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武汉理工大学《专业课程（一）》课程设计说明书 武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书 目 录 1 1. 技术指标 1 1.1 音频功率放大器的简介 1 1.2 技术要求 1 1.3 初始条件 1 1.4 主要任务 1 1.4.1 设计 2 1.4.2 实现方案 2 2. 设计方案及其比较 2 2.1 方案一 3 2.1.1 方案设计原理分析 4 2.2 方案二 4 2.2.1 方案设计原理分析 5 2.3 方案三 6 2.3.1方案设计原理分析 6 2.4 方案比较 6 3. 实现方案 7 3.1 实验所提供的元件清单 7 3.2 实际整体电路图 7 3.3 电路原理分析 7 3.3.1 分压电路 8 3.3.2 前级放大电路 9 3.3.3 后级放大电路 10 4. 调试过程及结论 10 4.1 调试过程 11 4.2 结论 11 5. 心得体会 12 6. 参考文献 音频功率放大器的设计 技术指标 1.1 音频功率放大器的简介 音频功率放大器简称音频功放，它用于放大20Hz~20KHz的音频信号，推动扬声器发声，凡发声的各类消费电子产品都要用到音频功放，比如电话、手机、便携GPS、MP4播放器、电视机、复读机等。 音频功率放大器按工作模式不同可以分为以下几类： 1、Class-A（甲类）放大器-失真最小，静态工作电流最大，效率很低，最大25％ 2、Class-B（乙类）放大器-失真较大，静态工作电流最小，效率较高，最大78％ 3、Class-AB（甲乙类）放大器-失真中等，静态工作电流中等，效率中等，约65％ 4、Class-D（D类）放大器，末级功率管2工作在饱和区，放大脉冲信号，所以也有人称之为数字放大器。这类音频功放效率很高，可达85％以上，所以自身功耗很小，可以不用散热器。 音频功放工作原理：音频功放实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。前置放大主要是完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一集的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻 HYPERLINK "http://www.dzsc.com/product/searchfile/294.html"而得到需要的音频。 1.2 技术要求 (1) 设计一音频功率放大器; (2) 要求输入信号Vi=10mV，频率f=1KHz; (3) 负载电阻为8Ω时，输出功率P0≥2W. 1.3 初始条件 直流可调稳压电源两台，数字示波器一台，万用电表一块，面包板一块，元器件若干，剪刀、镊子等必备工具 1.4 主要任务 1.4.1 设计方案 按照技术要求，提出自己的设计方案（多种，芯片不限）并进行比较； （2） 以功率放大集成电路和运算放大器为主，设计一种简易的音频功率放大器（实现方案）； （3） 依据设计方案，进行预答辩； 1.4.2 实现方案 （1） 根据设计的实现方案，画出电路逻辑图和装配图； （2） 查阅资料，确定所需各元器件型号和参数； （3） 在面包板上组装电路； （4） 自拟调整测试，并调试电路使其达到设计指标要求； （5） 撰写设计说明书，进行答辩。 设计方案及其比较 由实验要求可知，要以功率放大集成电路和运算放大器为主，则可知制作一个音频功率放大电路的总体原理框图可能有如下两种，如图1、图2 图1 原理框图 图2 原理框图 2.1 方案一 设计电路图如图3所示 图3 方案一电路原理图 2.1.1 方案设计原理分析 此方案利用了TDA2030 放大器的反相输出来稳定输出，同时正反馈中来进行放大，并且利用了二极管VD1、VD2 来单向导电，然后在输出端口利用一个电阻和电容的并联关系来选择输出。 在输入端中放置一个电位器（滑动变阻器），以此来选择信号的输入大小，这样就可以避免在电路中因为信号的过强而导致的饱和失真。因此在这里放置的一个滑动变阻器需要一个较大的阻值，以达到分压的目的，所以我们这里选择一个最大值为10K的滑动变阻器。 在集成块TDA2030中正负输入端的两个电阻R1、R2,则是作为一个分压作用，以此对集成块进行电压信号的输入，和反馈中的反馈网络的一部分,这样来进行工作。 在正负工作电压旁接一个电容来抵消工作电流对于电路中的而影响，体现了电容“隔直流，通交流”的特点。这是由于它的阻抗是随电压频率变化所致，可知其阻抗变为了：Zc=1/jwC，不难看出，其阻抗与频率成反比。 在R3构成的负反馈网络中，由于R3>> R2，故在这里是基本上的原样输出，没有进行缩小，因为在输入端口的那里，就已经进行了分压调试。