水聲信號(hào)功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．3 巴特沃思低通濾波器
巴特沃思又稱為最平的濾波器，其具有帶通內(nèi)極大平坦，過渡帶與阻帶單調(diào)性良好等特點(diǎn)。隨著階數(shù)的增加其特性更接近理想等優(yōu)點(diǎn)，因此成為信號(hào)處理中應(yīng)用最廣泛的幾種濾波器之一。為了使輸出的正弦信號(hào)不出現(xiàn)失真，同時(shí)保留原有信號(hào)的幅度信息，因此需要濾波器帶通內(nèi)增益平坦無波動(dòng)，所以采用巴特沃思濾波器。這里通過集成濾波器MF6實(shí)現(xiàn)6階巴特沃思低通濾波器。
MF6是6階巴特沃思低通濾波器，其工作頻率范圍是0．1～10 kHz。由于采用了交換電容技術(shù)，MF6工作時(shí)所需的外設(shè)很簡(jiǎn)單，MF6的截?cái)囝l率fs是通過一個(gè)外界輸入的參考頻率fi進(jìn)行調(diào)節(jié)。fi是頻率為fs的1／100或1／50符合TTL或CMOS電平的時(shí)鐘信號(hào)。參考信號(hào)的電平類型可通過控制位進(jìn)行控制。當(dāng)參考頻率為125 kHz時(shí)，實(shí)測(cè)截?cái)囝l率為1．25 kHz。其通帶內(nèi)平坦，帶外衰減線性程度好，滿足要求。
當(dāng)前一級(jí)的數(shù)據(jù)采集接口板產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)原信號(hào)頻率適當(dāng)倍數(shù)的參考信號(hào)。在該電路中，MF6的截?cái)囝l率設(shè)在信號(hào)的一次諧波頻率與二次諧波頻率之間。由于周期信號(hào)具有離散頻譜，一次諧波頻率位于通帶內(nèi)，其他諧波則被衰減。因此通過其濾波后，矩形信號(hào)便轉(zhuǎn)化為同頻率的正弦波。
2．4 大功率運(yùn)放
大功率運(yùn)放電路是以集成大功率運(yùn)算放大器LM12為核心，輔以外圍電路構(gòu)成，電路圖如圖6所示。

信號(hào)經(jīng)過巴特沃思濾波器濾波后轉(zhuǎn)化為具有正弦形式的信號(hào)，再經(jīng)過兩級(jí)由LF353運(yùn)放組成的帶通濾波器，進(jìn)一步濾除低頻與高頻部分噪聲。LM12CLK是一種大功率運(yùn)算放大器，在外接4 Ω負(fù)載時(shí)，最大輸出功率可達(dá)80 W。并且外圍電路簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便。信號(hào)經(jīng)過濾波電容以及兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓和阻抗匹配后進(jìn)入正相輸入端。反饋電阻并聯(lián)電容，使其具有低通濾波，濾除高頻分量的作用。同時(shí)在輸出端與電源之間連接輸出夾斷二極管，如圖6所示。若LM12CLK外接電感式負(fù)載，當(dāng)輸出達(dá)到電源電壓限制時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量可能使輸出電壓超過電源電壓。因此為了防止電流倒流，二極管是非常必要的。該電路的放大增益由反相輸入端的兩個(gè)電阻的比值決定。該部分電路通過Tektronix2022 示波器實(shí)測(cè)波形，結(jié)果如圖7所示。

圖7(a)是小信號(hào)工作時(shí)實(shí)測(cè)波形，2通道低幅度信號(hào)(50 mV／格)為輸入信號(hào)，1通道高幅度信號(hào)(50 mV／格)為輸出。從圖中可以看出，該電路能將小信號(hào)不失真地放大。圖7(b)是大信號(hào)工作時(shí)實(shí)測(cè)波形，2通道(1 V／格)表示輸入信號(hào)，1通道(5 V／格)為輸出信號(hào)，由圖可見，當(dāng)輸入信號(hào)不斷增加，輸出信號(hào)的幅度超過電源幅度時(shí)，由于二極管的穩(wěn)壓作用，輸出信號(hào)被限幅，不能超過12 V，以防止電流倒流。

3 結(jié)論
根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了各個(gè)具體的電路，經(jīng)過硬件調(diào)試，并編制相應(yīng)的控制軟件，成功實(shí)現(xiàn)程控增益調(diào)節(jié)，硬件電路工作正常穩(wěn)定。經(jīng)反復(fù)調(diào)整元件參數(shù)，當(dāng)輸入為0．1～10 kHz的矩形信號(hào)時(shí)，輸出為同頻率的正弦信號(hào)。輸出信號(hào)穩(wěn)定，除小于0．5 kHz的低頻段外無明顯失真，信號(hào)最大增益大于54 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。事實(shí)證明該巴特沃思濾波器幅頻特性通帶內(nèi)平滑，衰減帶內(nèi)單調(diào)性良好，只要截?cái)囝l率設(shè)置合理，完全可以濾出信號(hào)的基頻分量，將矩形信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)。以前的信號(hào)產(chǎn)生方式是通過RC電路直接得到正弦波，但信號(hào)頻率隨溫度和時(shí)間的漂移較大，由于通過晶體振蕩器可以得到頻率穩(wěn)定度很高的矩形信號(hào)，這種由矩形波得到正弦波的方式極大地改善了信號(hào)源的性能。同時(shí)，通過單片機(jī)的定時(shí)器可以很方便地得到一個(gè)指定頻率的矩形信號(hào)，如果對(duì)頻率的分辨率要求不是特別高，可以很方便地由單片機(jī)和濾波器構(gòu)成信號(hào)發(fā)生電路，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和成本。