基于M3单片机的低噪声功率放大器的设计

摘要：本设计主要由低噪声放大电路、信号放大电路、功率放大电路、单片机控制电路、AD转换、LCD显示、稳压电源等组成。低噪声放大电路选取低噪声宽带高精度运算放大器NE5532，功率放大电路采用双MOS晶体管的甲乙类推挽放大电路，该功率放大器的特点是功耗低、效率高、输出压摆率大，具有良好的抗共模干扰能力。

关键词：功率放大器；NE5532；MOS晶体管；输出功率

一、硬件原理

低频功率放大器从原理上讲就是输入一个5mV的信号源，进行信号放大和功率放大，然后通过前置放大级、中间放大级、功率放大和采样输入到单片机系统，单片机系统在程序中进行功率和效率的计算，最后将计算的结果输入到液晶屏上进行显示。

1、电压放大器

电压放大器若采用一级放大，当放大倍数较大时，电路可能不稳定，故应采用两级放大。放大器的增益带宽积是一个常数，第级的增益减小，带宽就可以提高。根据要求需要低输入电阻，高增益的前置放大级。故采用集成电路组成电压放大电路，该电路的优点是电压增益易调且高，电路简单。若前级放大电路选用 OP07型低噪声运放，则带宽达不到要求，所以选用NE5532，NE5532是一种双运放高性能低噪声的运放器，增益带宽积为10MHz，共模抑制比100，转换速率9V/us，输入噪声电压为50nV/Hz。

2、功率放大器

采用OCL类功率放大器。OCL为甲乙类工作方式，其功放电路采用两组电源供电，使用了正负电源，甲乙类放大电路管耗小、效率高、可克服交越失真，在电压不太高的情况下，也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。具有负反馈功能的甲乙类推挽放大电路，末级功放管采用分立的大功率互补对称的场效应晶体管IRF630、IRF9630。

3、稳压电源

采用三端集成稳压器。本设计的核心器件是三端集成稳压器，其优点是稳压性能非常好，稳压块内部还有设有过流保护和过热保护等电路，温度特性也非常好，使用安全可靠，电路简单。而且价格低廉等特点。在市场上78xx系列稳压器容易购买到，在功率较小的电路得到广泛应用。

二、系统设计

1、总体设计

（1）总体设计思路

要求设计一个低频功率放大器，通过计算得到放大倍数最小为1260，因此需要设置三级放大器：电压放大器、甲乙类推挽放大器和末级功率放大器；带宽要求可以通过选择适当的器件来满足，总体框图如图1所示。设计中采用集成运放NE5532组成的可控增益放大器，输出放大一定倍数的电压；再放大输出后加上偏置电阻，达到其输出波形无明显交越失真；以及制作一个多路输出直流稳压电源为用电回路供电。

（2）总体设计框图

图1 总体设计框图

2.单元电路设计与分析

（1）前置放大电路

由于NE5532是一种双运放高性能低噪声的运放器，所以前置放大电路和中间放大级都由它构成。前置放大级主要完成小信号电压放大的任务，其失真度和噪声对系统的影响是优先考虑的指标。对于前置放大级的设计，考虑到输入信号的变化范围很大，在两级间串一个滑动变阻器来改变整个系统的增益，同时也起到对信号的衰减作用。前置放大采用集成运放 NE5532，同众多的运放相比，它具有高精度、低噪声、高速、高阻抗、频带宽等优良性能。其设计电路图如图2所示：

图2 前置放大电路

（2）功率放大电路

利用反向比例放大器的强负反馈功能来纠正功率输出级的交越失真。其设计电路图如图3所示：

图3 功率放大电路

（3）单片机采样电路

需要将电流、电压及峰值采样后送入单片机处理后输出。电流和电压采样电路如图4所示。

图4 电流采样电路

峰值检波器为理想检波电路，该电路可以消除检波二极管的正向导通电压所引起的误差。如图5所示，测得的电压峰值送给单片机处理。

图5 峰值检波电路

3.理论分析与计算

（1）求输出最小电压

根据题意，输出功率P≥5W，负载RL为8Ω，则由

P=Umin2/RL得Umin≥6.3V

所以

UP=Umin ≥8.9V

（2）求电源电压

E=±12V

所以

+ VDD=12V，-VDD=-12V

（3）求放大器最小放大倍数

根据题意，输入最小电压有效值为5mv，则

Aomin=UP/Ui

即

Aomin=1260

4.软件设计

（1）系统软件设计思想

系统的软件设计主要用来实现测量并显示低频功率放大器输出功率、直流电源的供给功率和整机效率的功能，所以要用到AD转换。AD芯片用来测量交流信号，测量的电压数据进行比较，以获得最大电压值，此值即为正弦信号的最大值。而要想得到正弦信号的有效值，就要对最大值进行处理，从而获得有效值。这样，就可以将电源的输出功率和供给功率，根据欧姆定律计算出其数值，并将测得的数据用液晶适时的显示出来。采用C语言编写，对单片机编程实现数据的采集和分析整理，进行显示控制。

（2）软件设计流程图

主流程图 中断服务程序

图6 软件设计流程图

三、系统测试

1、测试方法

（1）通频带的测量：输入正弦波，改变频率，测量输出电压，按Au=Uo/Ui计算其值。

（2）采样电流、电压、峰值的测量

放置一个取样电阻R0，通过ADC2采样其上的电压Uab，根据欧姆定律求出I，I=Uab/ R0，用INA270进行电流监视；通过ADC0采样直流电压 ，再通过ADC2采样输出的峰值UP。利用公式 得直流电源的供给功率；利用公式 可得输出功率；利用公式 可得整机效率；测量结果可从LCD上直接读取。

2、测试结果：Pi=18.3W， P0=8.5W ， =46.4%

通频带的测量结果

四、总结

该系统采用直流供电，低频交流信号输入、由低频功率放大模块、峰值检测电路模块、LM3S811AD采样转换模块，单片机控制模块、显示LCD12864模块组成、带阻滤波器来增强系统的抗干扰性能。系统具有低频功率放大功能，测量并显示直流电源功率、交流输出功率、效率功能、抗干扰能力强等特点。

参考文献

[1] 谭浩强著. C语言程序设计（第三版）. 清华大学出版社，2005.

[2] 李朝青著. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社，2005.

[3] 康华光. 电子基础（模拟部分）. 高等教育出版社. 2001-4

[4] 康华光. 电子基础（数字部分）. 高等教育出版社. 2001-4