学位论文-—选频滤波放大电路设计报告.doc

电子技术综合设计 摘 要 本设计主要包括四个模块，即可调直流稳压电源、低频信号发生器、二阶低频带通滤波器以及放大器，论述了各模块的方案设计及选择、各元器件的选择、调试过程、测试结果、问题的发现与改善。最后达到用直流稳压电源给各个电路供电，信号发生器可以产生矩形波、三角波、正弦波等波形，然后通过带通滤波器输出的波通过放大电路可放大1000倍以上。关键词：电源、信号发生器、带通滤波器、放大器 目录1.可调直流稳压电源设计11.1设计任务11.2方案选择11.3电路参数设计21.4电路仿真71.5电路指标测试72.低频信号发生器设计82.1设计任务82.2方案选择82.3电路参数设计82.4电路仿真112.5电路指标测试113.低频带通滤波器设计153.1设计任务153.2方案选择153.3电路参数设计153.4电路仿真163.5电路指标测试164.低频选频放大器及其测试电路设计174.1设计任务174.2方案选择174.3元件参数174.4电路仿真184.5电路指标测试185.结语181.可调直流稳压电源设计1.1设计任务设计一个正负可调直流稳压电源，要求：1、 输出电压：3v10v2、 最大输出电流500mA3、 当交流电网电压在220v上下波动10%，环境温度在10oC40 oC范围内时，均能正常工作。1.2方案选择直流稳压电源有以下几种方案1、 由晶体管、变压器等组成的可调直流电源特点：设计调整灵活，元器件多，故障率高。2、 由三端稳压器、变压器等组成 （C1起滤波作用，但高频特性不是很好，所以接C2使其更加稳定；） 特点：设计调整容易，故障率低，有内部保护，效率低。3、 开关式稳压电源： 220v/50Hz 整流滤波 开关稳压 用改变脉冲宽度的方法调整输出电压。 特点：体积小，重量轻，效率高，但开关信号易造成电磁干扰，电源噪声大。比较上述三种方案，考虑到主要用于模拟放大器、信号发生器、滤波器等模拟信号处理电路，要求电源纹波小，噪声小。室内使用，对效率、体积、重量没有严格要求，故选择方案2。1.3电路参数设计1、 首先选择关键元器件三端稳压器根据负载电压（3v10v）与负载电流（0.5A）的要求， 选择LM337和LM317（1.2v37 v，1.5A）以下设计按照输出最大电压10v进行设计2、计算V2和C1：（V2和C1与V2和C1对称，取相同值）依稳压电源的工作原理可知，如果V2太大，则VI太大，317两端电压大，317功耗大，芯片温升高，容易损坏芯片且浪费电能。反之，如果V2太小，则317内部调整管管压降太小，不在放大区，失去调整作用。这个值应使317在最不利的条件下能正常工作。而且在能正常稳压的前提下，压降尽可能小，以减小功耗。这里说的最不利条件是指交流电网电压V1最低和输出电流Io最大。 由317资料可知，它的正常工作条件是VIVo3v (见P.2)，所以VI 13v 由于C1的充放电作用，波形如图所示。T1是充电时间，T2是放电时间，通常T2T1， T2T1 +T2=10ms为了设计C1，应计算VI其中 1v是桥式整流电路中1个二极管的压降（粗略计算）由上述，VImin=13v考虑最不利条件：V2取V2min=0.9V2(电网向下波动10%)， Io取Iomax=0.6A（按设计要求0.5A留10%裕量）则 C1=C1max由可知，C1越大，VI越小，V2也越小，纹波小，变压器匝数少，这是我们所希望的。但是，C1太大，整流元件瞬时电流太大，对整流桥与变压器的电流提出了高要求。而且电容容量大体积大，价格贵。所以，C1 不能太大，也不能太小。 我们设计 ，我们选用C1=2200/25V 得，V2=13.1v 留有裕量，设计V2=14v.3、 设计整流元件（1）、整流二极管反向耐压 由整流桥工作原理知，每个整流二极管承受的最大反向峰值电压 为了安全，选整流二极管时反向耐压比上述值至少高50% 选VRM90v, 击穿电压180v以上（2）二极管最大整流电流IF 桥式整流电路中，四个二极管两两轮流导通。