數(shù)控直流電源 簡易音階發(fā)生器設計 高效率PWM音頻功率放大器 調頻發(fā)射與接收系統(tǒng)設計

1、第一章 數(shù)控直流電源1、課題目的：學習和掌握數(shù)字電子電路和模擬電子電路的接口方法；學習和研究用EDA、MCU等不同的手段、方法來完成本科題的設計任務，并從中逐步學會方案的比較和選擇；學習電路的模塊化調試和軟硬件結合調試方法2、設計要求：輸出電壓：范圍1.012.0V，步進0.1V，紋波不大于10mV；輸出電流：100mA；輸出電壓和電流值由數(shù)碼管顯示；由“”、“”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減；第1節(jié)課題設計原理數(shù)控電源的原理示意如圖1.1所示，該課題要求通過“+”“-”兩個按鍵來控制輸出電壓的升降。輸出的電壓和電流通過采集和標度變換（建立一個算式，使輸出量Vo、Io和A/D轉換后的數(shù)字量建立對

2、應關系）后，一方面閉環(huán)控制輸出，另一方面通過六位七段顯示器顯示輸出電壓和電流。圖1.1 數(shù)控電源原理框圖1、 輸出電路輸出電路可以有以下幾種電路結構供參考：采用運算放大器、可調三端（LM317）電路組成；采用運算放大器、三極管功率放大電路組成；采用運算放大器、MOS管功率放大電路組成。2、 數(shù)控部分數(shù)控部分可以采用以下方案供參考：用EDA技術，采用大規(guī)?？删幊唐骷﨏PLD/FPGA和D/A轉換器實現(xiàn)；用MCU技術，采用單片機、外圍邏輯器件和D/A轉換器實現(xiàn)，外圍邏輯器件主要是用于對A/D，D/A等器件的讀寫控制和片選控制；用MCU完成課題的控制和計算部分，用EDA技術完成邏輯整合和數(shù)字顯示的譯

3、碼，D/A轉換器完成數(shù)摸轉換。3、 數(shù)字顯示部分顯示部分用6個LED數(shù)碼管，可以采用以下參考方案：動態(tài)掃描顯示方案1：七段譯碼用1片4511（或類式芯片），位驅動可用1片MC1413等驅動芯片；動態(tài)掃描顯示方案2：七段譯碼由軟件查表完成，段驅動可用2片74LS06等芯片，位驅動用1片MC1413等驅動芯片；靜態(tài)顯示方案：采用6片74LS164通過串行口工作方式實現(xiàn)，LED用共陽極顯示器可省去位驅動；用CPLD（或FPGA）完成譯碼，動態(tài)掃描顯示。4、 輸出采集部分輸出采集部分有輸出電壓采集和輸出電流采集兩塊，可以采用以下參考方案：輸出電壓通過在輸出端分壓電阻上取樣獲取，輸出電流取樣可通過負載中

4、串取樣電阻來獲取，取樣得到的電壓值，通過運算放大器隔離后送給A/D轉換器，電流取樣電阻可取1歐。注意：電壓、電流取樣要共地；運算放大器輸出的電壓不要超出A/D的輸入范圍。第2節(jié)課題內容及實施步驟由于課題內容多又有相當?shù)墓ぷ髁?，在完成硬件整體設計后，按先易后難、先小后大，先硬件后軟件按功能模塊進行實驗和調試，建議如下：實驗一輸出電路模塊性能調試實驗1、電路原理采用運算放大器、MOS管功率放大電路組成輸出電路模塊示例如圖1.2所示，運放A1構成反向比例電路，輸入Vi為0-5V通過R12調節(jié)后作為A1的輸入信號（采用-5V的目的是和以后的D/A轉換器相協(xié)調），試分析運放A2和輸出MOS管T1構成什么

5、類型的負反饋？它的作用是什么？R6和R7構成輸出電壓取樣電路，其中R7上的電壓將通過放大器送往A/D轉換；R10為1歐電阻，它和RL串聯(lián)后構成電流取樣，R10上的電壓正比于輸出電流，該電壓通過放大后送往A/D轉換。圖1.2 輸出模塊 2、電路參數(shù)測試在測試前，先進行滿度調整。Vi輸入-5.0V，調整電位器R5和電位器R12，使Vo=12.0V，完成滿度調整，自己擬定測試方案和步驟。（1）測量RL=時Vi和Vo的關系填入表1.1表1.1 RL=時Vi和Vo的關系Vi-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0Vo（2）接入RL=120歐電阻，測試Vi和Vo的關

6、系，自己制表1.2，填入測試值。建議Vi輸入同表1.1，測試后分析對比表1.1和表1.2的值，說明電路負反饋的作用和效果。（3）在完成上述（1）（2）項目測試后，適當更改電路，加入D/A轉換器如圖1.3所示，參照數(shù)字電子技術實驗中D/A轉換部分，通過DIP開關輸入數(shù)字量，測試數(shù)字量Di和圖1.3 帶D/A的輸出模塊 輸出電壓和Vo的關系，自己制表1.3，填入給定數(shù)字量Di和Vo的測試值。實驗二數(shù)控模塊和輸出模塊的軟、硬件聯(lián)合調試實驗1、電路原理采用單片機、外圍邏輯器件和D/A轉換器的方案示例連接如圖1.4所示圖1.4 單片機和D/A的連接 單片機89C51為D/A轉換器提供數(shù)字量，經DAC08

