水声信号功率放大器的设计与实现

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2.3 巴特沃思低通滤波器


巴特沃思又称为最平的滤波器,其具有带通内极大平坦,过渡带与阻带单调性良好等特点。随着阶数的增加其特性更接近理想等优点,因此成为信号处理中应用最广泛的几种滤波器之一。为了使输出的正弦信号不出现失真,同时保留原有信号的幅度信息,因此需要滤波器带通内增益平坦无波动,所以采用巴特沃思滤波器。这里通过集成滤波器MF6实现6阶巴特沃思低通滤波器。


MF6是6阶巴特沃思低通滤波器,其工作频率范围是0.1~10 kHz。由于采用了交换电容技术,MF6工作时所需的外设很简单,MF6的截断频率fs是通过一个外界输入的参考频率fi进行调节。fi是频率为fs的1/100或1/50符合TTL或CMOS电平的时钟信号。参考信号的电平类型可通过控制位进行控制。当参考频率为125 kHz时,实测截断频率为1.25 kHz。其通带内平坦,带外衰减线性程度好,满足要求。


当前一级的数据采集接口板产生信号时,同时还会产生一个原信号频率适当倍数的参考信号。在该电路中,MF6的截断频率设在信号的一次谐波频率与二次谐波频率之间。由于周期信号具有离散频谱,一次谐波频率位于通带内,其他谐波则被衰减。因此通过其滤波后,矩形信号便转化为同频率的正弦波。


2.4 大功率运放


大功率运放电路是以集成大功率运算放大器LM12为核心,辅以外围电路构成,电路图如图6所示。


信号经过巴特沃思滤波器滤波后转化为具有正弦形式的信号,再经过两级由LF353运放组成的带通滤波器,进一步滤除低频与高频部分噪声。LM12CLK是一种大功率运算放大器,在外接4 Ω负载时,最大输出功率可达80 W。并且外围电路简单,运用方便。信号经过滤波电容以及两个电阻进行分压和阻抗匹配后进入正相输入端。反馈电阻并联电容,使其具有低通滤波,滤除高频分量的作用。同时在输出端与电源之间连接输出夹断二极管,如图6所示。若LM12CLK外接电感式负载,当输出达到电源电压限制时,电感中储存的能量可能使输出电压超过电源电压。因此为了防止电流倒流,二极管是非常必要的。该电路的放大增益由反相输入端的两个电阻的比值决定。该部分电路通过Tektronix2022 示波器实测波形,结果如图7所示。

 


图7(a)是小信号工作时实测波形,2通道低幅度信号(50 mV/格)为输入信号,1通道高幅度信号(50 mV/格)为输出。从图中可以看出,该电路能将小信号不失真地放大。图7(b)是大信号工作时实测波形,2通道(1 V/格)表示输入信号,1通道(5 V/格)为输出信号,由图可见,当输入信号不断增加,输出信号的幅度超过电源幅度时,由于二极管的稳压作用,输出信号被限幅,不能超过12 V,以防止电流倒流。



3 结论


根据以上原理,设计并实现了各个具体的电路,经过硬件调试,并编制相应的控制软件,成功实现程控增益调节,硬件电路工作正常稳定。经反复调整元件参数,当输入为0.1~10 kHz的矩形信号时,输出为同频率的正弦信号。输出信号稳定,除小于0.5 kHz的低频段外无明显失真,信号最大增益大于54 dB,达到设计要求。事实证明该巴特沃思滤波器幅频特性通带内平滑,衰减带内单调性良好,只要截断频率设置合理,完全可以滤出信号的基频分量,将矩形信号转换为正弦信号。以前的信号产生方式是通过RC电路直接得到正弦波,但信号频率随温度和时间的漂移较大,由于通过晶体振荡器可以得到频率稳定度很高的矩形信号,这种由矩形波得到正弦波的方式极大地改善了信号源的性能。同时,通过单片机的定时器可以很方便地得到一个指定频率的矩形信号,如果对频率的分辨率要求不是特别高,可以很方便地由单片机和滤波器构成信号发生电路,简化电路设计和成本。

 

 

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