北京交通大學模擬電子電路實驗報告

京京逾必《模擬電子技術(shù)》

課程實驗報告集成直流穩(wěn)壓電源的設計

語音放大器的設計

集成直流穩(wěn)壓電源的設計一、實驗目的1、掌握集成直流穩(wěn)壓電源的設計方法。2、焊接電路板，實現(xiàn)設計目標3、掌握直流穩(wěn)壓電源的主要性能指標及參數(shù)的測試方法。4、為下一個綜合實驗一一語音放大電路提供電源。二、技術(shù)指標1、設計一個雙路直流穩(wěn)壓電源。2、輸出電壓Uo=±12V，最大輸出電流Iomax=1A。3、輸出紋波電壓AUop-pW5mV,穩(wěn)壓系數(shù)SUW5X10-3。4、選作：加輸出限流保護電路。三、實驗原理與分析直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成?；究驁D如下。各部分作用：UUt直流穩(wěn)壓電源的原理框圖和波形變換1、電源變壓器：降低電壓，將220V或380V的電網(wǎng)電壓降低到所需要的幅值。UUt直流穩(wěn)壓電源的原理框圖和波形變換2、整流電路：利用二極管的單向?qū)щ娦詫㈦娫醋儔浩鬏敵龅慕涣麟妷鹤儞Q成脈動的直流電壓，經(jīng)整流電路輸出的電壓雖然是直流電壓，但有很大的交流分量。3、濾波電路：利用儲能元件（電感、電容）將整流電路輸出的脈動直流電壓中的交流成分濾出，輸出比較平滑的直流電壓。負載電流較小的多采用電容濾波電路，負載電流較大的多采用電感濾波電路，對濾波效果要求高的多采用電容、電感和電阻組成的復雜濾波電路。不同R￡的輸出電壓波形4、穩(wěn)壓電路：利用自動調(diào)整的原理，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓波動和負載電流變化時保持穩(wěn)定，即輸出電流電壓幾乎不變。常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián)負反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。實驗中為簡化電路，我們選擇固定輸出三端穩(wěn)壓器作為電路的穩(wěn)壓部分。固定輸出三端穩(wěn)壓器是指這類集成穩(wěn)壓器只有三個管腳輸出電壓固定，這類集成穩(wěn)壓器分成兩大類。一類是78XX系列，78標識為正輸出電壓，XX表示電壓輸出值。另一類是79XX系列，79表示為負輸出電壓，XX表示電壓輸出值。四、參數(shù)計算1、整流電路參數(shù)4*——W7800*F崎U0.33piF1四、參數(shù)計算1、整流電路參數(shù)4*——W7800*F崎U0.33piF1新三端穩(wěn)壓電路基本應用電路輸出電壓平均值：1U=—j兀0(av)2兀0<2Usin2std(wt)—2?、曲八八2牝0.9U兀輸出電流平均值：UI—0(AV)"l?0.9U,"R一L平均整流電流：ii—_q(avx—U0(AV)q0.45Ud（av）22RLL最大反向電壓：U=<1URM2整流二極管的選擇（考慮電網(wǎng)土10%波動）:2、濾波電路參數(shù)二極管導通角。：HT/2If>0.45罕2U>1.1竟UR2一般選擇幾十至幾千微法的電解電容，耐壓值應大于1.1巨U21.56U2。3、實際計算過程（1）要使W7812正常工作，必須保證輸入與輸出之間維持大于2V的壓降，因此W7812輸入端直流電壓必須保證在14V以上。W7812輸入端的電流是對變壓器副邊輸出電壓。2（。整流、濾波后得到的。假設整流電路內(nèi)阻為0，負載電流為0，W7812輸入端有最大電壓U=1.414Uef，Uef是U2（t）的有效值。由于濾波電容不可能無限大，所以U<1.414Uef，根據(jù)經(jīng)驗可知U=1.2Uef，得Uef=14.4V，考慮到整流橋經(jīng)過兩個二極管約有1.4V的壓降，得變壓器可取15V。（2）變壓器選擇：變壓器選擇雙15V變壓，考慮到電流不需要太大，最大電流為2A，實際選擇變壓器輸出功率為30W，可以很好地滿足要求。