所以每个整流二极管的最大整流电流平均值是输出电流的一半。 由于整流管的电流不是正弦波，它的正向电流比平均值大很多。而且在接通瞬间有相当大的冲击电流通过整流二极管，电容越大这个电流越大。因此，二极管最大整流电流IF应比上述值大0.52倍。按0.8倍计算，IF=1.8（iDAV）max=1.8 0.25=0.45A 据此，可选用1A/200v的桥堆4、 变压器副边绕组电流同样由于流过变压器副边的电流不是正弦波，故选变压器副边绕组电流有效值Iac比输出电流Io大。一般取1.13倍 这里取 Iac=1.8Iomax=1.80.6=1.08A， 取2A5、 估算三端稳压器的功耗和散热器参数 三端稳压器的功耗 三端稳压器正常工作温度是0oC70oC。留有裕量,按三端稳压器温度不超过60oC计算,并考虑最不利的条件(环境温度40oC),则散热器热阻 由此选择散热片。SRZ203叉指型散热片热阻为2.5oC/w(6410035mm)6、 其它（1）、根据317芯片使用建议，Cadj用10F/25v。C2为C1的高频补偿电容，用以补偿铝电解电容C1在高频时电容性能的下降。一般C2选0.1F的瓷片电容。为了在输出端进一步滤波，C3，C4选取与C1，C2相同。（2）、根据317芯片使用建议，R1取240/0.125w 应该用一个300电阻与R2电位器串联 由317说明书（P.7），R1应紧靠在317管脚处焊接，R2接地端应靠近输出端。（3）、D1和D2是保护二极管。当由于某种原因使输入端短路时，给C3，Cadj提供放电通路，避免它们通过317放电，损坏317。（4）、在电源输出端可加发光二极管作为指示灯。7、电源设计应注意的几个问题（1）、各元器件的工作电流、电压、频率和功耗应在允许的范围内，并留有适当的裕量，以保证电路在规定的条件下能正常工作，达到所要求的性能指标，并留有一定的裕量；（2）、对于环境温度、交流电网电压等工作条件，计算时应按照最不利的情况考虑；（3）、涉及元器件的极限参数（例如整流桥的耐压）时必须留有足够的裕量。一般按1.5倍左右考虑。例如：如果实际电路中三极管VCE的最大值为20v，挑选三极管时应按V（BR）CEO30v考虑；（4）、电阻值尽可能选在1M范围内，最大一般不应超过10M。其数值应在常用电阻标称系列之内，并根据具体情况正确选用电阻器的品种；（5）、非电解电容，应尽可能在100pF0.1F范围内选择。其数值应在常用电容器标称值系列之内，并应根据具体情况正确选用电容器的品种；（6）、在保证电路性能的前提下，应尽可能设法降低成本，减少元器件品种，减小元器件的功耗和体积，并为安装调试创造有利条件；（7）、在满足性能指标和上述各项要求的前提下，应优先选用现有的或容易买到的元器件，以节省时间和精力；（8）、应把根据计算所确定的各参数值标在电路图中恰当的位置；（9）、安装焊接时注意板面布局，可靠紧凑，干净美观。1.4电路仿真1.5电路指标测试1.5.1 测试方案1. 通过万用表的直流电压档测量直流稳压电源的输出电压；2. 使用大功率电阻测在最大输出电压最大输出电流时的纹波电压峰峰值。1.5.2 测试结果1. 正电源：2.96V13.15V；负电源：-3.00V-13.83V。2. 文波测试：在电源电压输出10v时，最大电流500mA时，正电源文波峰峰值为 21.4mV,负电源的纹波电压为16.4mV.3. 电流测试：在电源电压输出10v时，电流值大于0.5A。1.5.3 结果分析电源输出值变化由电位器阻值变化决定，阻值过小将使电压输出达不到10V要求，与电位器串联的保护电阻也不能过大，否则电压降不到3V；电源带上负载后会有10%左右的压降，主要是由于所设计的电源带载能力不强所造成；正负电源输出有纹波，因为带负载后，如果稳压电路的输入端电压降低，小于稳压电路所需要的压差，输入端电压的波纹将出现在输出电压中。 电压未能达到所需标准，主要是选用的电阻和理论计算的电阻有差别。 