清屏幕指令，將以前的顯示內容清除 delaynms(5);//延時5ms，給硬件一點反應時間}/**************************************************************************以下是電壓顯示的說明**************************************************************************//*****************************************************函數(shù)功能：輸出功率顯示***************************************************/voiddisplay_Po(void){unsignedchari; 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