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1、浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计低频函数信号发生器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计学而时学而时習習之，不亦悦乎？之，不亦悦乎？孔子孔子论语论语道可道非常道。道可道非常道。老子老子道德经道德经浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计教学安排：教学安排：第一阶段（前第一阶段（前4天）：玉泉教天）：玉泉教4-404上午上课（上午上课（8:30-11:30）；第）；第4天：课堂测试。天：课堂测试。第三阶段（后第三阶段（后4天）
2、天）：东：东3实验室实验室209、211上午上午8:00发车（玉泉后校门内）；下午发车（玉泉后校门内）；下午5:00发车。发车。第第7天（天（8月月23日）上午日）上午:领电路板，借电烙铁领电路板，借电烙铁第第7-10天天 焊接，实验调试焊接，实验调试第第10天天 交课程报告和总结报告交课程报告和总结报告第二阶段（中间第二阶段（中间2天）天）：玉泉：玉泉数字频率计数字频率计VHDL设计，交实验报告和预设计报告设计，交实验报告和预设计报告浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计教学内容：教学内容：第第11章章 电子设计基础知识电子设计基础知识实验实验12.2 低频函数信号发生器的设计低频函数信号发生器
3、的设计实验实验12.3 低频数字频率计的设计低频数字频率计的设计成绩评定：成绩评定：平时和测试成绩平时和测试成绩 20分分预设计和频率计预设计和频率计VHDL 20分分实验结果实验结果 40分分实验报告和课程总结实验报告和课程总结 20分分浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计课件下载地址课件下载地址ftp:10.71.21.98:8021匿名登陆匿名登陆目录：目录：/5-课程资料下载课程资料下载/蔡忠法蔡忠法预设计报告上传地址预设计报告上传地址ftp:同上同上匿名登陆匿名登陆目录：目录：/0-incoming/upto蔡忠法蔡忠法要求：要求：文件名统一文件名统一“学号学号 姓名姓名 文档说明文档
4、说明”浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计电子系统设计概论电子系统设计概论常用电子系统：常用电子系统：测控系统：航天飞机的飞行控制系统、工业测控系统：航天飞机的飞行控制系统、工业生产控制系统生产控制系统 测量系统：电能质量监测系统、多路数据采测量系统：电能质量监测系统、多路数据采集系统、各种电量和非电量的测量仪器集系统、各种电量和非电量的测量仪器 通信系统：数字通信系统、通信系统：数字通信系统、MODEM 家电系统：调频收音机、家电系统：调频收音机、VCD、照相机、照相机 汽车电子：汽车防盗器汽车电子：汽车防盗器、电动汽车、电动汽车 浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计电子系统组成框图：电子系统组
5、成框图：核心核心完成一个特定功能的完整的电子装置称完成一个特定功能的完整的电子装置称为电子系统。为电子系统。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计电子系统设计基本方法：电子系统设计基本方法：系系系系 统统统统元元元元 器器器器 件件件件功能功能功能功能模块模块模块模块功能功能功能功能模块模块模块模块功能功能功能功能模块模块模块模块功能功能功能功能模块模块模块模块单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元电电电电路路路路单单单单元元元元
6、电电电电路路路路子系统子系统子系统子系统子系统子系统子系统子系统浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计电子系统设计过程：电子系统设计过程：方案论证方案论证总体设计总体设计软硬件设计软硬件设计组装调试组装调试产品定型产品定型确定系统功能：确定系统功能：“做什么？做什么？”确定性能指标：确定性能指标：“做到什么程度？做到什么程度？”确定组成方案：确定组成方案：“怎么做？怎么做？”系统软硬件划分系统软硬件划分系统功能划分及子系统框图系统功能划分及子系统框图选择硬件类型：选择硬件类型：通用通用IC、PLD、MCU、DSP、ASIC、SOC设计单元电路，确定元器件设计单元电路，确定元器件设计程序流程，编写源
7、程序设计程序流程，编写源程序制作印刷板（或画出电路图）制作印刷板（或画出电路图）装配调试装配调试测试系统指标测试系统指标写出产品技术报告和说明书写出产品技术报告和说明书总结设计报告总结设计报告组装正式样机组装正式样机浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计衰减器开关衰减器开关 频率档级频率档级函数选择函数选择函数选择函数选择函数函数/计数计数 直流偏置直流偏置直流偏置直流偏置占空比占空比占空比占空比频率调节频率调节 频率显示窗口频率显示窗口频率显示窗口频率显示窗口幅度调节幅度调节幅度调节幅度调节压控振荡输入压控振荡输入压控振荡输入压控振荡输入 同步信号输出同步信号输出信号输出端信号输出端信号输出端信
