内置振荡器的失真度计设计报告.doc

内置振荡器的失真度计设计报告 制作人： 2015.03.06目录一、任务要求二、方案论证三、电路设计正弦振荡器的设计失真度计的设计四、电路图 在音频放大器的各种特性中，失真度是最为基本的特性之一。我们将以简单的电路实现为主，进行失真度计的设计。所设计的简单失真度计用于测试音频放大器的失真，由于失真度计一定是同振荡器成对比使用，考虑到使用的方便性，将振荡器内置在失真度计中。使用内置振荡器的失真度计，还可以将振荡器的频率与陷波滤波器的陷波频率设定成一样。如不这样做而使用别的振荡器，则陷波滤波器的设计就会变得非常困难。1、 任务要求 技术指标：工作频率：100Hz、1kHz、10kHz真度测量范围：0.120% 内置振荡器输出波形失真度：0.05要求：根据设计要求规划解决方案设计出内置振荡器的失真度计的完整电路利用EDA软件对各单元电路及整体电路进行仿真完成失真度计的制作与调试使用失真度计测试音频放大器的失真2、 方案论证本机器与音频电压表配合使用。其内部包括内置振荡器和失真度计两个部分。内置的振荡器是一个正弦振荡器，产生低失真的正弦输出信号，为被测放大器提供输入激励信号。失真度计接收放大器的输出，与音频电压表配合，测量信号的内置振荡器的振荡频率被设置为与失真度计内部的陷波器的陷波频率完全一致。内置的振荡器可做成能进行100Hz/1kHz/10kHz三种频率的切换；用电位器进行输出电平的调整，然后通过缓冲放大器进行输出。振荡器输出的信号被输入到被测放大器中。被测放大器的输出信号被输入到失真度计中。输入到失真度计的信号首先调整输入电平，经输入放大器进行20dB的放大后，用陷波滤波器将基波去除掉(陷波器的中心频率与振荡器的振荡频率相同)，对其余谐波进行20dB的放大。通常在进行测量时，失真度较小，可能只有1 %左右。由于陷波滤波器的输出比起输入来是相当小的，所以使得陷波滤波器本身具有20dB的增益，并且使输出放大器也具有40dB的增益。如果失真率较大，陷波滤波器的输出就变大，这时就需要通过衰减器(ATT)对它进行衰减。衰减率做成能进行0/-20/-40dB的切换，这就成为失真度量程转换。失真度是用输出放大器输出的信号与陷波滤波器之前包含有基波的信号的幅度之比求得。如果陷波滤波器的增益为A1(倍)， ATT的衰减率为Att (倍)，输出放大器的增益为A2(倍)，假设输入放大器的输出为V1，输出放大器的输出为V2，则失真度THD ()为：3、 电路设计1、 正弦振荡器的设计振荡电路要求低失真度、稳定，并能切换振荡频率。正弦波振荡器各种各样，这里采用容易实现、简单可靠、且低失真度的文氏电桥型振荡电路。（1） 电路原理 由接到OP放大器同相输入端的RC串并联选频网络决定振荡频率；由接到OP放大器同相输入端的反馈网络（Rf 和Rs）来满足振荡条件。持续振荡的条件是将由运放和负反馈环节组成的同相比例放大器的增益保持为3。如果比3小，则振荡停止；如果比3大，则振幅增大而发生削波。保持准确的振荡条件是困难的，所以设有振幅探测电路，由该电路来控制Rs。 （2） 实际电路 振荡器的振荡频率由RC串并联网络决定，由波段开关S1来切换。由振幅探测电路控制负反馈网络中的可变电阻电路来满足振荡条件。为了获取低失真化，振幅探测电路的输出电压的波纹必须做得很小。在这里的振幅探测电路采用了简单的全波整流电路。可变电阻电路，利用的是结 型场效应管FET1漏-源间的电阻rDS。（3） 元件选取与计算OP放大器的选取因为即使在10kHz也要能振荡，所以需要选用带宽较宽的OP放大器。在此决定选用FET输入型的低噪声OP放大器TL072。