在组成的负反馈的网络中，放大倍数为： Fv(s)=Vo(s)/Vi(s)=R4/R3。 在信号输入端口中，由一个为了隔离直流噪声的电容C1。这个电容是工作在信号源旁， 直接介入输入端，因而需要一个较高的击穿电压的电容，而且电容的取值不能太大，因而定为1uF。同样在工作电压V1和V2的旁边分别有一个旁置电容，这两个电容都是为了隔离直流电源的电流，为了增加它的效率，因而我的电容的容抗取值较小，都是0.1uF。 在选频网络中选择振荡频率为1KHz左右，使用1uF的电容，并配备1KΩ的电阻，最后在输出端并联上一个电阻电容的串联，其中电阻是为了保证输出阻抗比较小，因而取值1Ω，然后电容是为了隔离直流噪声信号，所以不需要太大的容抗，选择了0.22uF，还可以防止在输出端的自激振荡，以造成意外结果。 注：由于电路较为复杂，所以在与其它方案做出比较选出最好的方案后，再对电路各元件做出相应详细计算，并请教老师。 2.2 方案二 设计电路图如图4所示 图4 方案二电路原理图 2.2.1 方案设计原理分析 此方案的前置放大电路（即一级放大电路）由LM353放大器组成，放大倍数为Av=1+R2/R1。所用电源为Vcc=+12V,Vee=-12V。 经过前一级的放大，放大后的输出电压成为下一级的输入电压。下一级为功率放大电路，选用A386型的单片集成功率放大器。其主要特点是：上升随率高、瞬态互调失真小，输出功率较大，外围电路简单，使用方便，体积小，内含各种保护电路，工作安全可靠等。 现在初步设想可以把前级电路的放大倍数定为4，下一级为200，即要在连接电路时把A386的1和8端口短接以达到要求。 当输入电压有效值为10mV时，经过前级放大后变为40mV，再经过后一级放大后变为8V，即最后总输出电压为8V，由：Po=Uo²/RL=8W，可知其满足要求。 注：前后两级电路的放大倍数可以通过调整电阻阻值灵活变换，集体情况可以在发放实物元件后确定。 2.3 方案三 设计电路图如图5所示 图3 方案三电路图 图6 方案三电路图 2.3.1方案设计原理分析 此方案采用的是LM1875功率放大器，通过网上查询发现它的动率放大较TDA2030及TDA2009都大，电压范围为16~60V。其接法与TDA2030相似，也有单双电源两种接法，如图3的单电源接法和图4的双电源接法。 LM1875的单电源供电与双电源供电的基本工作原理相同，不同之处在于：单电源供电时，采用R1、R2分压，取1/2Vcc作为偏置电压，经过R3加到1脚，使输出电压以1/2为基准上下变化，因此可以获得最大的动态变化范围。 但是这两图相比较，双电源供电更直观更理想，所以可以将图4与前两个方案的进行比较。 2.4 方案比较 现在我们来对比上述三种方案，第一种方案电路太过于复杂，各元件的参数不容易计算，而第三种方案中的功放则不常用，而且其功能也不是很清楚，所以第二种方案无疑是比较好的方案。此方案不仅可以达到课程设计的要求，结果比较准确，受外界干扰较小，而且电路简单易懂，所用原件较少，元件参数的大小很容易通过计算确定，实验时也肯定是很容易进行的，更能够有效的减少实验的成本。 所以经过与同组人讨论，最终决定选取第二种方案。 实现方案 经过一番讨论，最终对第二方案作了合理的改动，实现过程具体如下。 3.1 实验所提供的元件清单 (1) 运放及功放：LM386（1片）；LF353（或者OP07）1片 (2) 电容：0.047 uf（1只）；0.1uf(2只)； 10uf（2只）；220 uf（1只）,100 uf（1只） (3) 电阻：10 kΩ(1个)； 30 kΩ（1个）；4.7 kΩ（1个），10Ω（1个）， 20KΩ（1个）；100KΩ（2个） (4) 扬声器：0.25W 8Ω（1个） 3.2 实际整体电路图 设计实际整体电路图如图7所示 图7 实际整体电路图 3.3 电路原理分析 3.3.1 分压电路 因为所给运放与功放容易被大电压大电流损坏，而且考虑到实验室的信号发生器的电压较大，所以采用分压电路来获取所需小输入电压。 由图知：Vi´=Vi×R2/（R1+R2），选取电阻R1=100K,R2=2K,总输入电压Vi≈530mV（Vpp=0.5V×3格），总输入波形如下图8所示 图8 总输入波形 分压电路处理输入信号后得：Vi´≈13.6mV（Vpp≈5mV×7.7格），分压后输出波形如下图9所示 图9 分压后的输入波形 3.3.2 前级放大电路 该级放大电路选用运放LF353，使直流工作电压Vcc=+12V，Vee=-12V。电压放大倍数为:Av=1+R3/R4，选取电阻R3=30K,R4=1OK,则前级输出电压Vo1=Vi´×Av≈54.4mV(Vpp=20mV×5.7格)，其前级输出电压波形如下图10所示 图10 前级输出波形 3.3.3 后级放大电路 该级选用功放LM386,其周围元器件的参数分别为：Vcc=+12V,C1=10uF，C2=220uF，C3=0.1uF，C4=0.1uF，R5=4.7K;各元件作用分别为：电容C1、C2与C4都用于隔直通交，隔离直流噪声；而C3与R5的串联则使输出阻抗小，稳定输出，同时滤除高频电压，防止自激振荡。 