（3）整流橋：考慮到電路中會出現(xiàn)沖擊電流，整流橋的額定電流是工作電流的2~3倍。選取RS301（100V,3A）即可，實際購買過程中選擇了2W10也符合設計要求。（4）濾波電路：考慮到對紋波電壓要求比較高，所以選擇了2200uF、耐壓值為25V的電解電容。（5）去耦電容：去耦電容的選擇是由W7812和W7912芯片要求的，查手冊可知分別為0.1uF和0.33uF，用來濾除高頻分量，防止產(chǎn)生自激。（6）為了防止負載產(chǎn)生沖擊電流，故在輸出端加入220uF、耐壓值為25V的電解電容。（7）W7912支路的原件參數(shù)與W7812支路相同。（8）為防止W7812和W7912因過熱而燒壞，需加裝散熱片。五、整體電路六、參數(shù)性能指標及測試1、測量穩(wěn)壓電源輸出的穩(wěn)壓值把220V交流電從變壓器一端輸入，用示波器測量穩(wěn)壓電源的輸出值。我們的測試結(jié)果是-11.8V和12.19V，基本符合規(guī)格。2、測量穩(wěn)壓電源的紋波電壓紋波電壓是指在額定負載條件下，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓中所含的交流分量。在交流電壓為220V，負載電流最大（額定輸出電流）的條件下，用示波器測量穩(wěn)壓電源的輸出紋波電壓。我們測量出的紋波電壓;當輸出+12V時為155.2mV，輸出-12時為154.2mV，基本符合規(guī)格。七、仿真報告

Trigger=.T-小Tirwa0.0)0￡ClunKl_A12.E+2V12.5^3VVC畫脛l_B-12.&51Y-12.551V。柚VT2-T'TinrihizM廠CA,C.hanne1IIScale|'Qnts/[>ivScale|&V/DivStaleYposition|0YposrtbnpY/fTrigger=.T-小Tirwa0.0)0￡ClunKl_A12.E+2V12.5^3VVC畫脛l_B-12.&51Y-12.551V。柚VT2-T'TinrihizM廠CA,C.hanne1IIScale|'Qnts/[>ivScale|&V/DivStaleYposition|0YposrtbnpY/fAdd|B?A|A;B|AC|J(DCP心u3、電解電容：2200uF耐壓值25V2個220uF耐壓值25V2個4、獨石電容：0.33uF2個0.1uF2個5、三端穩(wěn)壓器：W78121個W79121個6、散熱片2個7、導線若干九、參考文獻1、《模擬電子技術(shù)》劉穎、任希、曾濤等.北京：北京交通大學出版社，清華大學出版社，2008.42、《電子技術(shù)基礎實驗、綜合設計實驗與課程設計》侯建軍、佟毅等.北京:高等教育出版社，2007.10語音放大器的設計一、實驗目的1、通過實驗培養(yǎng)學生的市場素質(zhì)，工藝素質(zhì)，自主學習的能力，分析問題解決問題的能力以及團隊精神。2、通過實驗總結(jié)回顧所學的模擬電子技術(shù)基礎理論和基礎實驗，掌握低頻小信號放大電路和功放電路的設計方法。二、設計任務與要求1、設計任務1）語音放大電路原理框圖語音放大電路由“輸入電路”、“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、2）性能指標a）前置放大器：輸入信號：UidW10mV輸入阻抗：RiN100kdb）有源帶通濾波器：頻率范圍：300Hz?3kHz增益：Au=1c）功率放大器：最大不失真輸出功率：PomaxN1W負載阻抗：RL=8。（4。）電源電壓：+5V，+12V，-12Vd）輸出功率連續(xù)可調(diào)直流輸出電壓W50mV靜態(tài)電源電流W100mA2、要求1、前置放大器：增益：Av=Uo/Ui輸入阻抗：Ri=Uo2/(Uo1-Uo2)R2、帶通濾波器：增益：Av=Uo/Ui通頻帶：BW=fH-fL3、功率放大器最大不失真輸出功率的測量(輸入1KHZ正弦波，調(diào)到輸出最大不失真狀態(tài))Pomax=U2omax/2RL=U2o/RL4、功率放大器直流輸出電壓和靜態(tài)電流的測量輸入對地短路，測量直流輸出電壓。