电源文波的产生：输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的，而滤波过程中不能将交流部分完全滤除，因此产生纹波。 电流大于0.5A是由于电阻阻值不能达到所需的阻值且电源大于10v。2.低频信号发生器设计2.1设计任务设计一个低频信号发生器，可输出方波、矩形波、三角波、锯齿波、正弦波；频率1kHz3 kHz；幅度30mv1v；矩形波占空比可调；锯齿波上升、下降时间可调。2.2方案选择1、 RC文氏电桥振荡器产生正弦波、经比较器产生方波和锯齿波、经积分器产生三角波和锯齿波。优点：廉价，缺点：元器件多，振荡频率不易调整，故障率高 2、 用比较器和积分器形成矩形波、三角波，用三角波正弦波转换器形成正弦波。优点：廉价，缺点：元器件多，故障率高3、 用石英晶体构成正弦波发生器，用比较器、积分器等产生其它波形。优点：频率稳定度高。 缺点：频率不易调整4、 用集成函数发生器专用芯片8038构成上述各种信号发生器优点：故障率低，易调整。缺点：成本高 方案确定：虽然用8038成本高，但考虑集成电路是发展方向，故尽可能选用方案4。2.3电路参数设计1、 电路选择由8038芯片原文说明书建议设计电路。2、 工作原理 （1）R-S触发器简介RSQ10001100保持11不定 S称为置位输入端 R称为复位输入端 Q称为输出端 （2）工作原理: 给电，电容电压VC=0，R=1，S=0，Q=0，Pin9=0 Q=0使T1截止，IA给C充电，VC；当VAVCVB时，R=0，S=1，Q=1，Pin9提供出一个上升沿；Q=1使T1导通，T2、T3、T4均导通，Ie2=Ic2=IB,由于T2、T3、T4基极相连、射极相连，Ic3= Ic4=IB，Ie1= Ic1=2 IB,电容C由电流（2 IBIA）放电，VC；当VAVCVB时，R=0，S=0，Q=1保持；当VCVA时，R=1，S=0，Q=0，Pin9=0，Pin9提供出一个下降沿；T1截止，T2、T3、T4均截止，IA给C充电，VC；如此周而复始。Pin9输出矩形波, VC经缓冲器在Pin3输出三角波或锯齿波,再经三角波正弦波转换器在Pin2输出正弦波。当Pin8接VR时（3）、V+、V设计： 由8038说明书，双电源时，V+、V=5v15v。由我们已经设计的电源，当V+、V=10v时电源效率较高，纹波小，8038输出信号幅度较大。所以设计V+、V=10v（4）、RA、RB选取： 由8038说明书，1AIA(IB) 1mA（P.10） (5)、C选取 （6）、VR电位器设计按照要求，5vVR10v,如右图，消耗电流不大。（7）、RL设计方波输出端是（OC）集电极开路输出，有利于和下一级电平匹配。太大，上升沿和下降沿变缓，太小，正弦波失真变大。由说明书P.5，Note5,RLmin=50k故选100k。（8）、输出衰减器：为了不使RL变小，选用100K电位器。为了下一级不影响本级，用741构成跟随器，实现隔离。（9）、占空比调节电位器：选用5.1K，接于4、5脚之间，中间接6脚2.4电路仿真2.5电路指标测试2.5.1 测试方案通过数字存储示波器观察波形及其各指标的测量值。2.5.2 测试结果 :1.方波：示波器截图高电平值：9.40；低电平值：9.20；周期：500.8us;占空比：50.02%；频率：1.95kHz；上升时间：1.74us；下降时间：306.ns。2.矩形波：示波器截图占空比调节范围：6.38%93.68%。3. 三角波：示波器截图最大值：3.52v；最小值：2.96v；峰峰值：6.48v；频率调节范围：104.2Hz6.098kHz。4. 锯齿波：示波器截图最大值：3.52v；最小值：2.96v；峰峰值：6.48v。5. 正弦波：示波器截图幅度调节范围：1.52v4.16v。2.5.3 结果分析 测试结果基本满足设计要求。3.低频带通滤波器设计3.1设计任务设计一个二阶低频带通滤波器，要求：1. 中心频率2KHZ;2. 