北京交通大学模拟电子电路实验报告

《模拟电子技术》课程实验报告

集成直流稳压电源的设计

语音放大器的设计

集成直流稳压电源的设计

一、实验目的

1、 掌握集成直流稳压电源的设计方法。

2、 焊接电路板，实现设计目标

3、 掌握直流稳压电源的主要性能指标及参数的测试方法。

4、 为下一个综合实验——语音放大电路提供电源。

二、技术指标

1、 设计一个双路直流稳压电源。

2、 输出电压 Uo = ±12V ， 最大输出电流 Iomax = 1A 。

3、 输出纹波电压 ΔUop-p ≤ 5mV , 稳压系数 S U ≤ 5×10-3 。

4、 选作：加输出限流保护电路。

三、实验原理与分析

直流稳压电源的基本原理

直流稳压电源一般由电源变压器T 、整流滤波电路及稳压电路所组成。 基本框图如下。各部分作用：

1、电源变压器：降低电压，将220V 或380V 的电网电压降低到所需要的幅值。

2、整流电路：利用二极管的单向导电性将电源变压器输出的交流电压变换成脉动的直流电压，经整流电路输出的电压虽然是直流电压，但有很大的交流分量。

直流稳压电源的原理框图和波形变换

整流 电路

U i

U o

滤波 电路

稳压 电路

电源 变压器

～

3、滤波电路：利用储能元件（电感、电容）将整流电路输出的脉动直流电压中

的交流成分滤出，输出比较平滑的直流电压。负载电流较小的多采用电容滤波电路，负载电流较大的多采用电感滤波电路，对滤波效果要求高的多采用电容、电感和电阻组成的复杂滤波电路。

单向桥式整流滤波电路

不同R L C的输出电压波形

4、稳压电路：利用自动调整的原理，使输出电压在电网电压波动和负载电流变化时保持稳定，即输出电流电压几乎不变。

常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。二者的工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。它一般适用于负载电流变化较小的场合。串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。实验中为简化电路，我们选择固定输出三端稳压器作为电路的稳压部分。固定输出三端稳压器是指这类集成稳压器只有三个管脚输出电压固定，这类集成稳压器分成两大类。一类是78××系列，78标识为正输出电压，××表示电压输出值。另一类是79××系列，79表示为负输出电压，××表示电压输出值。

三端稳压电路基本应用电路 四、参数计算

1、整流电路参数

输出电压平均值：22

2)

(09.022)(sin 221U U wt td U U AV ≈=

=?

π

ωπ

π

输出电流平均值：L

L

AV AV R U R U I 2

)(0)(09.0≈

=

平均整流电流：L

L

AV AV AV D R U R U I I 2

)(0)(0)(45

.022

≈=

=

最大反向电压：22U U RM =

整流二极管的选择（考虑电网10±%波动）：???

??

>>2221.11.145.0U

U R U I R

L F

2、滤波电路参数

二极管导通角θ：

T/2

滤波电容的选择：2)(02.1,2

)

5~3(U U T

C R AV L ≈= 一般选择几十至几千微法的电解电容，耐压值应大于2256.121.1U U =。

3、实际计算过程

（1）要使W7812正常工作，必须保证输入与输出之间维持大于2V 的压降，因

此W7812输入端直流电压必须保证在14V 以上。W7812输入端的电流是对变压器副边输出电压U 2(t)整流、滤波后得到的。假设整流电路内阻为0，负载电流为0，W7812输入端有最大电压U=1.414U ef ，U ef 是U 2(t)的有效值。由于滤波电容不可能无限大，所以U<1.414 U ef ,根据经验可知U=1.2 U ef ，得U ef =14.4V ，考虑到整流桥经过两个二极管约有1.4V 的压降，得变压器可取15V 。

