基于實(shí)用低頻功率放大器的設(shè)計(jì)

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放大來將小信號放大，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芯片來對微弱信號進(jìn)行放大。若采用一級放大，當(dāng)放大倍數(shù)較大時(shí)，電路可能不穩(wěn)定，故應(yīng)采用兩級放大，并在級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)動負(fù)載的能力較強(qiáng)，從能量控制和轉(zhuǎn)換的角度來看，功率放大電路與其它放大電路在本質(zhì)上沒有根本的區(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溝道場效應(yīng)管對接而成，其中RP2和RP3為偏置電阻，用來調(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。

對于OCL放大器來說，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)換芯片來對負(fù)載輸出的信號進(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。

AD1*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)，并具有自動校零和自動極性轉(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A1*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、對比度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。為了簡化電路，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為液晶讀寫信號，E是使能端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)是低頻正弦信號的功率放大，要求能測量并顯示輸出功率、整機(jī)效率等信息，所以要用到AD轉(zhuǎn)換。AD芯片測量的交流信號，所以，測量的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以獲得最大電壓值，此值即為正弦信號的最大值。而要想得到正弦信號的有效值，就要對最大值進(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，并將測得的數(shù)據(jù)用液晶適時(shí)的顯示出來。

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)對正弦信號有效值的測量;同時(shí)能夠通過液晶準(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

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)過測試，當(dāng)輸入正弦波信號電壓有效值為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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