带宽100HZ;3. 通带增益10;4. 测试记录频率特性曲线，观察V0与Vi相位差随频率的变化。3.2方案选择1、LC并联谐振回路特点;适合高频电路，不适合于低频电路。2、压控电压源型特点;电路简单，不易调整。3、无限增益多路反馈特点：电路简单，不易调整。4、双二次型特点：适合于低频工作，调电路时器件相互影响小，容易调整，但电路相对复杂。综上所述，选择双二次型带通滤波电路。3.3电路参数设计联立上式可得与通式比较可得令R3=R4,通过查找资料知道C取0.01uF得R3=R4=8,R2=160,R1=16.由此，我们取电容值为0.01uF,R3，R4取8,R2取160，R1取16，使达到要求。由于缺少160K的电阻和16K的电阻，因此，选用两个100K和两个10K的电阻串联。3.4电路仿真3.5电路指标测试3.5.1 测试方案通过调节信号发生器的频率来观察滤波后的波形，找出中心频率，输出电压。3.5.2 测试结果： 中心频率：1.949kHz；通频带宽度：243Hz；中心频率处电压放大倍数：3.85倍。带通滤波器频率特性测试表f(Hz)110012001300140016001700180018501900Av0.30.330.380.450.680.961.31.842.975f(Hz)191019201930194019501960197019801990Av3.23.2753.553.6753.853.7253.73.73.625f(Hz)2k2.01k2.02k2.03k2.04k2.05k2.06k2.07k2.08kAv3.553.533.5253.53.453.43.413.0253f(Hz)2.09k2.10k2.11k2.5k3k3.5k4k4.5k5kAv2.92.752.71.020.540.363.5.3 结果分析测试结果基本满足设计要求。4.低频选频放大器及其测试电路设计4.1设计任务1、运用反相比例放大器2、放大倍数不小于10004.2方案选择第一种是有运算放大器构成的多级放大器；第二种是由BJT、FET管构成的放大器；第一种方案具有可调性，因此我们选择方案一。4.3元件参数通过两级放大，因此电阻的选择:所以取。所以取。4.4电路仿真4.5电路指标测试4.5.1 测试方案 放大器 衰减器 信号发生器 滤波器逐级测试衰减、放大器，首先调整各级衰减放大倍数，保证最后放大输出波形不失真，然后记录输入输出结果，再断开最后一级，调大输入信号，使得输出波形最大不失真，然后记录输入输出结果，则两级放大倍数即可得到，由于滤波器的增益系数已经在上面得到，所以最终放大倍数即可得到。4.5.2 测试结果 输入信号为3.76V时，第一级放大电路的输入电压峰峰值为14.476mV，输出电压峰峰值为440mV，所以第一级放大电路增益系数为30.40。第二级放大电路输入电压峰峰值为440mV，输出电压峰峰值为8.72V，所以第二级放大电路增益系数为19.82。 再加上上面的滤波器增益，总的放大倍数应该为 。4.5.3 结果分析实际放大倍数与理论放大倍数相差比较大，原因是理论放大倍数的前提是，运放无负反馈放大倍数、输出驱动能力、输入阻抗为无穷大，而实际这些都是做不到的；还有温漂，失调，压摆率，摆幅等因素。理论上可以放大10000倍，实际情况却做不到。5.结语1.电源部分在焊接时一定要注意电解电容的极性连接正确。2.滤波器带宽是比较难调的，且调节带宽时，中心频率也会有微小的改变，输入不同幅值电压信号，增益有微小改变。所以调节时一定要固定输入信号大小，不可取太大。3.供电电压不同，741的工作性能会有差别，10V左右为最佳状态；4.由于741等非理想因素，若按照原设计，输出波形有严重失真，因此必须采用电位器，使放大倍数可调，降低放大倍数来改善失真情况。5.实习过程中能够更熟练的使用示波器、万用表等仪器。6.实习过程中，在电路的设计、焊接、调试等方面有了很大进步，将书本上的理论知识与实践相结合，可以对模电这门学科有更深的认识。21