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125KHz标准正弦波信号发生器
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125KHz标准正弦波信号发生器
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125KHz标正弦波信号发生器
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电子电路实验
综合设计总结报告
选题6： 125kHz标准正弦波发生器
班级：10-0433
姓名：汪尽涵
在标准的RFID（无线射频识别卡）中，按频率可分为几个等级，其中125KHz 是
一个比较常用的频率，由于其制作方便、通信可靠，因此得到了广泛的应用，其
中最重要的一部分就是产生一个125K Hz的正弦波信号加载到调制线圈中，但是常规的方法产生正弦波造价较高.本次实验所采用的方案是:用石英晶体、CD4060 等实现将 2MHz分频为125KHz；使用施密特触发器CD4049整形；利用R、C以及L设计振荡频率为125KHz的RLC串联谐振电路；OTL缓冲器提高电路的带载能力；利用比较器（74LS85）改变矩形波 信号占空比来实现正弦波幅度可控。用该方案来产生正弦波具有精度高，成本低，实现方便等特点。
设计选题及设计任务要求
设计选题：
1. 标准125KHZ正弦波发生器的设计实现
任务要求：
1．实现一个精确的125KHZ正弦波发生器；
2．幅值大于1V可调,稳定度&0.5*10^-2,准确度&0.5*10^-6
设计目的：
1. 掌握OTL电路的工作原理和工程设计使用方法。
2. 掌握分频器的设计构建方法。
3. 掌握正弦波发生器的原理及实现方法 。
4. 掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合多学科相关知识进行初步工程设计与实际调装系统电路的能力。
1.方案的设计
电路图如下
可以等效为
b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图所示，该电路是一个双回路振荡器，它的固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振回路，可以抑制其他谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，，因为在b-e型电路中，石英晶体则接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。其等效电路如图所示。
和一般LC振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感Le与普通电感不同，当频率由Wq变化到Wo时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线十分陡峭，而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。对于振荡器，当电路接为并联型振荡器，晶体起到等效电感作用，输出频率应为2MHZ，则由f0=1/2π知负载电容CL，即C2，C3，C4串联后的总电容，则分别取C2、C3、C4。为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频扼流圈，一般取扼流圈L1=10uH。
2.方案的论证
方案一是利用C51单片机编程实现125KHZ矩形波的输出，并利用单片机的外部中断来实现占空比可调，输出的矩形波经过整形后，送入RLC串联谐振电路产生125KHZ的正弦波，最后经过OTL功放电路提高负载能力。
方案二是利用石英晶体和CD4060产生2MHZ的正弦波，该正弦波通过74LS161和74LS85两个芯片组成的电路实现16分频与占空比可调，输出125KHZ的矩形波，然后让矩形波通过CD4049反相器达到整形目的，从而得到比较规整的矩形波，再通过RLC串联谐振电路产生正弦波，最后经OTL功率放大电路提高带负载能力。
方案三是利用晶体振荡电路产生2MHz正弦波, 该正弦波通过74LS161和74LS85两个芯片组成的电路实现16分频与占空比可调，输出125KHZ的矩形波，然后让矩形波通过CD4049反相器达到整形目的，从而得到比较规整的矩形波，再通过RLC串联谐振电路产生正弦波，最后经OTL功率放大电路提高带负载能力。
方案一具有灵活多变的特点，只要更改程序然后下载到单片机中就可以实现不同频率不同占空比的矩形波，改变范围大。但该方案与方案二相比较成本要高，且需要编程实现较为复杂。方案二具有精度高、经济、简单且不需要编程等优点，缺点是占空比调节范围较窄。方案三与方案二区别较小，只是在正弦波发生器这一模块有所区别，与方案二相比具有使频率稳定的电抗补偿作用的优点。本选题要求是占空比可调即可，方案二与方案三均能实现多种占空比，故符合设计任务要
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音频功放的种类与D类功放的工作原理
&&& 二、普通音频放大器应用电路
&&& 普通音频放大器的具体电路有很多种，现以在功放机中采用得最多的全直流全对称互补功放电路为例进行简要介绍。
&&& 该功放电路具有电路简单、失真与噪声低、转换速率高等优点。如图6所示。该功放可对5&O负载提供100w的不失真功率，输入灵敏度为300mV，输出噪声电压为1.2mV。
&&& 在该电路中，二极管D1、D2起隔离供电作用，以提高在大动态突发信号输入时前级电路的驱动能力。当大动态突发信号到来时，末级输出管的电流剧增，迫使电源电压瞬间下降，这时由于D1、D2的反向隔离作用，滤波电容C5、C7上的电压不能突变，仍可基本保持原电压，故推动级仍能继续提供较高的信号电压和较大的驱动电流，使声音听起来更加强劲有力。由于大动态的突发信号常出现于低频段，因而该技术的采用对于超低频功放来说尤其具有重要意义，实际听感也证实了这一点。
