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1 系統設計

 

本系統采用小體積MSP430單片機為控制芯片，并用INA128構成的放大電路。末級采用IRF9540和IRF540兩個MOS管實現功率放大。電路實現簡單，功耗低，性價比很高。該電路由電路穩壓電源模塊、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。電路穩壓電源模塊為系統提供能量；帶阻濾波電路要實現50Hz頻率點輸出功率衰減；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載能力；AD轉換模塊便于單片機信號采集；顯示模塊則實時顯示功率和整機效率。

 

 

 

2 硬件電路設計

 

2.1 帶阻濾波電路的設計

 

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有中心頻率ω0或f0，帶寬BW和品質因數Q。Q值越高，阻帶越窄，陷波效果越好。

 

 

 

2.2 放大電路的設計

 

電壓放大電路可選用兩個INA128芯片來對微弱信號進行放大。若采用一級放大，當放大倍數較大時，電路可能不穩定，故應采用兩級放大，并在級間采用電容耦合電路，圖3所示是其電路圖。圖中，INA128具有低失調電壓漂移和低噪聲等性能指標，且放大倍數設置簡單，只用一個外部電阻就能改變放大倍數。圖3中1、8腳跨接的電阻就是用來調整放大倍率，4、7腳需提供正負相等的工作電壓，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，如果接地，則6腳的輸出即為與地之間的相對電壓。

 

 

 

2.3 功率放大電路的設計

 

功率放大電路往往要求其驅動負載的能力較強，從能量控制和轉換的角度來看，功率放大電路與其它放大電路在本質上沒有根本的區別，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MOS管構成的功率放大電路，其電路如圖4所示。此電路分別采用一個N溝道和一個P溝道場效應管對接而成，其中RP2和RP3為偏置電阻，用來調節電路的靜態工作點。特征頻率fT放大電路上限頻率fH的關系為：fT≈fhβh，系統階躍相應的上升時間tr與放大電路上限頻率的關系為：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。根據計算，并考慮到項目要求，本設計選用IRF950和IRF50來實現功率放大。

 

2.4 AD轉換電路的設計

 

此工作可由單片機內部的10位AD轉換器完成，但實驗發現，單片機的10位AD芯片的處理效果不是很好。因此本設計采用了兩個AD轉換芯片來對負載輸出的信號進行轉換，并使用單片機控制計算，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轉換器，該芯片內置雙極性電路構成的混合集成轉換器，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并具有自動校零和自動極性轉換功能，故只需外接少量的電阻和電容元件即可構成一個完整的A／D轉換器。AD8326是TI公司推出的16位高速模數轉換器，其轉換速度快，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液晶來實時顯示輸出的功率、直流電源供給的功率和整機效率。該液晶具有屏幕反應速度快、對比度高、功耗低等優點。可以實現友好的人機交互。為了簡化電路，本設計采用串口連接。并在單片機的控制下，按照要求的格式顯示接收到的數據和字符信息。圖7為液晶顯示電路的連接圖。其中D0～D7為數據口，R／W為液晶讀寫信號，E是使能端。

 

 

 

3 系統軟件設計

 

由于本系統是低頻正弦信號的功率放大，要求能測量并顯示輸出功率、整機效率等信息，所以要用到AD轉換。AD芯片測量的交流信號，所以，測量的電壓數據進行比較，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，根據歐姆定律計算出其數值，并將測得的數據用液晶適時的顯示出來。

 

因此，本系統軟件實現的功能應當可以實現對正弦信號有效值的測量；同時能夠通過液晶準確顯示輸出功率和系統供給功率和整機效率。

 

圖8所示是本系統軟件的設計流程圖。

 

 

 

4 結束語

 

本設計的低頻功率放大器，可實現項目的基本要求，經過測試，當輸入正弦波信號電壓有效值為5 mV時，而且其輸出功率大于5 W，其功率放大器的整機效率也比較高。