7、32轉換后在IOUT1和IOUT2給出電流信號，由運放A1轉換成模擬電壓信號電路。思考該電路采用何種選址方法？該方法有什么優(yōu)缺點？還可以采用何種選址方法？2、電路調整和參數(shù)測試（1）畫出該部分的軟件流程圖，通過編程和軟件調試，測試運放A1輸出和D/A輸入的數(shù)值量對應關系，自己制訂測試步驟，自己制表1.4。（2）在實驗（1）的基礎上，改變89C51的輸出數(shù)值量，在負載RL端測試輸出電壓并進行測試記錄，自己制訂測試步驟，自己制表1.5。實驗三加入數(shù)字顯示模塊后軟、硬件聯(lián)合調試實驗1、電路原理利用單片機串行口的數(shù)字顯示電路示例如圖1.6所示，單片機89C51具有異步串行口，利用該接口的工作方式0（移

8、位寄存器方式）能適應多位七段碼的數(shù)據顯示.P3.0（RXD端）串行發(fā)送顯示數(shù)據，P3.1（TXD端）輸出同步脈沖信號。采用這種靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是顯示亮度高、穩(wěn)定性好、編程方便占用軟件資源少。圖1.6 串行數(shù)字顯示電路2、電路調整和參數(shù)測試（1）編制89C51的顯示軟件（建議顯示為一個獨立的子程序），通過串行口初始化、設置顯示緩沖區(qū)、七段碼表、發(fā)送中斷程序等。（2）通過設置顯示參數(shù)（自定），調整顯示電路的軟、硬件，確定該模塊工作的正確性。自己制訂測試步驟。（3）試考慮一種其它顯示方案的電路和軟件流程。實驗四加入輸出采集模塊和鍵控輸入模塊進行的整機聯(lián)合調試實驗1、電路原理整機電路原理如圖1.7，

9、輸出采集電路是通過ADC0809對來自于輸出電流和電壓的兩路信號進行模數(shù)轉換，轉換結束后，EOC端給出的結束信號通過INT1腳，向單片機發(fā)出中圖1.7 整機電路原理 斷信號，單片機接受中斷后，讀取A/D轉換后的數(shù)據。同向放大器的電路形式和放大倍數(shù)由同學預先設計，其原則是放大器的滿度輸出不要超出+5V！兩個按鍵“UP”和“DOWN”通過P1.0和P1.1送入單片機，“UP”鍵的作用是使輸出電壓按步進上升（步距0.1V），當按住該鍵不放時，電壓連續(xù)上升；“DOWN”鍵的作用是使輸出下降。2、電路調整和整機參數(shù)測試（1）首先進行采集模塊的硬件調試，為了能獲取樣電壓和電流，可以通過另接一個分壓電路來做

10、，當然可以利用實驗一、實驗二和實驗三的成果進行采集模塊的調試；編寫數(shù)據采集中斷程序和鍵控子程序，鍵控子程序要考慮防抖動問題；成功后進行整機硬件、軟件調試。（2）整機參數(shù)測試：精度測試。用萬用表對輸出電壓和顯示電壓、輸出電流和顯示電流進行對比測試，自己制訂測試步驟，測試數(shù)據自己制表1.6。功能測試。分別按“UP”、“DOWN”鍵，觀察輸出電壓步進數(shù)值是否滿足要求。第3節(jié) 實驗要求1、預習要求由于課題涉及多門課程內容，在預習時要注意有關內容的查閱和研讀，通過對各模塊電路原理的理解，選定芯片、畫出硬件原理圖、軟件流程圖和編制相關軟件。根據自己情況，預先設計好實驗步驟，畫出各種測試數(shù)據表格。2、實驗報

11、告要求（1）課題總體設計思想和總體方案，方案的選擇與比較。（2）硬件部分：闡述自己硬件設計思想，有總體硬件原理圖和各次實驗的原理圖、原理說明和參數(shù)設計并附計算過程。（3）軟件部分：有總的和各次實驗的軟件流程圖（包括子程序和中斷程序）及程序清單，程序要有注釋。用EDA的要有波形仿真圖。（4）有各次實驗的測試結果并做相關分析和誤差分析。（5）自己創(chuàng)新點的論述。（6）做本課題的體會。3、擴展內容（1）有連續(xù)步進功能。當連續(xù)按住“UP”或“DOWN”鍵超過2秒時，產生連續(xù)步進。（2）有短路保護和報警功能。當輸出發(fā)生短路時，能自動關閉輸出并用燈光報警；短路故障解除后，通過“復位”按鍵恢復輸出。第二章 簡

12、易音階發(fā)生器設計1、課題目的：學習和掌握振蕩電路設計和濾波器的設計方法；學習和研究用EDA、MCU等不同的手段、方法來完成本科題的設計任務，并從中逐步學會方案的比較和選擇；學習電路的模塊化調試和軟硬件結合調試方法2、設計要求：產生C調八個音階的振蕩頻率(見表2.1)，它分別由1、2、3、4、5、7、0號數(shù)字鍵控制。表2.1 音階的振蕩頻率和周期表C調123456709頻率f(HZ)261.6293.6329.6349.2392.0440.0439.9523周期T(ms)3.823.403.032.802.552.272.091.91同時按下兩個數(shù)字鍵號時，只發(fā)出一個音階頻率信號。模擬通道的頻寬

13、為30Hz10kHz。功率放大器的負載電阻RL=8，最大功率輸出Pomax0.5W、效率50%。能按1-2秒的定時間隔單次和重復發(fā)出8個音階。能自動演奏簡單的曲子（選做）。第1節(jié)課題原理和課題方案 簡易音階發(fā)生器的實現(xiàn)有多種方案，參考方案1如圖21所示。它包括按鍵輸入、頻率控制器、正弦波振蕩器、衰減器和功率放大器五個部分組成。圖21 簡易電子琴參考方案1框圖其中正弦波振蕩器電路是產生C調八個音階的信號源，音調效果取決于準確和穩(wěn)定的振蕩頻率，因此，頻率控制器是整個系統(tǒng)的關鍵部分；按鍵輸入是控制頻率控制器給出適當?shù)念l率控制字，調節(jié)振蕩器的輸出頻率；衰減器的目的是調節(jié)輸出音量，最后由功率放大器推動揚