將萬用表調(diào)至電流檔，量程為100mA，并將表筆串接在12V電源與集成功放的電源端，測量靜態(tài)電流。三、總電路框圖及總原理圖1、實驗總體電路圖麥克f前置放大電路fRC有緣濾波器一功率放大電路…喇叭R510kQ100nF10OnFR78.2kaLM324AD一R11-3?5k，ro—.2%3.5kQT2~1215VTO豐C310nFz￡C410nF±C11R510kQ100nF10OnFR78.2kaLM324AD一R11-3?5k，ro—.2%3.5kQT2~1215VTO豐C310nFz￡C410nF±C11100nF,220uF■2T=±C9100nFC20_L—』—TDA2030TDD1）前置放大電路

前置放大電路由2個同向放大電路組成，如上圖所示。該電路具有輸入阻抗高，電壓增益容易調(diào)節(jié)，輸出不包含共模信號等優(yōu)點。本電路主要起放大電壓幅度的作用。2）帶通濾波電路寬帶通濾波器，在滿足LPF的通帶截止頻率高于HPF的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的LPF和HPF串聯(lián)起來可以實現(xiàn)Butterworth通帶響應。用該方法構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用于測量信號噪聲比的音頻帶通濾波器。3）功率放大電路

-#■CiroidS?Mukidn?K臨ci]|,■j3J*|^￡iH|FlA^>rw[bc?HCUJmlitvTi>niaiJoai-E^parti-QrtnnhU>>dEM[^ip.&K|]|□^#jaa,i.因目翟目性屈對身歸I』h)￥?口w中—i-ihitoitt-二]>eh>i^i|」?”國>可『知―*格|匚頃nTixin?〃擋Q&,JtfB~由Drvi石?Um蛇￡1::-：-■:ffiiJrciiti三W—:」0血"白SGniA5至Liu■若B由Qna虹阪或P^Klg助|阪或P^Klg功率放大電路主要起放大電流的作用。其中TDA2030為集成功放器件，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內(nèi)部保護電路。四、設計思路依照原理框圖，輸入端可采用麥克風和音頻線路輸入兩種形式，聲音通過麥克風(或音頻線路)輸入前置放大電路，進行一次放大后輸入二階有源帶通濾波電路，對通頻帶(300Hz?3000Hz)以外的信號進行濾波，以消除雜音，最后將經(jīng)過放大和濾波的信號輸入功率放大電路，進行功率放大后將聲音通過揚聲器輸出。五、單元電路設計與參數(shù)計算1、前置放大電路前置放大電路采用集成運放LM324構(gòu)成兩級放大電路。為增強對輸入信號的保持性，故兩級放大電路均采用同相放大電路組態(tài)。放大電路的增益可以通過改變反相端的輸入電阻與反饋電阻的值來調(diào)節(jié)，即A”=人心xA’。。放大器輸入漂移和噪聲等因素對于總的精度至關(guān)重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要。因此前置放大電路應該是一個高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。輸入信號：Ud<10mV，輸入阻抗：R>100&Q。實驗中，實際設計放大倍數(shù)10~1000倍，可通過電位器調(diào)節(jié)。通過計算得元件參數(shù)如下：R1=110kQ，R2=100kQ，R3=1MQ，R「100Q,%=10kQ(滑變)，R「100Q2、RC二階有源帶通濾波電路在濾波電路設計時采用LM324設計了具有Butterworth特性的二階有源帶通濾波器。