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基于实用低频功率放大器的设计

发布时间: 2012-08-10 10:01:11     来源: EDA中国

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1 系统设计

  本系统采用小体积MSP430单片机为控制芯片,并用INA128构成的放大电路。末级采用IRF9540和IRF540两个MOS管实现功率放大。电路实现简单,功耗低,性价比很高。该电路由电路稳压电源模块、带阻滤波模块、电压放大模块、功率放大模块、AD转换模块以及液晶显示模块组成,图1所示是其组成框图。电路稳压电源模块为系统提供能量;带阻滤波电路要实现50Hz频率点输出功率衰减;电压放大模块采用两级放大来将小信号放大,以便为功率放大提供足够电压;功率放大模块主要提高负载能力;AD转换模块便于单片机信号采集;显示模块则实时显示功率和整机效率。

  

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  2 硬件电路设计

  2.1 带阻滤波电路的设计

  采用OP07组成的二阶带阻滤波器的阻带范围为40~60 Hz,其电路如图2所示。带阻滤波器的性能参数有中心频率ω0或f0,带宽BW和品质因数Q。Q值越高,阻带越窄,陷波效果越好。

  

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  2.2 放大电路的设计

  电压放大电路可选用两个INA128芯片来对微弱信号进行放大。若采用一级放大,当放大倍数较大时,电路可能不稳定,故应采用两级放大,并在级间采用电容耦合电路,图3所示是其电路图。图中,INA128具有低失调电压漂移和低噪声等性能指标,且放大倍数设置简单,只用一个外部电阻就能改变放大倍数。图3中1、8脚跨接的电阻就是用来调整放大倍率,4、7脚需提供正负相等的工作电压,2、3脚输入要放大的电压,并从6脚输出放大的电压值。5脚则是参考基准,如果接地,则6脚的输出即为与地之间的相对电压。

  

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  2.3 功率放大电路的设计

  功率放大电路往往要求其驱动负载的能力较强,从能量控制和转换的角度来看,功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别,只是功放既不是单纯追求输出高电压,也不是单纯追求输出大电流,而是追求在电源电压确定的情况下,输出尽可能大的功率。

  本电路采用两个MOS管构成的功率放大电路,其电路如图4所示。此电路分别采用一个N沟道和一个P沟道场效应管对接而成,其中RP2和RP3为偏置电阻,用来调节电路的静态工作点。特征频率fT放大电路上限频率fH的关系为:fT≈fhβh,系统阶跃相应的上升时间tr与放大电路上限频率的关系为:trfh=0.35。

  

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  对于OCL放大器来说,一般有:PTM≈0.2POM,其中PIM为单管的最大管耗,POM为最大不失真输出管耗。根据计算,并考虑到项目要求,本设计选用IRF950和IRF50来实现功率放大。

  2.4 AD转换电路的设计

  此工作可由单片机内部的10位AD转换器完成,但实验发现,单片机的10位AD芯片的处理效果不是很好。因此本设计采用了两个AD转换芯片来对负载输出的信号进行转换,并使用单片机控制计算,然后送入液晶显示其功率和效率。

  AD1*是一片高速12位逐次比较型A/D转换器,该芯片内置双极性电路构成的混合集成转换器,具有外接元件少,功耗低,精度高等特点,并具有自动校零和自动极性转换功能,故只需外接少量的电阻和电容元件即可构成一个完整的A/D转换器。AD8326是TI公司推出的16位高速模数转换器,其转换速度快,线性度好,精度高。AD8326和A1*的电路连接图分别如图5和图6所示。

  

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  2.5 显示电路

  本电路采用12864液晶来实时显示输出的功率、直流电源供给的功率和整机效率。该液晶具有屏幕反应速度快、对比度高、功耗低等优点。可以实现友好的人机交互。为了简化电路,本设计采用串口连接。并在单片机的控制下,按照要求的格式显示接收到的数据和字符信息。图7为液晶显示电路的连接图。其中D0~D7为数据口,R/W为液晶读写信号,E是使能端。

  

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  3 系统软件设计

  由于本系统是低频正弦信号的功率放大,要求能测量并显示输出功率、整机效率等信息,所以要用到AD转换。AD芯片测量的交流信号,所以,测量的电压数据进行比较,以获得最大电压值,此值即为正弦信号的最大值。而要想得到正弦信号的有效值,就要对最大值进行处理,从而获得有效值。这样,就可以将电源的输出功率和供给功率,根据欧姆定律计算出其数值,并将测得的数据用液晶适时的显示出来。

  因此,本系统软件实现的功能应当可以实现对正弦信号有效值的测量;同时能够通过液晶准确显示输出功率和系统供给功率和整机效率。

  

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  图8所示是本系统软件的设计流程图。

  4 结束语

  本设计的低频功率放大器,可实现项目的基本要求,经过测试,当输入正弦波信号电压有效值为5 mV时,而且其输出功率大于5 W,其功率放大器的整机效率也比较高。

关键字 : 低频 实用 基于 放大器 功率 
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