8、号输出端频率计数输入频率计数输入设设 计计 任任 务务浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计1.同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波一、设计内容：设计一个低频函数信号发生器一、设计内容：设计一个低频函数信号发生器二、性能与技术指标二、性能与技术指标2.频率范围：频率范围：10Hz 10kHz3.频率稳定度频率稳定度:4.频率控制方式：频率控制方式：(1)通过改变通过改变RC时间常数控制频率（手控方时间常数控制频率（手控方 式）；式）；设设 计计 任任 务务 书：书：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计(2)通过改变控制电压通过改变控制电压V1实现压控频率（即实
9、现压控频率（即 VCF），常用于自控方式。即），常用于自控方式。即:（V1=110V）为确保良好的控制特性，可分三段控制：为确保良好的控制特性，可分三段控制：10 Hz100 Hz 100 Hz 1 kHz 1 kHz 10 kHz5.波形精度：波形精度：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计(1)方波：上升沿和下降沿时间均应小于方波：上升沿和下降沿时间均应小于2s(2)三角波：线性度三角波：线性度(3)正弦波：谐波失真度正弦波：谐波失真度（V1为基波有效值，为基波有效值，Vi为各次谐波有效值为各次谐波有效值)trtf0.1Vom0.9VomVom Vom浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计6.输出
10、方式：输出方式：(1)作作电压源输出电压源输出时，要求：时，要求：输出电压幅度连续可调，最大输出电压输出电压幅度连续可调，最大输出电压（峰峰值）不小于（峰峰值）不小于20V；(2)作作电流源输出电流源输出时，要求：时，要求：输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰值）不小于值）不小于200 mA；当当RL=1001k时，输出电压相对变化时，输出电压相对变化率率 (即要求即要求 Ro 400 mA 时，输出时，输出晶体管自动限流，以免进一步损坏电路元器晶体管自动限流，以免进一步损坏电路元器件。件。8.采用数字频率显示方式。采用数字频率显示方式。当当RL=090时，
11、输出电流相对变化率时，输出电流相对变化率(即要求即要求Ro9 k)。(3)作作功率输出功率输出时，要求最大输出功率时，要求最大输出功率Pomax 1W（RL=50时）。时）。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计低频函数信号发生器的设计低频函数信号发生器的设计一、总体方案讨论一、总体方案讨论振荡部分振荡部分输出电路输出电路输出输出频率调节频率调节幅度调节幅度调节频率指示频率指示幅度指示幅度指示函数信号发生器的原理框图函数信号发生器的原理框图浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计信号产生部分的多种实现方案信号产生部分的多种实现方案模拟电路实现方案数字电路实现方案模数结合的实现方案数字电路的实现方案，一般
12、可事先在存储器数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计好的波形质量。随着信号频率的
13、提高，需要提高好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频信号（如比较适合低频信号，而较难产生高频信号（如 1MHz）。）。模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用和幅度。如采用D/A
14、转换器与压控电路改变信号转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。幅度等，是一种常见的电路方式。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也对于信号产生电路
15、的模拟电路实现方案，也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图所示。经过积分电路产生三角波，电路框图如图所示。模拟电路实现信号产生电路的多种方式模拟电路实现信号产生电路的多种方式浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计方案方案1 1正弦波发生器过零比较器积分器正弦波方波三角波这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号