在滿足LPF的通帶截止頻率高于HLP的通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的LPF和HPF串聯(lián)起來，可以實現(xiàn)Butterworth通帶響應。用該方法構(gòu)成的濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整。本實驗設計帶寬2.7kHz(300Hz-3000Hz)，理論上能夠抑制低于300Hz和高于3000Hz的信號。實際與前級放大電路使用同一個LM324的其余兩個運放。通過計算得元件參數(shù)如下：R7=8.2kQ，R8=8.2kQ，R9=20kQ，Ru=3.5kQ，R12=3.5kQ，R13=20kQ，C1=100nF，C2=100nF，C3=10nF，C4=10nF，3、功率放大電路功率放大的主要作用是向負載提供所需的功率，在信號不失真的前提下，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換效率盡可能高。我們在設計時采用了TDA2030作為功率放大芯片。TDA2030是目前音質(zhì)較好、價格較低、外圍元件較少、應用較方便的一款性價比較高的集成功放。它的電氣性能穩(wěn)定、可靠、能適用長時間連續(xù)工作，集成塊內(nèi)部具有過載保護和熱切斷保護電路，不會損壞器件。在單電源使用時，散熱片可直接固定在金屬板上與地線相通，無需絕緣，使用十分方便。(1)TDA2030主要參數(shù)：參數(shù)名稱符號單位參數(shù)最小典型最大測試條件電源電壓VccV±6±18靜態(tài)電流IccmA4060Vcc=±18,RL=4歐輸出功率PoW1214RL=4,THD=0.5%W89RL=8,THD=0.5%頻響B(tài)WHz10140kPo=12w,RL=4,輸入阻抗RiM0.55開環(huán)，f=1kHz諧波失真THD%0.20.5Po=0.1-12W,RL=4（2）電路特點：a）外接元件非常少。b）輸出功率大，Po=18W（RL=8Q）。c）采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。d）開機沖擊極小。e）內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。f）TDA2030能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Q阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THDW0.1%。無疑，用它來做有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。（3）引腳情況：1腳是正相輸入端2腳是反向輸入端3腳是負電源輸入端4腳是功率輸出端5腳是正電源輸入端。（4）注意事項：a）TDA2030具有負載泄放電壓反沖保護電路，如果電源電壓峰值電壓40V的話，那么在5腳與電源之間必須插入LC濾波器，以保證5腳上的脈沖串維持在規(guī)定的幅度內(nèi)。b）熱保護：限熱保護有以下優(yōu)點，能夠容易承受輸出的過載（甚至是長時間的），或者環(huán)境溫度超過時均起保護作用。c）與普通電路相比較，散熱片可以有更小的安全系數(shù)。萬一結(jié)溫超過時，也不會對器件有所損害，如果發(fā)生這種情況，Po=（當然還有Ptot）和Io就被減少。d）印刷電路板設計時必須較好的考慮地線與輸出的去耦，因為這些線路有大的電流通過。裝配時散熱片與芯片之間不需要絕緣，引線長度應盡可能短，焊接溫度不得超過260°C,12秒。雖然TDA2030所需的元件很少，但所選的元件必須是品質(zhì)有保障的元件。(5)元件參數(shù)的確定：高頻退偶電容一般為100nF。耦合電容一般選用1?10UF/25V，這里用22uF也符合要求。消振移相電路由該集成塊的數(shù)據(jù)手冊可知，電容選用100nF。