&&& 本电路的直流工作点已由设计确定，其中输入级差分对管的工作电流为0.9mA，输出管的静态电流为80mA，工作于AB类状态。为提高输出级静态工作点的热稳定性，在其偏置电路中采用二极管D3-D5和负温度系数热敏电阻R10进行温度补偿，其中R10贴装于功放管散热器上，此举对提高功放的热稳定性很有效，末级管的冷、热态静态电流可控制在30mA-80mA内，无须&热身&，一开机便可进入较佳的工作状态。如不采用R10，冷、热状态静态电流变化范围为0～100mA。若将R10的值改为200&O，热稳定性还能进一步提高。
&&& 三、D类功率放大品
&&& 从以上介绍可知，影响放大器效率的主要因素是无信号时的工作电流大小，即该电流所形成的直流功率损耗。无信号时，电流愈大则直流损耗越大，效率越低。为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号输入时，也没有直流损耗。但是，信号导通角越小，波形失真就越大，输出信号中的谐波成分就增加，这两个要求是相互矛盾的。
&&& 如果输入波形的边沿很陡峭，即使降低工作点，对导通角的影响也很小，失真劣化不大，而效率又可以得到提高。波形陡峭的极限状态是输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都不会发生变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的D类功率放大器。
&&& D类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流；导通时，没有直流损耗。事实上，由于关断时器件中尚有微小的漏电流，而导通时器件又没有完全短路，尚有一定的管压降，故存在较少的直流损耗，因此其实际效率为80%～90%，这仍是现有放大器中效率最高的。
&&& 正是由于D类放大器的效率高，功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。另外，由于D类功放工作在频率比音频频率高10多倍的脉冲状态，故电源整流纹波对电路工作影响很小。
&&& 1．电路组成
&&& D类功率放大器工作于开关状态，基本结构主要由调制器、D类功放和低通滤波器组成，如图7所示。
&&& 第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后送到运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端，如图8所示。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置电压为三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1:1的方波。当有音频信号输入时，在正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1:1;在负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1:1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM （Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）波形。
&&& 第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压；大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。
&&& 第三部分是低通滤波器，其作用是把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。由于此时电流很大，若采用RC结构的低通滤波器，电阻会消耗大量电能，这显然是不允许的，所以此处采用LC低通滤波器。当占空比大于1:1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；当窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来。
&&& 2．工作原理简述
&&& 在D类功率放大器中，先是将输入的信号转化为PWM信号，即脉宽调制信号。在一般的D类功放电路中，没有采用A/D（模／数）变换电路得到PWM信号，而是用一个幅度与放大的正弦波信号近似的三角波，作为变换器输入，如图9所示，这个变换器相当于同相比较器。当正弦波幅度大于三角波幅度时，变换电路输出&1&；正弦波幅度小于三角波幅度时，变换电路输出&0&；这样就可将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅度变化的PWM波。
&&& 当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动功率放大器工作，然后经过低通滤波器推动扬声器发声。
&&& 值得一提的是，音频PWM编码也可以通过以下两种途径获得：一是对模拟音频信号进行A/D变换，直接生成PWM数字音频信号；二是对其他编码的数字音频，如CD的PCM数字信号，数字信号需先经PCM-PWM转换器转变成为PWM脉冲信号，再送往后级。
&&& D类功率放大器中的开关管采用功率型MOSFET，即大功率场效应管，并为保证有足够的激励电压，还设有驱动电路，使MOSFET能充分地开启和关断。
&&& 提示：D类音频功率放大器的工作基于PWM模式，即将音频信号与采样频率比较，经过自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波，然后经过驱动电路，加到功率MOs管的栅极，控制功率器件的开／关，实现放大。放大的PWM信号经过低通滤波器后，还原为音频信号。&&&[2]&&&
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