16、，存在较大的难度。原因是积分电路的积波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。参数的要求，实际上是非常困难的。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计方案方案2 2正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波另一种电路方式是，由三角波
17、、方波发生器另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。图如图所示。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波这种电路在一定的频率范围内，具有良好这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。的单元电路分析中详细介绍。该电
18、路方式是本实验信号产生部分的推该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。荐方案。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计根据实验任务中对输出电压、输出电流及根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负反馈。这将在单元电路分析中进行详细介绍。反馈。这将在单元电路分析中进行详细介绍。由所选方案及组成电路的形式，可以初步由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技
19、术指标时的关键和困分析该实验在实现上述技术指标时的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。学生实验室一般不具备这样的条件。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计因此，在实验的设计、制作及测试过程中，因此，在实验的设计、制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。器件、
20、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方波信号的对于方波信号的上升沿和下降沿上升沿和下降沿时间，则可用时间，则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波，方波发生器和输出放大电路时，设计三角波，方波发生器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取，如运算要特别注意与该指标有关参数的选取，如运算放大器的转换速率（放大器的转换速率（SR）等。）等。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计1.三角波方波发生器三角波方波发生器(1)(1)比较器比较器RCRC电路电路
21、二、单元电路分析二、单元电路分析二、单元电路分析二、单元电路分析R两端的电压两端的电压逐渐下降，充电电逐渐下降，充电电流也将不断减小。流也将不断减小。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计线性度非常差，显然不能当作三角波使用。线性度非常差，显然不能当作三角波使用。使使iC恒定的办法有多种，其实质都是利用恒流源恒定的办法有多种，其实质都是利用恒流源电路取代图中的电路取代图中的R，便可获得较为理想的三角波，便可获得较为理想的三角波波形。波形。三种形式的恒流源电路三极管构成三极管构成场效应管构成场效应管构成1 1个恒流源个恒流源+桥式整流桥式整流浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计第一种形式：三极管构成浙
22、江大学 蔡忠法 电子系统综合设计第二种形式：场效应管构成浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计第三种形式：1个恒流源+桥式整流浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计(2)(2)比较器积分器比较器积分器在在一一般般使使用用情情况况下下，V 1和和V2都都接接地地。只只有有在在方方波波的的占占空空比比不不为为50%，或或三三角角波波的的正正负负幅幅度度不不对对称称时时，可可通通过过改改变变V 1和和V2的的大大小小和和方向加以调整。方向加以调整。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计V 1和和V2都接都接地时的波形：地时的波形：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计(1)(1)对称调节点对称调节点V V 1 1