14、聲器發(fā)出聲音。 參考方案2如圖22所示。該方案通過用電子開關切換多諧振蕩器的頻率，多諧振蕩器輸出的方波通過有源低通濾波器對信號作進一步的處理，濾出高頻信號以獲得較好的音質效果；用EDA技術，通過對CPLD/FPGA的編程控制按鍵輸入的譯碼、定時、演奏方式控制和自動演奏。圖2.2簡易電子琴參考方案2框圖1、音頻功率放大器音頻功率放大器可以有以下幾種電路結構供參考（1） 采用集成功率放大器構成的電路；（2） 采用互補對稱OCL或OTL電路構成功率放大電路；2、多諧振蕩器方案2采用多諧振蕩器可以考慮以下參考方案：（1） 用非門電路構或555電路構成多諧振蕩器。（2） 用運算放大器構成多諧振蕩器，此時

15、注意運算放大器的電源電壓用±5V，不要太高。（3） 用EDA技術，采用大規(guī)?？删幊唐骷﨏PLD/FPGA，用其中的部分資源來構成多諧振蕩器。（4） 用MCU技術，采用單片機、外圍邏輯器件和D/A轉換器實現(xiàn)，外圍邏輯器件主要是用于對A/D，D/A等器件的讀寫控制和片選控制；（5） 用MCU完成課題的控制和計算部分，用EDA技術完成邏輯整合和數(shù)字顯示的譯碼，D/A轉換器完成數(shù)摸轉換。3、頻率控制和正弦波發(fā)生器方案1采用頻率控制和正弦波發(fā)生器以下方案可供參考：（1） 考慮EDA技術，用CPD/FPGA和D/A芯片進行直接數(shù)字頻率合成（DDFS）產生正弦波，頻率控制精確，切換速度快。（2）

16、通過MCU控制MAX038構成壓控振蕩器，直接產生正弦波。這種方式編程方便，但頻率控制精度稍差一些。（3） 用MCU控制DDS芯片AD9850，通過低通濾波器直接產生正弦波。這種方式由MCU向AD9850發(fā)出頻率控制字，頻率控制精確，切換速度快，且比（1）容易實現(xiàn)。第2節(jié)課題實施內容及實驗步驟（以方案2為例）由于課題內容比較多，工作量比較大，在完成硬件整體設計后，按先易后難、先小后大，先硬件后軟件按功能模塊進行實驗和調試，建議如下：實驗一頻率可切換的多諧振蕩器該實驗有以下兩部分內容1、多諧振蕩器 多諧振蕩器電路的一種如圖2.3所示，工作原理是利用電容器C的充、放電作用，在輸出端獲得矩形波。 圖

17、23 RC環(huán)形多諧振蕩電路 假定在接通電源后，電路最初處于第一暫穩(wěn)態(tài)，即的Vi1=0、Vo1=1、Vo2=0 及Vi3=1的狀態(tài)，此時Vo1高電平經C、R和門G2輸出端向C充電，隨著充電時間的增加，Vi3的電位不斷下降，當Vi3降到Vr=1.4V(TTL的門坎電平)時，電路發(fā)生下述正反饋過程：結果使門G1迅速導通，門 G2截止，電路處于第二暫穩(wěn)，即Vo1=0、Vo2=1、Vi3=0 及Vo3=1，這時，Vo2高電平經R、C和門G1輸出端向C反充電，使Vi3的電位不斷上升，當Vi3上升到Vr = 1.4V時，電路又產生下列正反饋過程：從而使門G2迅速導通和門G1截止，電路又返回到第一暫穩(wěn)態(tài)。此后

18、，電路重復上述過程，在輸出端獲得矩形波，振蕩頻率為 其中RO是與非門的輸出電阻、RON是CMOS傳輸門TG的導通電阻。此外，還有一點有必要說明，CMOS傳輸門建議采用CD 4016，它包含有四個獨立的雙向模擬開關，開關狀態(tài)由控制信E決定，當E=1時，對應開關的導通電阻RON為幾百歐姆；當E=0時，開關的斷開電阻ROFF >102、可編程音階振蕩電路可編程音階振蕩電路如圖24所示。電路由3線8線譯碼器和RC環(huán)形多諧振蕩電路組成，3線8線譯碼器的作用是選擇不同的CMOS電子開關4051，以獲得八個振蕩頻率。圖2.4 可編程音階振蕩電路 對于一組確定的地址碼止A2，A1，A0譯碼器輸出線中僅有

19、一線為高電平（Yi=1）使TGi：導通和電阻Ri接入振蕩電路，從而產生頻率為的矩形波。因此，改變數(shù)碼AAA，即可獲得不同的振蕩頻率。3、電路參數(shù)測試分別對圖2.3和圖2.4進行實驗。首先計算電路參數(shù)，選定電容C和初步選定電阻R0-R7的數(shù)值，使電路起振。通過切換3-8譯碼器輸入A2，A1，A0，調節(jié)對應的電阻，使振蕩頻率滿足表2.1的各音階頻率。填表2.2表2.2 音階對應的RC參數(shù)表A2A1A0C=R0=R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=頻率實驗二有源低通濾波器、衰減器和功率放大器1、二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器參考電路如圖2.5所示，它的輸入Vi4是音階頻率的方波信號，通過

20、設計有源低通濾波器的截止頻率參數(shù)，可以濾除方波信號中的高頻分量，在輸出端提取出基波信號Vo4。圖2.5 二階有源低通濾波器2、衰減器和功率放大器衰減器主要是對音頻信號進行特定頻率的提升和衰減，不過在此可以簡單地當作輸出音量控制來處理，用電位器實現(xiàn)音頻信號衰減和對音量的控制。功率放大器可以采用互補對稱OTL或OCL電路來實現(xiàn)，輸出功率0.5W即可。3、電路參數(shù)測試（1）低通濾波器的截止頻率測試。首先確定低通濾波器的截止頻率，計算圖2.5的電路參數(shù)，通過信號發(fā)生器來測試和調試低通濾波器的截止頻率。自己擬訂測試方案，將調整好的測試數(shù)據填入表2.3，并畫出低通濾波器的幅-頻特性曲線（用半對數(shù)坐標）。表

