實(shí)用低頻功率放大器的設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2021-07-02 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】本系統(tǒng)采用小體積MSP430單片機(jī)為控制芯片,并用INA128構(gòu)成的放大電路。末級(jí)采用IRF9540和IRF540兩個(gè)MOS管實(shí)現(xiàn)功率放大。電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,功耗低,性價(jià)比很高。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用小體積MSP430單片機(jī)為控制芯片,并用INA128構(gòu)成的放大電路。末級(jí)采用IRF9540和IRF540兩個(gè)MOS管實(shí)現(xiàn)功率放大。電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,功耗低,性價(jià)比很高。該電路由電路穩(wěn)壓電源模塊、帶阻濾波模塊、電壓放大模塊、功率放大模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及液晶顯示模塊組成,圖1所示是其組成框圖。電路穩(wěn)壓電源模塊為系統(tǒng)提供能量;帶阻濾波電路要實(shí)現(xiàn)50Hz頻率點(diǎn)輸出功率衰減;電壓放大模塊采用兩級(jí)放大來(lái)將小信號(hào)放大,以便為功率放大提供足夠電壓;功率放大模塊主要提高負(fù)載能力;AD轉(zhuǎn)換模塊便于單片機(jī)信號(hào)采集;顯示模塊則實(shí)時(shí)顯示功率和整機(jī)效率。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 帶阻濾波電路的設(shè)計(jì)
采用OP07組成的二階帶阻濾波器的阻帶范圍為40~60 Hz,其電路如圖2所示。帶阻濾波器的性能參數(shù)有中心頻率ω0或f0,帶寬BW和品質(zhì)因數(shù)Q。Q值越高,阻帶越窄,陷波效果越好。
2.2 放大電路的設(shè)計(jì)
電壓放大電路可選用兩個(gè)INA128芯片來(lái)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大。若采用一級(jí)放大,當(dāng)放大倍數(shù)較大時(shí),電路可能不穩(wěn)定,故應(yīng)采用兩級(jí)放大,并在級(jí)間采用電容耦合電路,圖3所示是其電路圖。圖中,INA128具有低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo),且放大倍數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單,只用一個(gè)外部電阻就能改變放大倍數(shù)。圖3中1、8腳跨接的電阻就是用來(lái)調(diào)整放大倍率,4、7腳需提供正負(fù)相等的工作電壓,2、3腳輸入要放大的電壓,并從6腳輸出放大的電壓值。5腳則是參考基準(zhǔn),如果接地,則6腳的輸出即為與地之間的相對(duì)電壓。
2.3 功率放大電路的設(shè)計(jì)
功率放大電路往往要求其驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng),從能量控制和轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看,功率放大電路與其它放大電路在本質(zhì)上沒(méi)有根本的區(qū)別,只是功放既不是單純追求輸出高電壓,也不是單純追求輸出大電流,而是追求在電源電壓確定的情況下,輸出盡可能大的功率。
本電路采用兩個(gè)MOS管構(gòu)成的功率放大電路,其電路如圖4所示。此電路分別采用一個(gè)N溝道和一個(gè)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)接而成,其中RP2和RP3為偏置電阻,用來(lái)調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。特征頻率fT放大電路上限頻率fH的關(guān)系為:fT≈fhβh,系統(tǒng)階躍相應(yīng)的上升時(shí)間tr與放大電路上限頻率的關(guān)系為:trfh=0.35。
對(duì)于OCL放大器來(lái)說(shuō),一般有:PTM≈0.2POM,其中PIM為單管的最大管耗,POM為最大不失真輸出管耗。根據(jù)計(jì)算,并考慮到項(xiàng)目要求,本設(shè)計(jì)選用IRF950和IRF50來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大。
2.4 AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)
此工作可由單片機(jī)內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器完成,但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單片機(jī)的10位AD芯片的處理效果不是很好。因此本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片來(lái)對(duì)負(fù)載輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并使用單片機(jī)控制計(jì)算,然后送入液晶顯示其功率和效率。
AD1674是一片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,該芯片內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換器,具有外接元件少,功耗低,精度高等特點(diǎn),并具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能,故只需外接少量的電阻和電容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。AD8326是TI公司推出的16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速度快,線性度好,精度高。AD8326和A1674的電路連接圖分別如圖5和圖6所示。
2.5 顯示電路
本電路采用12864液晶來(lái)實(shí)時(shí)顯示輸出的功率、直流電源供給的功率和整機(jī)效率。該液晶具有屏幕反應(yīng)速度快、對(duì)比度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。為了簡(jiǎn)化電路,本設(shè)計(jì)采用串口連接。并在單片機(jī)的控制下,按照要求的格式顯示接收到的數(shù)據(jù)和字符信息。圖7為液晶顯示電路的連接圖。其中D0~D7為數(shù)據(jù)口,R/W為液晶讀寫(xiě)信號(hào),E是使能端。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)是低頻正弦信號(hào)的功率放大,要求能測(cè)量并顯示輸出功率、整機(jī)效率等信息,所以要用到AD轉(zhuǎn)換。AD芯片測(cè)量的交流信號(hào),所以,測(cè)量的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,以獲得最大電壓值,此值即為正弦信號(hào)的最大值。而要想得到正弦信號(hào)的有效值,就要對(duì)最大值進(jìn)行處理,從而獲得有效值。這樣,就可以將電源的輸出功率和供給功率,根據(jù)歐姆定律計(jì)算出其數(shù)值,并將測(cè)得的數(shù)據(jù)用液晶適時(shí)的顯示出來(lái)。
因此,本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的功能應(yīng)當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)有效值的測(cè)量;同時(shí)能夠通過(guò)液晶準(zhǔn)確顯示輸出功率和系統(tǒng)供給功率和整機(jī)效率。
圖8所示是本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程圖。
4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)的低頻功率放大器,可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的基本要求,經(jīng)過(guò)測(cè)試,當(dāng)輸入正弦波信號(hào)電壓有效值為5 mV時(shí),而且其輸出功率大于5 W,其功率放大器的整機(jī)效率也比較高。
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