23、V 10时：时：当当vO2=+VZ时，时，浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计当当vO2=-VZ时，时，当当V 10时，时，T1T2；V 10时，时，T10，则三角波上移；，则三角波上移；若若V20，则三角波下移。，则三角波下移。其上幅度为：其上幅度为：其下幅度为：其下幅度为：而三角波的峰峰值为：而三角波的峰峰值为：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计由上可知，当由上可知，当R2/R3的比值调好后，三角波的比值调好后，三角波的峰峰值已经确定，调节的峰峰值已经确定，调节V2的大小可使三角波的大小可使三角波上下平移。上下平移。因此，当由于失调等原因引起三角波零因此，当由于失调等原因引起三角波零位偏移（
24、上下不对称）时，可通过改变位偏移（上下不对称）时，可通过改变V2的大的大小进行调整。小进行调整。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计讨论题讨论题运放的运放的SR参数是什么意思？若已知运放参数是什么意思？若已知运放LF353的的SR13V/s，试分析能否满足电路的设计要求。，试分析能否满足电路的设计要求。测量频率范围时，能否通过调测量频率范围时，能否通过调Rp2来改变频率？来改变频率？若方波三角波出不来，但线路经检查正确。怎么办若方波三角波出不来，但线路经检查正确。怎么办？浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计函数转换是指：把某种函数关系转换成另函数转换是指：把某种函数关系转换成另一种函数关系，能完成
25、这种转换功能的电子电一种函数关系，能完成这种转换功能的电子电路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压波形的正弦函数转换电路。波形的正弦函数转换电路。2.正弦函数转换电路正弦函数转换电路浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计从转换原理分析，有多种方法能完成这一从转换原理分析，有多种方法能完成这一转换功能，常用的有：转换功
26、能，常用的有：滤波法的转换原理是，把峰值为滤波法的转换原理是，把峰值为Vm的三角的三角波用傅里叶级数展开：波用傅里叶级数展开：滤波法滤波法运算法运算法折线法折线法浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计由上式可以看出，若三角波的频率变化范由上式可以看出，若三角波的频率变化范围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的幅度关系。但若三角波的频率变化范围较大幅度关系。但若三角波的频率变化范围较大（如本实验的频率变化范围是（如本实验的频率变化范围是1000倍），要设倍），要设计一个对截止频率
27、具有跟踪功能的低通滤波器计一个对截止频率具有跟踪功能的低通滤波器就相当困难、不易实现。因此，就相当困难、不易实现。因此，滤波法只适用滤波法只适用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用场合。场合。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计运算法的转换原理是，把展开成幂级数形运算法的转换原理是，把展开成幂级数形式：式：由上述关系容易看出，取幂级数的前几项由上述关系容易看出，取幂级数的前几项（根据转换精度的要求），可以通过对线性（根据转换精度的要求），可以通过对线性（三角波）变化量（三角波）变化量x的运算来近似表示成的运算来近似表示成 sinx，但要求三角波的幅度但
28、要求三角波的幅度Ra1，所以，上式又可简化为：，所以，上式又可简化为：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计取取VD=0.6V，则，则（选（选670 k）。）。对于其它区段内各对于其它区段内各电阻参数的计算，同理电阻参数的计算，同理可以进行计算和选取。可以进行计算和选取。vivoRa2=9.13 k(选选9.1 k),Rb2=72.22 k(选选75 k);Ra3=1.88 k(选选1.8 k),Rb3=10.97 k(选选10 k).浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计二极管网络二极管网络：逐段校正。逐段校正。运放运放：电压跟：电压跟随器，作为隔随器，作为隔离，称为缓冲离，称为缓冲级。级。三极管三
29、极管：电压：电压跟随器，提供跟随器，提供参考电平。参考电平。正弦函数转换方案2在输入信号的正半周内，应由在输入信号的正半周内，应由D1D3实现逐段校正；在输入信号的负实现逐段校正；在输入信号的负半周内，应由半周内，应由D4D6实现逐段校正。实现逐段校正。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计 设硅二极设硅二极管的开启电压管的开启电压为为0.5V，所以，所以各二极管的动各二极管的动作电平作电平V1 V3应设置为：应设置为：vivo浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计vivo在在0T/14区段内区段内D1D6均不导通，均不导通，所以所以vo=vi。在在T/14T/7区段内区段内仅有仅有D1导通，导通，D