由于实际与理论的出入，其1脚和8脚不进行短接，所以放大倍数从200变为20。即后级输出电压为Vo2≈777.9mV（Vpp=0.5V×4.4格），其输出波形（即总输出波形）如下图11所示 图11 后级输出波形 调试过程及结论 4.1 调试过程 调试之前我们小组成员先将电路按原理图连接在面包板上面，由于第一次使用面包板及运放功放等元件，具体接线该怎么接我们还不清楚，所以我们通过网上查询相关资料，获知了相关信息，并顺利的连接好了电路。 调试过程中由于实验室的条件有限，直流工作电源我们与另一组成员共用，并借用了其他小组的电路接线。将外部仪器设备（信号发生器、直流电源、示波器等）都连接好后，我们便开始测波形环节。 由上述总的电路图知共需要测四个点的波形，第一个是总输入电压波形，第二个是分压后的所需要输入电压的波形，第三个是经前级放大后的输出电压波形，第四个是总输出波形（分别如图6、7、8、9）。 整体非常顺利，在测最后的输出波形时碰到一些问题，输出过大，不符合相关理论计算，经过一番检查，我们发现LM386的接线有误，后级输入接口应该接在2脚（可能是由于在测量时不小心造成），仔细检查并纠正错误后，重测总输出波形，达到实验所需结果。 最后我们按要求对波形进行了拍摄，电路在连上了喇叭后，发出了蜂鸣声，对此，我们也做了相关录像。 由于存在误差，并且受到实验元件的限制，实验结果并不是与理论计算结果完全吻合，但是能够验证电路连线的正确性。 4.2 结论 分立元件组成的功放，如果电路选择的好，参数选择的恰当，元件性能优良，设计和调试的好，则整个电路的性能也就优秀。多级电路能够很好的反应各级特点，但是实验时要保证每级电路的正确性，只要一级有错误，则得不到实验所需的正确结果。而且集成功放电路比较成熟，低频性能好，内部设计具有保护电路，可以增加其工作的可靠性，使喇叭噪声比较小，结果较为理想。 本实验经过对方案二作相关调整，并通过对比电路的理论计算与实际分析，我们得知理论总体电压放大倍数为：Av=Av1×Av2=4×20=80,即按照实验要求，前级输入Vi´=10mV，则由整体电路图与各级电路组成可推算出理论总输出应该为Vo=800mV，实际输出为Vo≈777.9mV，Po=Vo²/RL≈0.0756W。与理论值存在误差的原因可能有以下几点： 电路元件相互之间的影响，是输出值存在偏差； 测量时存在的测量误差，如读数； 电路接口或接线之间的接触不良； 元件值的不精准性等。 心得体会 历时一周半的模拟电子技术课程设计在报告写完的那一刻，差不多就落下帷幕了，长舒一口气，回忆这一两周的所有，收获和感慨颇多。 记得当时听说有课程设计的时候，整个人都傻眼了，就不自觉地认为那设计肯定很难，本来这学期学的模拟电子技术基础课程就已经够折腾人的了，到现在还半懂半不懂的，要弄课程设计的话，那肯定不知道从哪儿下手。 可是毕竟事在人为啊，所以我们开始在自主学学，在网上查阅相关资料，与同学进行讨论，按照书上的电路进行设计与改善，直到最终确定方案，实施方案，写出课程设计说明，我们一步一个脚印，毫不松懈。 最难忘的是在实物发放到我们手里的时候，我们很是激动，什么面包板啊，什么运放功放等元件。好奇的同时紧接着面临了难题，这些东西该怎么用呢？幸好我们所处的时代信息高速发达，网上肯定可以找到相关信息。说做就做，我们边上网查询边记录边学习，将面包板的构造和两个运放、功放的接线方法都弄清楚了。模电实验的时候我们也碰到过实际接线的操作，但是在面包板上连接电路与我们模电实验所碰到的大的试验箱可不一样，要时刻考虑电路的精简性和布线的规范性，不能横七竖八乱布线，因为到时候出了问题就不好解决。不过，最后我们还是排除了重重艰难，将电路接线准确地接在了面包板上。 紧接着要进行考验我们实验成果的调试过程，紧张加兴奋，我们不慌不忙，仍然一步一步有条不紊。连电源、检查外部仪器设备的好坏、测不确定电阻的阻值、测波形···知道最后得到我们想要的实验结果，听到我们想听到的喇叭所发出的蜂鸣声，我们开心到直喊“耶”,不忘摄像记录了实验结果和我们喜悦的笑脸！ 我想，此次经历给我的大学生活又增添了不少美妙的回忆。并且这是我们实践过程的的一个大步跨越，相信以后再碰到类似于模电课程设计的大课题，我们可以毫无畏惧地去解决了！ 参考文献 【1】 童诗百,华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社,2005 【2】 路勇.电子电路实验及仿真.北京：清华大学出版社,2004 【3】 陈明义.电子技术设计实用教程.长沙：中南大学出版,2002 【4】 康华光. 电子技术基础—模拟部分.北京：高等教育出版社,2006 【5】 邱关源.电路原理（五版）.北京：高等教育出版社,2006 1