六、安裝與調(diào)試安裝電路板，由于本電路采用功放集成電路，且只有5個引腳，看準后，可直接焊在電路板上。按照布局圖把元件逐一焊接在電路板上，對于電解電容等有極性的器件要用儀器判斷好后再焊接。每一級元件全部焊接完成后，再仔細檢查幾遍，確保器件連接正確后，方可通電測試。最好是焊完一級測試一級，這樣如果出現(xiàn)問題比較容易查出來并改正。在分級測試完成后，我們便把各級連接起來測試，但是并沒有得到想要的結(jié)果。如果用信號源代替話筒，喇叭可輸出放大后的聲音，并且聲音隨信號源的頻率變化而變化。但是，一接上話筒，就什么聲音都沒有，所以我們一致認為話筒不符合要求，于是在更換之后，得到了想要的結(jié)果。前置放大器的電壓增益：測試條件：輸入50mV，1kHz的正弦交流信號帶通濾波器的通帶寬度：測試條件：先輸入1.0V，1kHz的正弦交流信號，再調(diào)節(jié)信號頻率，找到上下截止頻率功率放大器最大不失真輸出功率的測量測試條件：輸入1V，1kHz的正弦信號功率放大器直流輸出電壓和靜態(tài)電流的測量測試條件：輸入對地短路，測量直流輸出電壓。將萬用表調(diào)至電流檔，量程為100mA，并將表筆串接在12V電源與集成功放的電源端，測量靜態(tài)電流。六、性能測試及分析(1)前置放大器：(輸入信號為50mV，1kHz的正弦交流信號)增益：A=U0=冬=1000uU100mV(2)帶通濾波器：增益：A=%=2址5（輸入信號為1.0V,1kHz的正弦交流信號）uU2.00VTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"A=Uo=偵38'澆0.707（輸入信號為1.0V,300Hz的正弦交流信號）uU2.00V\o"CurrentDocument"A=U=1，438V俐0.707（輸入信號為1.0V,2.8kHz的正弦交流信號）uU2.00V通頻帶：BW=fH-fL=3000Hz-300Hz=2.7kHz（3）功率放大器最大不失真輸出功率的測量U2U2…，P=omax=?=1.35W>1WLL（4）功率放大器直流輸出電壓和靜態(tài)電流的測量測得功率放大器靜態(tài)工作電流為：6.8mA該語音放大器可將聲音很好地放大并播放出來，各項指標均達到了設計要求。七、仿真報告R5^v^TV013145V010VCC1442TDA2030功率放大電路1?0-%22uF0-LC9T100nF0-5U4》ci0+220uF117tJ-C6T22uF03甲偌030VDD-15VR18_10kQ俱--前置放大電路13VCCLM324AD—L-VCC15V—>112——8-114FDVDD5V上*11U1D時20^C11■=100nF-p220uF1MQ-48100aVDD5V11U1C3.54mVrms1200Hz0慎fl^^-34CCLM324AD—VCC15V2Vl00ka[—0=R6--6』?100Q?既一5-9123.5k，3.5kaVCCLM324AD—VCC15VVCCLM32—VCC—78"VDD"VDD5V11U2C-LC3丁10nF910|-0iR1320kg—m-v-LC4丁10nF皂。T^CC15V二階有源帶通濾波電路想kg0_用.一航20辱100nF100nF(1)前置放大電路仿真T2-T1Srale§WDiwT-T21匣1U心蛇Q|3Gm^LgbiJiEiitia「也俱由?g囪色￡iin?TimebaseScafe|2OTu&'Div-*■ca--=bidl-KIku口Tl「，舊，一FlA￡iKX1"E**1EjnJJmliUrirufaiJ-miQAnnhU>>dEHtJdp"到e衣目您日宜日皆卜由?問「：：聲*l—lfiUMg—jJ?,FTP1|>[IlBi4iLi5-*-■-^ftI理法田qfT甘"f□&■JTimeChanin&LAClunr>el_B1C.ZMmsT/K6mV4/327V■&.4SSK￡'.WmU',1-52U-TSB.1&5u&§577mV-2.B74VClumr^lACliaramlS&afe§mV/DiYXposition]|0|y>t做]魚用由時Yposition0Yposition0&Me~TilLevelAG滑動變阻為10kQ*50%=5kQ輸入信號5mV由示波器示數(shù)可知放大倍數(shù)Au=570理論值：Au=A1*A2=500；A1=10A2=50（2）二階有源濾波電路仿真*ClnojcS-hViUdn?