在本机的设计中，其余的OP放大器也同样选用TL072。RC串并联网络设定的频率为100Hz /1kHz /10kHz，取R4=16k，可得：R4=16kC1=C4=0.1FC2=C5=0.01FC3=C6=0.001FVR1 VR3是频率调整用的半固定电阻，是使频率与陷波滤波器频率相一致的半固定电阻，它采用易于调整的、且稳定性良好的多旋转型电位器。考虑到陷波滤波器频率的分散性，取： R1=R2=R3=12k VR1=VR2=VR3=10k R4=16kC1=C4=0.1FC2=C5=0.01FC3=C6=0.001FR1=R2=R3=12kVR1=VR2=VR3=10k由于这些元件决定振荡频率，所以会有精度的要求。R1R4使用精度优于2（G档）的金属膜电阻，C1C6使用精度优于5（J档）的聚乙烯薄膜电容。关于R5和R6在文氏电桥振荡电路中，RC串并联网络作为正反馈网络，其反馈系数为1/3。为此，要满足振荡条件，由运放和负反馈环节组成的同相比例放大器的增益应保持为3。如设 FETl 的漏-源间电阻 为rDS，则必然有：R5=2( R6+ rDS)。由于FETl 的漏-源间电阻rDS是在易于控制的几百欧至几十千欧范围内假设rDS为1 k左右，则可以取： R5=10k，R6=3.9k振幅探测电路A1b、D1、D2和R9R11，是简易全波整流电路，其后接是滤波电路。设二极管的正向电压为VF，由于D1和D2的作用，当A1a的输出在-VF+VF的范围时A1b的输出就为0。但是A1a的输出大于+VF时，A1b作为增益为R10 /R9的反转放大器；在A1a的输出小于-VF时，A1b作为增益为1的电压输出器。结果A1b的输出端出现负的全波整流波形。对它作进一步负的峰值检波，就得到直流电压。R9，R10和R11 :由于A1a的输出为负时的增益是1，所以必须使此时增益为-1，为此取R9=R10=20k。同时也取R11=20k。 D1，D2和D3 :由于这里所处理的信号幅度较大，所以VF没有必要特别小，故而采用小信号二极管1S1588。 R12和C8 :该时间常数越大，失真度就越小，但太大也有副作用。里取经验值1SEC，所以取R12= 1M，C8=1F。可变电阻电路 该电路是利用FET的rDS由栅电压进行调节的电路。从漏极将交流反馈到栅极，是为了减小失真度，并使之稳定地进行工作。 R7和R8通常使用100 k，这里就取R7=R8= 100 k。另外C7和R7的特征频率也必须远低于最低振荡频率(100Hz)。如设它为1H z则C7为： 由此，取C7=2.2F。（4） 输出电平调整与输出缓冲放大器 这部分的电路如图所示。VR4是内置振荡器的输出电平调整，A2a构成输出缓冲器。由于VR4和R13成为A1a的负载，所以选取在10k以上的值，在这里取为：VR4=50k，R13=100k没有R13本来也是可以的，它是为了防止由于某些原因A2a的IN+端头成为开路而设的电阻。R14是为了防止在接有电容性负载(屏蔽线等)时产生振荡而用的电阻，需要几十欧至几千欧。在这里取与一般的振荡器输出电阻600相近的值620。2、 失真度计的设计（1） 输入电平调整与输入放大器 这部分的电路如图所示。其作用是将输入信号调整到适当电平。输入放大器的增益越大，就越能测量到很小的信号。但是如果处理信号太小，则会产生由于交流声(交流声：由AC220V产生的线噪声，频率为50Hz)而带来的烦恼。在这里将输入放大器的增益设定为20dB。 元件选取与计算VR5与R15 ： 失真度计的输入电阻与VR5 的位置有关，最大等于VR5，最小为VR5/R15。为了不影响被测系统，输入电阻尽可能的大些为好，但是输入电阻一增大，就易检测到噪声。