21、2.3 濾波器頻率-幅值測試值 頻率Vo4（2）濾波效果測試。將實驗一的可控多諧振蕩器的輸出和低通濾波器的輸入相連接，切換A2，A1，A0觀察各音階頻率的濾波器輸出波形，確定濾波器參數(shù)的選擇是否合適，畫出Vi4和Vo4在各個音階頻率的對照波形。（3）功率放大器測試。自己畫出OCL功率放大器的原理圖，設計其參數(shù)。1）靜態(tài)輸出調零。不加信號負載開路！將功率放大器輸入接地，測試和調節(jié)輸出使其為零電位。2）在輸出靜態(tài)為零的前提下，輸入和地斷開，接入信號源和負載（揚聲器），用示波器觀察功率放大器的工作是否正常，有無交越失真。自己擬訂測試方案，測試并記錄該功率放大器的最大輸出功率和效率。最大輸出功率Pma

22、x= 輸出效率= 3）將濾波器的輸出通過衰減器后加到功率放大器的輸入，切換A2，A1，A0聽揚聲器的音階聲音，調節(jié)衰減器到合適音量。實驗三鍵控輸入及頻率控制的實現(xiàn)及整機調試和測試1、鍵控輸入及頻率控制該部分電路如圖2.6所示，按鍵K0-K7分別相當于8個琴鍵，CPLD/FPGA用于對按鍵的識別、電子開關的頻率切換，和定時自動演奏；有源晶振為CPLD/FPGA提供時鐘信號。整個邏輯的實現(xiàn)可通過VHDL語言編程實現(xiàn)。該部分的關鍵是VHDL語言編程，程序應該有鍵值識別模塊、譯碼模塊、定時模塊和用于自動演奏的控制等模塊。圖2.6 鍵控輸入及頻率控制2、鍵控輸入電路及整機調試和測試（1）軟件仿真調試。用

23、MAX+PLUSII或其它EDA軟件編完程后，將K0-K7用軟件開關來實現(xiàn)，通過波形仿真來觀察邏輯關系是否正確。（2）軟件仿真調試通過后，接好硬件電路，用軟件定義好并鎖定管腳下載程序到芯片中，分別按下K0-K7，測試電子開關輸入是否正確。若結果正確可接上整機其它電路進行試聽。（3）任意定義一個按鍵作為啟動信號，調試定時邏輯和控制邏輯，使電路能按音階順序自動演奏。第3節(jié)實驗要求1.預習要求（1）由于課題涉及多門課程內容，在預習時要注意有關內容的查閱和研讀，理解各模塊電路的原理，查閱有關資料選定芯片，畫出硬件原理圖。用VHDL等語言編制相關軟件，預習MAX+PLUSII的使用說明。（2）根據自己情

24、況，預先設計好實驗步驟、測試方法和畫出各種測試數(shù)據表格。2.課題總結報告要求（1）課題總體設計思想和總體方案，方案的選擇與比較。（2）硬件部分：闡述自己硬件設計思想，有總體硬件原理圖和各次實驗的原理圖、原理說明和參數(shù)設計并附計算過程。（3）軟件部分：有軟件流程圖和程序清單，程序要有注釋，用EDA的要有波形仿真圖。（4）有各次實驗的測試結果并做相關分析和誤差分析。（5）自己創(chuàng)新點的論述。（6）做本課題的體會。3、課題擴展內容（1）單次自動演奏。自選或自編一首簡曲，通過編程注入CPLD/FPGA中，定義一個單次播放按鍵，按下后自動演奏一次。（2）連續(xù)自動演奏。定義一個連續(xù)播放和一個停止按鍵，按下播

25、放鍵后連續(xù)自動演奏，直至按下停止鍵。第三章 高效率PWM音頻功率放大器本設計主要由功率放大器、信號變換電路、輸出功率顯示電路和保護電路組成。功率放大器部分采用D類功率放大器確保高效，在5V供電情況下輸出功率大于1W，且輸出波形無明顯失真，低頻輸出噪聲電壓很低(輸出頻率為20kHz以下時，低頻噪聲電壓約1mV)；信號變換部分采用差分放大電路，將雙端輸出信號變?yōu)?1的單端輸出信號；輸出功率顯示部分用乘法器電路及帶A/D轉換的電壓表頭顯示功率值，電路簡單合理；保護電路部分采用電流互感器監(jiān)控，實現(xiàn)輸出短路保護。1、題目分析及設計方案論證與比較根據題目要求，整個系統(tǒng)由D類PWM功率放大器、信號轉換電路及

26、功率測量顯示裝置組成。其中核心部分為D類PWM功率放大器。之所以選擇此方案是因為D類PWM功放能夠達到更高的效率，且更好地確保波形不失真，加之以合理的濾波網絡又進一步克服了高頻干擾，從而使系統(tǒng)成為高效率、低失真、低干擾的功率放大系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖3.1所示。下面我們分別論述框圖中各部分設計方案。圖3.1 系統(tǒng)組成框圖2、總體設計思路根據題目要求，經過認真分析，決定采用脈寬調制方式實現(xiàn)低頻功率放大器(即D類功率放大器)。脈寬調制電路(PWM)的脈寬調制原理如圖3.2所示。圖3.2 脈寬調制原理圖一般的D類放大器電路的工作原理是用“振蕩發(fā)生器”輸出的三角波與來自外部的模擬音頻信號進行比較，在“