30、2 D6均截止。此时，均截止。此时，即书上的式子：即书上的式子：若选若选R4=2.2 k，则则R5=7.8 k。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计vivo在在T/73T/14区段内区段内D1、D2均导通，均导通，所以有所以有即即代入已知数据后得代入已知数据后得R6=2.01 k，取，取 R6=2 k。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计vivoD1 D3 均导通，均导通，输出电压被二极管输出电压被二极管D3嵌位，所以嵌位，所以vO=V3+0.5 V=3.1V。（对这。（对这一段的校正与方案一段的校正与方案1不不同）。同）。在在3T/144T/14区段内区段内 图中的图中的V1 V3，是通过由跟随
31、器组成的，是通过由跟随器组成的电压源，再经分压后得到的。因此，为使电压电压源，再经分压后得到的。因此，为使电压源内阻不影响各个转折电压，分压器的阻值应源内阻不影响各个转折电压，分压器的阻值应选得远小于选得远小于R5 和和R6。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计分析和实验结果分析和实验结果表明，当输入三角波表明，当输入三角波在在T/2内设置六个断内设置六个断点，以进行七段校正点，以进行七段校正后，可得到正弦波的后，可得到正弦波的非线性失真度大致在非线性失真度大致在1.8%以内，若将断以内，若将断点数增加到点数增加到12个时，个时，正弦波的非线性失真正弦波的非线性失真度可在度可在0.8%以内以内(
32、实实测值为测值为0.42%)。vivo这里介绍的两种有源这里介绍的两种有源正弦函数转换网络，基本设正弦函数转换网络，基本设计思想都是将三角波进行逐计思想都是将三角波进行逐段校正，使之输出逼近正弦段校正，使之输出逼近正弦波。波。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计讨论题讨论题比照课件电路（即教材图比照课件电路（即教材图12.17）和参考电路，说明）和参考电路，说明两者之间的区别及优缺点。两者之间的区别及优缺点。参考电路中，电位器参考电路中，电位器Rp3有何作用？运放有何作用？运放U2A有何作有何作用？能否将运放用？能否将运放U2A组成的比例电路改为电压跟随组成的比例电路改为电压跟随器？为何？器？为
33、何？若采用五段逼近，如何计算各电阻阻值？五段逼近若采用五段逼近，如何计算各电阻阻值？五段逼近的效果会如何？的效果会如何？浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计根据不同负载的要求，输出级电路可能有根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式：三种不同的方式：3.输出级电路输出级电路电压源输出方式电压源输出方式电流源输出方式电流源输出方式功率输出方式功率输出方式浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计 电压源输出方式电压源输出方式电压源输出方式下，负载电阻电压源输出方式下，负载电阻RL 通常较大，通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求有一定的输出电
34、压。同时，当负载变动时，求有一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电路的输出电阻路的输出电阻Ro足够小。足够小。例如，当例如，当RL=1001k时，若要求时，若要求 ，即意味着要求：，即意味着要求：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计为此，必须引入电压负反馈。运算放大器为此，必须引入电压负反馈。运算放大器的输出电阻通常为的输出电阻通常为1k以下，当引入电压负反以下，当引入电压负反馈后，如希望馈后，如希望Ro=1，则要求：，则要求：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计图示电路的最大输出电压受到运放供电电图示电路的最大输出电压
35、受到运放供电电压值的限制，如运放的压值的限制，如运放的VCC 和和VEE 分别为分别为15V时，则时，则VOPP=(12 14)V。若要求有更大的输出。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路。电压幅度，必须采用电压扩展电路。设运放的设运放的Aod=104，则，则F应大于应大于0.1，这是容易满足的。，这是容易满足的。故要求故要求Avf10。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计对运放而言，对运放而言，其供电电压（其供电电压（VCCVEE）仍接近）仍接近30V，只是二者随只是二者随vO而浮动。而浮动。如考虑到如考虑到R2、R3上的上的电压至少为电压至少为4V，则，则Vopp可达：可达：（4