（2）变压器选择：变压器选择双15V 变压，考虑到电流不需要太大，最大电流

为2A ，实际选择变压器输出功率为30W ，可以很好地满足要求。 （3）整流桥：考虑到电路中会出现冲击电流，整流桥的额定电流是工作电流的

2~3倍。选取RS301（100V ,3A ）即可，实际购买过程中选择了2W10也符合设计要求。

（4）滤波电路：考虑到对纹波电压要求比较高，所以选择了2200uF 、耐压值为

25V 的电解电容。

（5）去耦电容：去耦电容的选择是由W7812和W7912芯片要求的，查手册可

知分别为0.1uF 和0.33uF ，用来滤除高频分量，防止产生自激。 （6）为了防止负载产生冲击电流，故在输出端加入220uF 、耐压值为25V 的电

解电容。

（7）W7912支路的原件参数与W7812支路相同。

（8）为防止W7812和W7912因过热而烧坏，需加装散热片。

五、整体电路

六、参数性能指标及测试

1、测量稳压电源输出的稳压值

把220V交流电从变压器一端输入，用示波器测量稳压电源的输出值。我们的测试结果是-11.8V和12.19V，基本符合规格。

2、测量稳压电源的纹波电压

纹波电压是指在额定负载条件下，稳压电源输出直流电压中所含的交流分量。

在交流电压为220V，负载电流最大（额定输出电流）的条件下，用示波器测量稳压电源的输出纹波电压。

我们测量出的纹波电压；当输出+12V时为155.2mV ,输出-12时为154.2mV，基本符合规格。

七、仿真报告

可以看到输入的正弦信号经过整流、滤波、稳压后最终得到我们所需要的+12V直流电压

八、元件清单

1、三端变压器（220V~15V 2A） 1个

2、2W10整流桥 1个

3、电解电容： 2200uF 耐压值25V 2个

220uF 耐压值25V 2个

4、独石电容：0.33uF 2个

0.1uF 2个

5、三端稳压器：W7812 1个

W7912 1个

6、散热片2个

7、导线若干

九、参考文献

1、《模拟电子技术》刘颖、任希、曾涛等.北京: 北京交通大学出版社，清华大学出版社，2008.4

2、《电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计》侯建军、佟毅等. 北京：高等教育出版社，2007.10

语音放大器的设计

一、实验目的

1、通过实验培养学生的市场素质，工艺素质，自主学习的能力，

分析问题解决问题的能力以及团队精神。

2、通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验，

掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。

二、设计任务与要求

1、设计任务

1）语音放大电路原理框图

语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成。

语音放大电路原理框图

2）性能指标

a)前置放大器：输入信号：Uid ≤10 mV

输入阻抗：Ri ≥100 kΩ。

b)有源带通滤波器：频率范围：300 Hz ～3 kHz

增益：Au = 1

c)功率放大器：最大不失真输出功率：Pomax≥1W

负载阻抗：RL= 8 Ω（4 Ω）

电源电压：+ 5 V，+ 12V，- 12V

d)输出功率连续可调

直流输出电压≤50 mV

静态电源电流≤100 mA

2、要求

1、前置放大器：增益：Av = Uo / Ui

输入阻抗：Ri = Uo2/(Uo1-Uo2) R

2、带通滤波器：增益：Av = Uo / Ui

通频带：BW = fH - fL

3、功率放大器最大不失真输出功率的测量

（输入1KHZ正弦波，调到输出最大不失真状态）

Pomax = U2omax / 2RL = U2o / RL

4、功率放大器直流输出电压和静态电流的测量

输入对地短路，测量直流输出电压。将万用表调至电流档，量程为

100mA，并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电

流。

三、总电路框图及总原理图

1、实验总体电路图

麦克→前置放大电路→RC有缘滤波器→功率放大电路→喇叭

2、各部分电路1）前置放大电路

R5 10kΩ

前置放大电路由2个同向放大电路组成，如上图所示。该电路具有输入阻抗高，电压增益容易调节，输出不包含共模信号等优点。本电路主要起放大电压幅度的作用。

2）带通滤波电路

宽带通滤波器，在满足LPF的通带截止频率高于HPF的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来可以实现Butterworth通带响应。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用于测量信号噪声比的音频带通滤波器。

3）功率放大电路

功率放大电路主要起放大电流的作用。其中TDA2030为集成功放器件，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。

四、 设计思路

依照原理框图，输入端可采用麦克风和音频线路输入两种形式，声音通过麦克风（或音频线路）输入前置放大电路，进行一次放大后输入二阶有源带通滤波电路，对通频带（300Hz~3000Hz ）以外的信号进行滤波，以消除杂音，最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路，进行功率放大后将声音通过扬声器输出。

五、 单元电路设计与参数计算

1、 前置放大电路

前置放大电路采用集成运放LM324构成两级放大电路。为增强对输入信号的保持性，故两级放大电路均采用同相放大电路组态。放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的值来调节，即21U U U A A A ?=总。放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。输入信号：mV U id 10≤，输入阻抗：Ω≥k R i 100。实验中，实际设计放大倍数10~1000倍，可通过电位器调节。