27、脈寬調制比較器”輸出端產生一個其脈寬變化與音頻信號幅值成正比例的可變脈寬方波。此方波通過“數(shù)字邏輯電路”輸出反相的方波。在音頻信號的前半周(正電壓)，脈寬調制方波的占空比小于50%，使高端MOS管飽和導通，輸出瞬間脈沖電壓Vec0=Vcc。在音頻信號的后半周(負電壓)，低端MOS飽和導通，電壓0Vec=Vcc。將輸出的脈寬調制電壓經LC低通網絡濾除高頻成分，在負載端得到與輸入模擬信號相似但被放大了的電壓。D放大器雖有較大難度但可大大提高效率，且失真很小，波形放大效果良好，而且配合以較好的濾波網絡克服了高頻干擾。系統(tǒng)原理框圖如圖3.3所示。可采用AD521實現(xiàn)雙端輸入變單端輸出的信號變換。在測試

28、部分采用乘法器將變換電路輸出的信號電壓加以平方，經分壓送至表頭顯示。圖3.3 系統(tǒng)原理框圖第1節(jié) PWM功率放大器實驗一三角波發(fā)生器及誤差放大器用555芯片構成三角波發(fā)生電路，如圖3.4所示。圖3.4 三角波發(fā)生電路本設計利用555組成的多諧振蕩器的C4充放電特性加以改進，實現(xiàn)C4的線性充放電獲得三角波。利用VT1、VT2和R6構成的恒流源對C4實現(xiàn)線性充電，利用VT3、VT4和R7構成的恒流源實現(xiàn)對C4的放電，電容C4的三角波經VT5射極跟隨器輸出該振蕩器的震蕩頻率f=0.33/(116R7)C4。按圖中各元件的參數(shù)，我們得到了一個線性很好、頻率約為100kHz、峰峰值為2.18V的三角波，

29、將其輸入到脈寬調制比較器的一個輸入端。該部分的作用是將輸入信號按比例放大以便與三角波比較，通過以OP-37運算放大器為核心加上相關元件形成反向比例放大電路，電路如圖3.5所示。圖3.5誤差放大器電路R2、R4共同分壓將OP-37腳的電壓抬至2.5V，這樣可使放大后的波形中點在2.5V處，且是下對稱無失真，放大比例系數(shù)由R3和R1決定，即A=R3/R1，C1、C3起隔直作用，電容C2的作用是用來限制通頻帶的寬度。C2越大，頻帶越窄；C2越小，頻帶越寬。實驗二脈寬調制比較器及死區(qū)時間控制該部分的作用是將誤差放大器輸出的波形與三角波發(fā)生器輸出的波形進行比較。輸出一個脈寬與誤差放大器輸入信號幅值成比例

30、的可變脈寬方波。三角波頻率遠遠高于輸入信號頻率，相當于對輸入信號采樣點大大增加，從而保證還原后的波形不失真。其中核心器件為LM139，該芯片為四比較器集成電路。這里所要注意的是必須使三角波和音頻信號的電壓中心線重合，即LM139的、管腳的靜態(tài)電位相同，否則脈寬調制信號的占空比將不能在要求的范圍內變化。我們通過可調電阻R12來實現(xiàn)這一要求。脈寬調制比較器電路如圖3.6所示。圖3.6 脈寬調制比較器電路提示：死區(qū)時間不應超過調制脈沖的1/10，否則輸出的波形將出現(xiàn)明顯的失真；另外，死區(qū)時間也不可過短，否則橋路管子將會共同導通，在極短的時間內大電流將從MOS1、MOS2和MOS3、MOS4同時流過，

31、造成電能的損耗，使整體的效率下降，甚至燒毀管子。所以死區(qū)時間的建立是整個D類放大器性能提高的關鍵之一。電路如圖3.7所示。圖3.7 時間建立電路實驗三 高速門開關和濾波網絡高速門開關和濾波網絡電路如圖3.8所示。驅動電路除注意其驅動能力外，還應注意要使其反應盡量快，提高對窄脈沖的反應，以保證對波形的完整還原。在高速低耗的MOS管的D極和S極間反向并聯(lián)上高速二極管(VD1VD4)，使電感(L1、L2)上產生的電流在死區(qū)時間內快速泄放，以保證下一個調制脈沖的電流正常工作，否則橋臂會出現(xiàn)電流的停滯，輸出波形將會出現(xiàn)失真、幅值過小等。濾波網絡的主要功能是濾除高次諧波，還原調制波中所帶載的低頻信號。濾除

32、效果的好壞主要取決于與負載相并聯(lián)的電容的大小，電容越大，濾波效果越好，但是電容越大，放大器的頻帶寬度、放大倍數(shù)及頻率都會受到影響。通過反復實驗，我們選擇了4.7F的電容，使上述三者達到了較好優(yōu)化。此外，電感大小也是影響這三者的重要因數(shù)，電感相對小時，會大大提高三者的指標，但過小又會降低高次諧波的濾除效果，實驗證明選擇20F的電感較為合適。圖3.8 高速門開關和濾波網絡第2節(jié)功率測量與保護實驗四 信號變換電路及保護電路信號變換電路如圖3.9所示。精密放大器AD521有高輸入阻抗、懸浮輸入、高共模抑制比、高精度、低漂移和低噪聲的特點。聯(lián)入網絡之前，應首先對AD521進行調零，即輸入短路時，調整、管