36、5154）=26V。当当vO=+26V时，时，vB1=15+26=41V，vB2=2615=11V；而当；而当vO=-26V时，时，vB1=11V，vB2=-41V。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计电流源输出方式电流源输出方式 在电流源输出方式下，负载希望得到一定在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻Ro。例如，当例如，当RL=090时，若要求时，若要求 ，即，即意
37、味着要求：意味着要求：为此，需引入电流负反馈。为此，需引入电流负反馈。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计设运放设运放Aod=104，即当，即当Vop=10 V时，要求时，要求VId=1 mV。若。若Ro=1 k，则输出短路电流，则输出短路电流Io s=10V/1 k=10 mA。由此可以估计出。由此可以估计出若运放的输出若运放的输出电阻电阻Ro=1 k，则，则要求：要求：所以要求：所以要求：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计所示电路中，运放的最大输出电流通常在所示电路中，运放的最大输出电流通常在10 20 mA，如负载要求有更大的输出电流，如负载要求有更大的输出电流，则必须进行扩流。则必须进行
38、扩流。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计一次扩流电路T1 和和T2 组成互补组成互补对称输出。运放的输对称输出。运放的输出电流出电流IA中的大部分中的大部分将作为将作为T1、T2 的基极的基极电流，所以电流，所以IO=IA。值得注意的是，晶体管值得注意的是，晶体管值应在额定电流下值应在额定电流下测得，它通常要小于小电流条件下的测得，它通常要小于小电流条件下的值。并且，值。并且，当运放输出电流增大时，运放的最大输出电压幅当运放输出电流增大时，运放的最大输出电压幅度也随着减小，不再能达到度也随着减小，不再能达到(12 14)V。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计二次扩流电路用于要求负用于要求负载电
39、流载电流IO较大的较大的场合。复合管场合。复合管T1、T3和和T2、T4 组成组成准互补对称输出准互补对称输出电路。电路。输出晶体管发射极上的电阻输出晶体管发射极上的电阻R用来稳定晶用来稳定晶体管的工作电流，但它们与输出负载体管的工作电流，但它们与输出负载RL相串联，相串联，应尽可能减小其上的压降。通常取应尽可能减小其上的压降。通常取 R=(0.05 0.1)RL。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计R1和和R3的数值应远大于的数值应远大于T3、T4级的输入电级的输入电阻阻Ri3和和Ri4，以尽可能减少信号分流。大功率管，以尽可能减少信号分流。大功率管T3、T4的的rbe 较小，通常为几十欧。所
40、以常取较小，通常为几十欧。所以常取R1=R3=几百欧。几百欧。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计R2为平衡电阻，它用来提高复合管为平衡电阻，它用来提高复合管T2、T4 的输入电阻，以期和复合管的输入电阻，以期和复合管T1、T3的输入电阻的输入电阻对称，所以取对称，所以取R2=R1/Ri3 (约几十欧约几十欧)。在调试时，。在调试时，通常还可以进行调整，以使最大输出电流在正、通常还可以进行调整，以使最大输出电流在正、负向对称。负向对称。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计 功率输出方式功率输出方式 在功率输出方式下，负载要求得到一定的在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率。由于晶体管放大电路
41、电源电压较低，信号功率。由于晶体管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当RL较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。须进行输出电压扩展。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计功率放大电路示例浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计(1)功率管T4、T5的选用 T4、T5可能承受的最大功耗，按教材中可能承受的最大功耗，按教材中对乙
42、类功率放大器的分析，应为对乙类功率放大器的分析，应为功率管的选用主要考虑三个极限参数：功率管的选用主要考虑三个极限参数：即即VBR(CEO)、ICM和和PCM。T4、T5在电路中可能承受的反向电压在电路中可能承受的反向电压最大值：最大值：VCE(max)=VCC+Vom2 VCC=40V（截止（截止时）；时）；流过流过T4、T5的最大集电极电流为：的最大集电极电流为：IC(max)VCC/(RL+R5)（接近饱和时）；（接近饱和时）；例图浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计实际上，静态时，实际上，静态时，T4、T5中通常还有几十中通常还有几十mA的静态工作电流的静态工作电流ICQ将产生管耗将产生