通过计算得元件参数如下：R 1=110k Ω，R 2=100k Ω，R 3=1M Ω，

R 4=100Ω，R

5

=10kΩ（滑变），R

6

=100Ω

2、RC二阶有源带通滤波电路

在滤波电路设计时采用LM324设计了具有Butterworth特性的二阶有源带通滤波器。在满足LPF的通带截止频率高于HLP的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来，可以实现Butterworth通带响应。用该方法构成的滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整。本实验设计带宽2.7kHz（300Hz-3000Hz），理论上能够抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号。实际与前级放大电路使用同一个LM324的其余两个运放。

通过计算得元件参数如下：R7=8.2kΩ，R8=8.2kΩ，R9=20kΩ，

R11=3.5kΩ，R12=3.5kΩ，R13=20kΩ，

C1=100nF，C2=100nF，C3=10nF，C4=10nF，

3、功率放大电路

功率放大的主要作用是向负载提供所需的功率，在信号不失真的前提下，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高。我们在设计时采用了TDA2030作为功率放大芯片。

TDA2030是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。它的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块内部具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。

（1）TDA2030主要参数：

（2）电路特点：

a)外接元件非常少。

b)输出功率大，Po=18W(RL=8Ω)。

c)采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。

d)开机冲击极小。

e)内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、

热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压

反冲等。

f)TDA2030能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能

够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。无疑，用它来做有源音箱的功率放

大部分或小型功放再合适不过了。

（3）引脚情况：

1脚是正相输入端

2脚是反向输入端

3脚是负电源输入端

4脚是功率输出端

5脚是正电源输入端。

（4）注意事项：

a)TDA2030具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V

的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲

串维持在规定的幅度内。

b)热保护：限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时

间的），或者环境温度超过时均起保护作用。

c)与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。万一结温超过时，

也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和

Io就被减少。

d)印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有

大的电流通过。

e)装配时散热片与芯片之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度

不得超过260℃，12秒。

f)虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。（5）元件参数的确定：

a)高频退偶电容一般为100nF。

b)耦合电容一般选用1～10μF∕25V，这里用22uF也符合要求。

c)消振移相电路由该集成块的数据手册可知，电容选用100nF。

六、安装与调试

安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有5个引脚，看准后，可直接焊在电路板上。按照布局图把元件逐一焊接在电路板上，对于电解电容等有极性的器件要用仪器判断好后再焊接。每一级元件全部焊接完成后，再仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。最好是焊完一级测试一级，这样如果出现问题比较容易查出来并改正。

在分级测试完成后，我们便把各级连接起来测试，但是并没有得到想要的结果。如果用信号源代替话筒，喇叭可输出放大后的声音，并且声音随信号源的频率变化而变化。但是，一接上话筒，就什么声音都没有，所以我们一致认为话筒不符合要求，于是在更换之后，得到了想要的结果。

（1）前置放大器的电压增益：

测试条件：输入50mV，1kHz的正弦交流信号

（2）带通滤波器的通带宽度：

测试条件：先输入1.0V，1kHz的正弦交流信号，再调节信号频率，找到上下截止频率

（3）功率放大器最大不失真输出功率的测量

测试条件：输入1V，1kHz的正弦信号

（4）功率放大器直流输出电压和静态电流的测量

测试条件：输入对地短路，测量直流输出电压。将万用表调至电流档，量程为100mA，并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电流。

六、性能测试及分析

（1）前置放大器：（输入信号为50mV，1kHz的正弦交流信号）

增益：100010000.100===

mV

V

U U A i U （2） 带通滤波器： 增益：100.2031.20≈==

V V

U U A i U （输入信号为1.0V ，1kHz 的正弦交流信号） 707.000.2438.10≈==

V V

U U A i U （输入信号为1.0V ，300Hz 的正弦交流信号） 707.000.2438.10≈==

V

V

U U A i U （输入信号为1.0V ，2.8kHz 的正弦交流信号） 通频带：BW=f H -f L =3000Hz-300Hz=2.7kHz （3） 功率放大器最大不失真输出功率的测量

===L

L o o R U

R U P 2

02

max max

2 1.35W ﹥1W （4） 功率放大器直流输出电压和静态电流的测量

测得功率放大器静态工作电流为：6.8mA

该语音放大器可将声音很好地放大并播放出来，各项指标均达到了设计要求。

七、仿真报告

R5

10kΩ

（1）前置放大电路仿真

滑动变阻为10kΩ*50%=5kΩ输入信号5mV 由示波器示数可知放大倍数A u=570

理论值：A u=A1*A2 =500；A1=10 A2=50

（2）二阶有源滤波电路仿真

输入V p-p =1V 频率1kHz A u =

i U U 0=414

.1297

.1=0.917