33、腳間10k的滑動變阻器，使輸出為零。接入網絡后，1M電阻和100k電阻的分壓比為1/10，所以放大器的放大倍數(shù)應為10才能使變換電路總的放大倍數(shù)為1。通過調整5k的滑動變阻器使放大器的放大倍數(shù)為10。這樣就得到了一個放大倍數(shù)為1的信號變換電路，將功率放大器雙端輸出信號轉換為單端輸出。圖3.9 信號變換電路保護電路如圖3-10所示。用電流互感器取主電路電流，經變換后送到滯回電壓比較器，形成短路保護信號，送至高速開關電路，鎖定脈寬調制信號輸出，達到可靠的輸出短路保護功能。圖3-10 保護電路實驗五 功率測量電路在負載一定時(8)，功率與電壓的平方成正比，所以我們將變換電路的輸出接低通網絡后再接入由

34、乘法器搭成的平方電路。功率測量電路如圖3.11所示。圖3.11 功率測量電路乘法器芯片我們用的是AD533，其那邊包含了一個運放。此電路的關鍵部分在電路調零。我們的調零是在、管腳短接的情況下進行的，步驟如下： 當X=0時，調ZO使輸出為0V。 當X=10VDC時，調增益使絲綢為+10VDC。 當X=10VDC時，調XO使誤差減半，再調增益使誤差為零。 當輸入接地時，檢查輸出補償。如果輸出不為零，重復上述步驟直至輸出無誤差。測試表頭是測量直流電壓的三位半表頭，所以要將交流變?yōu)橹绷?。我們將平方電路的輸出接濾波網絡變?yōu)橹绷骱蠼尤氡眍^，使其作為功率來顯示功率放大器的輸出功率。其邊比可由乘法器AD533

35、內部運放的放大倍數(shù)調節(jié)，調節(jié)、管腳的電阻值，使功率表輸出的精度優(yōu)于5%。第3節(jié)調試與分析1.誤差放大器 放大倍數(shù)A=R3/R1=5；使R2=R4，則保證了輸出波形上下于2.5V對稱；隨C2的減小，誤差放大器頻帶將會變寬，當C2=180pF時，頻帶為20kHz。2.三角波調試 我們通過改變電容C4值來改變頻率。變大電容值，頻率變低；變小電容值，頻率變高。最終我們取C4為4700pF，使三角波頻率約為100kHz。3.比較器調試 其關鍵操作是必須保證輸入兩信號的中心電壓相同從而才能正確比較；方法是先將誤差放大器輸出波中心電壓確定，通過調節(jié)R12來改變三角波中心電壓。4.死區(qū)時間 采用示波器的雙路通

36、道，觀察兩個輸出端的波形。通過變換電阻和電容的大小，使兩個小波形的高電平部分不會出現(xiàn)重合的部分，保證死區(qū)時間不會過小。在整體調試時，采用上述方法來取得整體的最優(yōu)效果。5.高速門電路 檢測兩橋臂的輸出部分，觀察其死區(qū)時間的大小。應盡量保證死區(qū)時間小于調制脈寬的1/10，并注意輸出電壓的峰峰值應大于4.8V，否則，說明橋臂上的管子的速度不匹配。信號變換電路及功率測量顯示電路的調試參見總體設計部分及圖3-1所示。6.測量結果分析（1）最大不失真輸出功率為多少。（2）輸出正弦信號無明顯失真時的3dB通頻帶為多少。（3）輸入阻抗為多少，電壓放大倍數(shù)為多少。（4）在電壓放大倍數(shù)為10倍、輸入端接地時測量低

37、頻噪聲電壓(20kHz以下)為多少。（5）在輸出功率500mW時測量的功率放大器效率為多少。（6）輸出功率為多少時，效率最高。（7）在輸出功率保持為200mW時，電源電壓最低可降到多少伏。第四章 調頻發(fā)射與接收系統(tǒng)設計本課題的設計目的是要求掌握小功率調頻發(fā)射與接收系統(tǒng)的基本原理、電路設計與電路調試。第1節(jié) 調頻發(fā)射系統(tǒng)圖4.1為調頻發(fā)射系統(tǒng)的基本組成框圖，表示的是直接調頻發(fā)射機的組成。本課題主要研究直接調頻發(fā)射系統(tǒng)。圖4.1 直接調頻發(fā)射系統(tǒng)組成框圖1、主要技術指標發(fā)射功率發(fā)射功率一般是指發(fā)射機輸送到天線上的功率。只有當天線的長度與發(fā)射機高頻振蕩的波長相比擬時，天線才能有效地把載波發(fā)射出去。波

38、長與頻率f的關系為f=c/f式中，c為地磁波傳播速度，c=3×108m/s。若接收機的靈敏度US=2mV，則通信距離s與發(fā)射功率PA的關系為skm=1.07小功率發(fā)射系統(tǒng)的功率PA與通信距離s的關系如表1所示。表1 發(fā)射功率PA與通信距離s的關系PA/mW50100200300400500s/km2.843.384.024.454.825.08工作頻率或波段發(fā)射機的工作頻率應根據調制方式，在國家或有關部門所規(guī)定的范圍內選取。對調頻發(fā)射機，工作頻率一般在超短波范圍內?？傂拾l(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的總功率PA與其消耗的總功率Pc之比稱為發(fā)射系統(tǒng)的總效率A，即A=PA/Pc (2-3)2、電路型式的

39、選擇調頻發(fā)射系統(tǒng)是由調頻振蕩級、緩沖隔離級、倍頻級、高頻功率放大級等組成。如果振蕩器的振蕩頻率可以滿足發(fā)射載波頻率的要求，就可省去倍頻級。（1）調頻振蕩級本課題主要研究變容二極管調頻電路。選擇震蕩器的電路型式是根據載波頻率f0、頻率穩(wěn)定度的技術要求決定的。如果課題要求的載波頻率f0不高，則可以采用LC調頻震蕩器。（2）緩沖隔離級將調頻震蕩器與功放級隔離，以減小后級對震蕩器頻率穩(wěn)定度及振蕩波形的影響。緩沖隔離級通常采用射極跟隨器電路。（3）功率推動級為末級功放提供激勵功率。可以選擇在弱過壓工作狀態(tài)的丙類功放，也可以由甲類功放承擔。如果發(fā)射功率不大，且振蕩級的輸出功率能夠滿足末級功放的輸入要求，那