43、管耗(ICQVCC)，选管时应予考虑，所以选管时应予考虑，所以另外，在选用管子时还要求二管的另外，在选用管子时还要求二管的值应值应尽量对称（特别是在最大电流时）。尽量对称（特别是在最大电流时）。例图浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计 考虑到考虑到T2、T3管集电极电流在管集电极电流在R2、R3上的分流作用，它们的最大值可近似估计为：上的分流作用，它们的最大值可近似估计为：T2、T3的最大功耗通常也按下列公式的最大功耗通常也按下列公式估计：估计：(2)(2)互补对称晶体管互补对称晶体管T T2 2、T T3 3的选用的选用 T2、T3的耐压仍应按的耐压仍应按VCE(max)2VCC选选择；择；例
44、图例图浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计 T1为小功率管，但其耐压也应按为小功率管，但其耐压也应按2VCC选用，选用，R3为集电极负载，最好用一恒流源取代。为集电极负载，最好用一恒流源取代。C5 为为消振电容，其电容值通常为消振电容，其电容值通常为100pF左右。调节电左右。调节电位器位器Rw可改变输出晶体管可改变输出晶体管T2T5的静态工作电流，的静态工作电流，以克服交越失真。以克服交越失真。T1管的静态工作电流通常设管的静态工作电流通常设置在置在5mA左右，以适应左右，以适应T2级拉电流负载（级拉电流负载（vC1升升高时，高时，T2、T4工作）和工作）和T3级灌电流负载（级灌电流负载（vC
45、1降降低时，低时，T3、T5工作）的需要，由此便可确定工作）的需要，由此便可确定R2的阻值大小：的阻值大小：（取（取3.9k）(3)共射电路T1级中元件的选用例图浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计 输出级的限流保护输出级的限流保护 由于功率放大器的输出电阻很小，因而容由于功率放大器的输出电阻很小，因而容易因过载而烧坏功率管，这里介绍两种限流保易因过载而烧坏功率管，这里介绍两种限流保护电路。护电路。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计当发生过流（当发生过流（Io过大）时，过大）时，D3、D4导导通，从而使基极电流通，从而使基极电流信号分流，以限制信号分流，以限制Io 的增大。的增大。Io的正向最大
46、值的正向最大值和负向最大值为：和负向最大值为：浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计T3、T4是限流是限流管。当管。当Io过大，过大，R5、R6上的压降超过上的压降超过0.6V时，时，T3、T4导通导通而防止了而防止了T1、T2基基极信号电流的进一极信号电流的进一步增大。步增大。Io的最大值为的最大值为R3、R4用来保用来保护限流管护限流管T3、T4。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计讨论题讨论题参考电路中，参考电路中，R01、C01、C03组成什么电路，起什么组成什么电路，起什么作用？能否省略该电路？作用？能否省略该电路？参考电路中，参考电路中，功放级的电压放大倍数是多少？最大功放级的电压放大倍
47、数是多少？最大输出电压是多少？最大输出电流是多少？输出电压是多少？最大输出电流是多少？如何测试限流二极管是否能起作用？如何测试限流二极管是否能起作用？浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计预设计报告预设计报告技术指标、总体方案、单元电路设计、电路仿真结技术指标、总体方案、单元电路设计、电路仿真结果；果；打印的原理图和安装布置图（实验调试时用）；打印的原理图和安装布置图（实验调试时用）；设计好电路的设计好电路的调试步骤调试步骤，设计好测试指标的，设计好测试指标的数据表数据表格格。电子版（电子版（doc或或pdf格式）上传至格式）上传至ftp。浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计功率放大电路返 回浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计附：参考电路附：参考电路浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计方波三角波发生电路方波三角波发生电路浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计正弦波转换电路正弦波转换电路浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计功率输出电路功率输出电路浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计电源输入电源输入电位器电位器电位器电位器运放运放元件区元件区元件区元件区附：通用电路板附：通用电路板浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计蔡忠法 浙江大学电工电子教学中心Ver2.2 版权所有 2011年