[了臨皿g]phE*E*tEfR>nlit?ripuiai!-?■■"fEiQjAnnh朝d*Qdp口岳仔J??.||B目翟目修屈*昏遂”(ElKUFTJlC^~|fhi|f?『+-itW中*心由fBlT￡"&IT聲*|-lriUH:Lfl：-3fB~￡]￡U心蛇□SGreist至Ciraiid三日0口咬Hl白glQrr必的CirnkS&￡]Dr<uiJ「心exh:蹈〔fnjrjjElc^：ix￡ca匚ku*M■阪CraMS1岫WM—12V::WK::::LKK44DSavw|Eit.Triggerrr—Oecilloscope-XSCl71Tims1Q.2W喪10.254儺Cli3nKl_A1.414V1413VChanwl_Bt2^v72*1.297UT2-T14.做U5多.照4nV1.-324mV—0>11-3叫|]住1呈^,S&afe|&?3mV/BDivCUrrpIE.Scale|-MWmWDiw-Triggi"[T^l||Tb1e<f|Ypcsitisn10Ypes-itnn仲Levsl1。rFTQI22I&序o|dc|-1任Type■SinjJN&r.|Aiate||]N2reTintst^iseScale|2OTuE/Di￥Xposition]|0|y>t做]義a|a?e|輸入Vp-p=1V頻率1kHzA=%=竺7=0.917uU1.414f矽OscilloEcope-XSClTriggerposrton|0YposrtbnjpYTTAdd|a-A|^B||7cYpetition[o-ChanijellBSsateIIWDmV/DivTimebasBScafe|ZOO心-OianpelA海舊I*EWOivTriggerwFf~^irMETiw*OtannsLAClianri|_BT上■13.560rre1.413V1.0SBV72■19801rei.sesv1.222VT2-T14144.425mV由輔mV3」*-&Type5畫|Ns,|Auto||Nt?n日輸入Vp-p=1V頻率1.7kHz.U1.222ouU1.413=0.865一OscilloEcope-XSCl輸入Vp-p=1V頻率300Hz0.9991.413=0.707Ext.TriggerT2-T1di3nn&l_A1.412V810.-453mV-?31.-B77mYCtbanwl_B5CT.+Z2mV1.015U44"44mVTime羽。IBns39.072msE4.&7Du&該Oscilloscope-XSClVTim白Scale11??us/DiwXpo&itioni"|y7TB/ft|AflB|ClianpwlAScale|MQmV/[>iwYpo^itiDn|00|DC|?■Cliani仔1E■Scale|KKmY/DiwYpee-itnn|口9|dg|-]<5-Trigger-呼fT"T|FLsvel|o]UTypeSiingJNor.|^Mte|ibfcme輸入Vp-p=1V頻率2.8kHz1.0151.412=0.7191.0151.412=0.719仿真實驗得到的上限截止頻率與理論值存在一定誤差(3)功率放大電路仿真?CiraiCS--i2Cl'￡M￡3][jHplAE*fbc*EfR^rrutaL*Ti>r>faiJwi-EvarttRnm^ndEMQ?ip.&調(diào)]|□jaa,i■黔目箕目旭『對昏歸，mi口w中*[一仍血心…T爭FTflr=-#II[y*女LIVi*■&希DftaviTuibii□J|B~￡)ILrculU□由Gfoj^L至LiiciitlD日?「MEB日Cmirf!至CirnH僵。回|#凝金I媲I睥

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