40、么功率推動級也可以省去。（4）末級功放要使負載(天線)上獲得令人滿意的發(fā)射功率，而且整機效率較高，應選擇丙類功率放大器。末級功放的功率增益不能太高，否則電路性能不穩(wěn)，容易產生自激。因此要根據發(fā)射機各部分的作用，適當?shù)睾侠矸峙涔β试鲆妗＃?）集成調頻發(fā)射系統(tǒng)上面概述的是調頻系統(tǒng)方框圖中各單元電路型式是選擇，各個單元電路可以由分立元件組成，也可以由集成電路組成。而單片集成FM低功率發(fā)射電路，則可包含調頻振蕩器級、緩沖隔離級、倍頻級等多個單元電路。單片集成調頻發(fā)射系統(tǒng)如圖4.2所示。由于單片集成調頻發(fā)射系統(tǒng)的輸出功率比較小，因此需要在集成電路后加功率放大器。圖4.2集成調頻發(fā)射機方框圖3、設計任務（

41、1）設計課題：小功率FM發(fā)射機設計（2）主要技術指標：發(fā)射功率PA80mW，負載電阻RL=75，工作中心頻率f0=6.5MHz，最大頻偏fm=75kHz，總效率A50%。（3）本設計可提供的主要器件如下：高頻小功率晶體管：3DG6；高頻小功率晶體管：3DG12；變容二極管：2CC1D；高頻磁環(huán)：NXO-100；集成調頻發(fā)射IC：MC2833；通用印制電路板1塊；供調試發(fā)射用的75發(fā)射天線1根。第2節(jié) MC2833原理與實驗設計MC2833型單片調頻發(fā)射機的特點是：(1)工作頻率高，可達100MHz以上，其典型應用為49.7MHz；(2)供電電壓較低，為(38)V；(3)片內增加了兩級放大器，在

42、工作頻率為49.7MHz、負載為50、諧波衰減不低于50dB時，輸出功率可達10mW。圖4.3所示是MC2833的內部組成方框圖。它是由可變電抗和高頻振蕩組成的調頻振蕩器、緩沖加兩級放大器組成的三倍頻功率放大器、對音頻信號進行放大的微音放大器以及電壓基準四部分組成。MC2833各片腳的名稱與作用如下：腳：可變電抗輸出端，通過電感和晶體接到16腳高頻振蕩器上作為振蕩回路的一部分。腳：去耦端，外接一電容至地，起高頻旁路作用。腳：調制信號輸入端，信號由片內微音放大器輸出端經耦合電容送入，可控制可變電抗的大小，實現(xiàn)對高頻震蕩器的頻率調制，產生調頻波。腳：微音放大器輸出端，送出音頻信號。腳：微音放大器輸

43、入端。腳：接地端。腳：第二放大管的 發(fā)射級端。腳：第二放大管的基級端。腳：第二放大管的集電級端。腳：電源輸入端( (38)V)。11.腳：第一放大管的集電級端。12.腳：第一放大管的發(fā)射級端。13.腳：第一放大管的基級端。14.腳： 圖4.3 MC2833內部組成方框圖高頻(射頻)輸出端，由內部調頻振蕩器經緩沖器送出。15、16.腳：高頻振蕩器的振蕩回路外接電容端。15、16.腳間接56pF，15腳接51pF到地。1、MC2833組成調頻發(fā)射機的基本原理語音通過話筒變成音頻電壓信號送給微音放大器進行音頻電壓放大。此音頻電壓信號經耦合電容送給可變電抗的輸入端腳3去控制可變電抗。而由受音頻電壓控制

44、的可變電抗經小電感和晶體與高頻振蕩器組成調頻振蕩電路，產生調頻波經緩沖送給兩級三倍頻放大器。通過高頻振蕩器后，輸出載頻為49.875MHz的調頻波。2、實驗電路本實驗提供的實驗板是一個由MC2833為主，并增加了一級外接高頻功率放大器而組成的調頻發(fā)射系統(tǒng)。其電路如圖4.4所示。圖4.4 集成調頻發(fā)射系統(tǒng)實驗電路本發(fā)射系統(tǒng)的信息傳送過程：需傳送的信息(語音)經過話筒變成音頻電信號，音頻電信號經腳5送給微音放大器進行音頻放大，然后放大的音頻信號從腳4經2.2F的耦合電容送到腳3去控制可變電抗的大小?？勺冸娍古c3.3H電感、16.625MHz晶體串聯(lián)與高頻振蕩器的外接電容56pF、51pF組成調頻電

45、容三點式振蕩電路，其載波振蕩頻率為16.625MHz。此調頻振蕩信號從片內送給緩沖級，由腳14經耦合電容送到由第一放大管組成的三倍頻放大器，其負載為由B1變壓器耦合的諧振回路，其諧振頻率為49.875MHz。放大的三倍頻信號經B1的次級傳送到第二放大管的基極腳8。第二放大管與B2變壓器耦合的諧振回路組成第二級三倍頻放大器，然后經B2的次級送給由晶體管T3組成的高頻輸出級，經天線將信號輻射出去。為了確保電源的穩(wěn)定，電路還增加了一個集成穩(wěn)壓電路7805，并在輸出級與集成單片的供電上采用高頻扼流圈和高頻旁路電容進行去耦濾波，起到隔離作用。3、實驗要求（1）學習掌握本實驗電路的基本原理與信息傳輸過程。