在此取为VR5=100k，R15=1M。 R16，R17和C9 ：为了使输入放大器的增益为20dB(10倍)，必须使R16/R17 =9，取R16=27k，R17=3k。输入信号频率最低时也为100Hz，所以如设放大器的下限截止频率为20H z，则C9为： 由此，取C9=3.3F或更大。（2） 陷波滤波器 陷波器的作用是去除信号中的基波。 电路原理 双T电路本身具有陷波特性，由低通滤波器和高通滤波器并联构成。由于低通电路和高通电路均由三个元件构成英文字母T，故称之为双T电路，也称为双T电桥或者是双T网络。直接采用双T电路，Q = 0.25 则太低。为了提高Q，通过Ab为双T电桥加上反馈。由此，Q 增加 1/(1-)倍。实际电路实际电路如图所示。根据频率的情况，通过波段开关对3个双T电路进行切换，考虑到RC元件的分散度，还把相当于Rc的电阻做成能够调整。另外，为了在这一级获得20 dB的增益，A4a不是电压输出器而是做成了非反向放大器。元件选取与计算双T电路 ： R21R23，VR7和C13C15(f0=1kHz) R24R26，VR8和C16C18(f0=10kHz) 从同样的考虑出发，仅将电容的容量取为1/10或1/100。因此取 R21=R22=R24=R25=16kR23=R26=6.2kVR7=VR8=5kC13=C14=0.01F，C15=0.02FC16=C17=0.001F，C18= 0.002FR27 R29的计算 ：为了使A4a能够以增益为20dB(10倍)的非反转放大器进行工作，必须满足： 为满足上述2个式子，而且如果要将串联电阻选择为几十千欧的组合，则可以选R27 =27k，R28=300，R29=2.7k。 因为非反转放大器的增益误差是直接与测量误差相关联的，所以这些电阻也采用2以下的金属膜电阻。（3）量程切换与输出放大器量程切换电路(R30R31)考虑到失真度的实用性，其量程取0.1/1.0/10的3个不同的量程。陷波滤波器有20dB的增益，后面的输出放大器有40 dB的增益，所以，如在此没有使信号衰减，则只有0.1的量程。若信号衰减1/10/100，则分别有0.1/1.0/10的量程。即通过切换开关，将信号变换到1、1/10、1/100倍就可以，所以设R30:R31:R32 =90:9:1即可。由此，取R30 =27k，R31 =2.7k，R32=300。这些电阻的值与测量误差相关联，所以也使用误差在2以下的金属膜电阻。 输出放大器我们知道陷波滤波器的输出是将基波去除，通常电平是非常低的。为此，对它进行放大的是输出放大器。由于陷波滤波器具有20dB的增益，为了得到0.1的量程，则要使放大器具有40dB的增益 。R33与C19的选取与计算：R33是给OP放大器加偏置的电阻，由于该值成为输出放大器的输入电阻，所以这里取100k。如果设低频截止频率为20Hz，则C19为：由此，取C19=0.082F或更常用的0.1F。R34、R35与R36的选取：由于想获得40dB的增益，所以：可以取R34=47k，R35=470，这样放大倍数不是100而是101，但考虑到OP放大器的开环增益不是无限大以及电阻的误差等因素，这已是足够好的情况。另外，这里也使用精度在2以下的金属膜电阻。R36起着与R14一样的作用，所以与R14一样也取为620。C20与C21的计算：设低频截止频率为20Hz，则C20为：由此，取C20=22F或更大。C21是为了降低不需要高频并预防放大器自激用的电容。如设高频截止频率为40kHz，这样对10kHz失真度测量时，对2次和3次谐波的影响不太大，则C21为 ： 由此，取C21=82pF或稍小。4、 电路图