46、掌握發(fā)射系統(tǒng)各組成部分的功能及輸入、輸出信號的頻譜、波形以及各組成部分之間的關系。（2）對系統(tǒng)進行調試，使實驗的發(fā)射系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。根據發(fā)射系統(tǒng)的原理測量各功能電路的輸入、輸出波形頻率。（3）提出測量發(fā)射系統(tǒng)技術指標的方法，并提出實現(xiàn)測量所需的儀器設備型號，完成主要技術指標的測量。（4）根據實驗結果，分析說明發(fā)射系統(tǒng)各功能電路的作用及要求。分析說明本實驗發(fā)射系統(tǒng)的特點以及對本實驗發(fā)射系統(tǒng)進行改進的意見。第3節(jié) 調頻接收系統(tǒng)調頻接收系統(tǒng)的方框圖如圖4.5所示。圖4.5 調頻接收機方框圖1、調頻接收系統(tǒng)的主要技術指標工作頻率范圍：接收系統(tǒng)可以接收到的無線電波的頻率范圍稱為接收機的工作頻率范圍

47、。接收系統(tǒng)的工作頻率必須與發(fā)射機的工作頻率相對應。靈敏度：接收系統(tǒng)接收微弱信號的能力稱為靈敏度。一般用輸入信號電壓的大小來表示。接收的輸入信號越小，靈敏度越高。選擇性：接收系統(tǒng)從各種信號和干擾中選出所需信號(抑制不需要的信號)的能力稱為選擇性。單位用dB(分貝)表示，dB數(shù)越高，選擇性越好。頻率特性：接收系統(tǒng)的頻率響應范圍稱為頻率特性或通頻帶。輸出功率：負載輸出的最大不失真功率稱為輸出功率。2、電路型式選擇根據調頻接收系統(tǒng)的方框圖，它是由輸入回路、高頻放大器、混頻器、本機振蕩、中頻放大器、鑒頻器、低頻功放等組成。（1）輸入回路由天線接收并通過饋線送給接收系統(tǒng)的各種電波信號，都要先送到有諧振特性

48、的輸入回路。輸入回路是接收系統(tǒng)選擇信號的第一關。它的作用是初步選取接收系統(tǒng)要接收的某一載頻信號，盡量減少損耗地傳送到下一級，并抑制接收頻道以外的一切干擾信號。對輸入回路的要求；為了保證信號不產生頻率失真，通頻帶要有適當?shù)膶挾取榱藢︵忣l道信號有足夠的衰減，要有一定的選擇性。輸入回路的電路型式有幾種，這里可以采用簡單的單調諧回路，如圖4.6所示。圖4.6 接收系統(tǒng)的輸入回路（2）高頻電壓放大在輸入信號很微弱的情況下使用高頻放大器。高頻放大器的型式按器件可分為晶體管放大器、場效應管放大器和集成電路放大器。按負載的性質可分為諧振和非諧振放大器。在高頻范圍內采用任何一種型式的高頻電壓放大器都可滿足要求

49、。（3）混頻器混頻器的作用就是將輸入信號的載頻fS與本振信號頻率fL進行頻率變換，將輸入信號的載頻變成固定中頻的載波信號，并保持其調制規(guī)律不變。混頻器有高中頻和低中頻之分，本課程設計題目只研究低中頻?；祛l器有晶體三極管混頻器、二極管混頻器、場效應管混頻器、模擬乘法器構成的混頻器等。至于選用哪種混頻器，要根據需要而定。需要變頻功率大，一般選用由三極管混頻器、場效應管混頻器、模擬乘法器構成的混頻器。混頻器的工作頻率比較高的話，可采用二極管混頻器，其中的二極管可采用肖特基表面勢壘二極管。（4）本機振蕩器本機振蕩器就是產生頻率為fL的等幅振蕩信號，然后將信號送入混頻器與輸入信號的各個頻率分量進行混頻，

50、并由混頻器的輸出選頻回路選出fI= fLfS的中頻信號及上下邊頻分量。本機振蕩器的電路型式可以采用電容三點式電路和晶體振蕩器。（5）中頻放大器中頻放大器的任務是將混頻器的輸出信號進行電壓放大，以滿足鑒頻器的輸入信號幅度要求。根據混頻器輸出的中頻頻率來確定中頻放大器的型式。一般選用的中頻放大器有晶體三極管調諧放大器、場效應管調諧放大器、集成放大器等。（6）鑒頻器鑒頻器是完成調頻信號的解調。鑒頻電路可分為三類，第一類是調頻-調幅調頻變換型。這種類型的鑒頻器有雙失諧回路鑒頻器、相位鑒頻器、差分峰值鑒頻器等。第二類是相移乘法鑒頻型。這種類型的鑒頻器可以用模擬乘法器構成。第三類是脈沖均值型。這種類型的鑒

51、頻器有脈沖計數(shù)式鑒頻器。鑒頻器的種類比較多，在本課程研究的高頻頻段內每一類型鑒頻器都適應。以上調頻接收機各個方框圖內的單元電路，可以采用分立元件或集成電路組成調頻接收系統(tǒng)，也可以使用單片調頻接收系統(tǒng)。3、設計任務（1）設計課題：調頻接收系統(tǒng)的設計（2）主要技術指標：載波頻率f0=6.5MHz，輸出功率P0=0.25W，RL=8，靈敏度1mV。（3）本設計可提供的主要器件如下：高頻小功率晶體管：3DG6、3DG8；集成模擬乘法器：XCC，MC1496；單片調頻接收IC：MC3362；高頻中周10A型；運算放大器741；第4節(jié) MC3362原理與實驗設計MC3362型單片調頻接收機的特點：(1)工作頻率高，使用芯片內部振蕩電路時，工作頻率可達200MHz，使用外接本振電路時，則工作頻率可高達450MHz；(2)接收靈敏度高，當信噪比為12dB時，典型值可達0.3V；(3)功耗低，標準耗電電流只有3.6mA(VCC=3V)；(4)供電范圍寬，(27)V均能正常工