Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Содержание

Задание на курсовой проект

Введение

Техническое задание

Основные технические характеристики

Теоретическая часть

Описание УМЗЧ для автомобильного радиокомплекма

Подбор аналогов

Моделирование УМЗЧ

Анализ схемы

Построение АЧХ

Построение ФЧХ

Построение переходной характеристики

Анализ Фурье

Анализ интермодуляционных искажений

Зависимость нелинейных искажений от частоты

Зависимость отношения сигнал/шум от частоты

Зависимость нелинейных искажений от мощности

Зависимость отношения сигнал/шум от мощности

Заключение

Список литературы

Приложения

усилитель мощность электрический интермодуляционный

Задание на курсовой проект

Введение

Разработка любого электронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требует изготовления макетов и их трудоёмкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства, например, при разработке больших и сверхбольших интегральных микросхем. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники.

EWB позволяет строить и анализировать любые электронные схемы, от самых простых до сложных, а так же рассчитывать статические и динамические характеристики полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы, тиристоры и т. д. Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам.

Программа легко осваивается и достаточно удобна в работе.

История создания программы ElektronicsWorkbench (EWB) начинается с 1989г. Ранние версии программы состояли из двух независимых частей. С помощью одной половины программы можно было моделировать аналоговые устройства, с помощью другой. цифровые. Такое “раздвоенное” состояние создавало определенные неудобства, особенно при моделировании смешанных аналого-цифровых устройств. В 1996г. в версии 4.1 эти части были объединены и через полгода выпущена пятая версия программы. Она дополнена средствами анализа примерно в объеме программы Micro-Cap V, переработана и несколько расширена библиотека компонентов. Средства анализа цепей выполнены в типичном для всей программы ключе - минимум усилий со стороны пользователя. Дальнейшим развитием EWB является программа EWB Layout, предназначенная для разработки печатных плат. Программа EWB обладает преемственностью снизу вверх, т.е. все схемы созданные в версиях 3.0 и 4.1 могут быть промоделированы в версии 5.0. Следует отметить, что EWB позволяет также моделировать устройства, для которых задание на моделирование подготовлено в текстовом формате SPICE, обеспечивая совместимость с программами Micro-Cap и Pspice.

Целью данной курсовой работы является создание с помощью программы Multisim 11 электрической схемы источника питания для усилителей и испытаний и проведение различных видов анализа.

Техническое задание

Промоделировать схему усилителя мощности звуковых частот, провести анализ схемы. Построить графики: АЧХ, ФЧХ., переходной характеристики, анализа Фурье (спектрального анализа) для уровня входного сигнала 0 дБ и -6Дб (уровень в два раза меньший, THD(P_вых ), THD(f), анализа интермодуляционных искажений, SNR(P_вых), SNR(f).

Основные технические характеристики

Номинальная выходная мощность,Вт,при напряжении источника питания 13.2 В и сопротивлении нагрузки,Ом:

8….…4

4…….6

Номинальный диапозон воспроизводимых частот при неравнолинейности АЧХ не более плюс минус 0,5 дБ, Гц………………….………..……..20...20000

Коэффициент гармоник,%, не более, при номинальной выходной мощности на частоте, Гц:

20……..0,055

1000……0,05

10000…0,055

20000…..0,08

Номинальное входное напряжение,В………………………………..…1

Входное сопротивление,кОм,не менее,в номинальном диапазоне частот 47

Отношение сигнал/шум (невзвешенное),дБ……………….........….80

Отношение сигнал/шум,дБ…………………………………………70

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс,не менее…….3

Ток покоя,мА,при напряжении источника питания 13,2В……….50

Коэффициент полезного действия при номинальной выходной мощности,%.....47

Теоретическая часть

Усилители мощности выполняют функции оконечных каскадов усилителей и предназначены для создания необходимой мощности на внешней нагрузке, которой обычно является акустическая система.

В комплексах высококачественного звуковоспроизведения усилитель мощности обычно выполняют в виде отдельного блока (или субблока). Он не содержит корректирующих АЧХ элементов и имеет плоскую АЧХ в широком диапазоне частот. В этом блоке не предусматривают никаких регулировок. Устанавливается лишь индикатор уровня выходной мощности. Уровень входного сигнала для этого усилителя нормируется, и обычно он равен 775±50 мВ. Усилитель мощности имеет большую выходную мощность (более 10 Вт), минимальный уровень собственных шумов (ниже --60 дБ) и коэффициент гармоник меньше 1%. Фазо-частотная характеристика усилителя линейна в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц.

Значительный запас мощности, которым обладает усилитель, позволяет получить большой динамический диапазон громкостей, что повышает естественность звучания, улучшает стабильность работы при номинальной мощности к обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходная мощность, которая может быть передана в нагрузку, определяется максимальными значениями напряжения, действующего на выходе усилителя, и тока, протекающего через усилитель при заданной нагрузке. Эти значения целиком и полностью определяются параметрами выходных транзисторов. Поэтому для усилителей мощности характерным является применение в оконечном каскаде высоковольтных транзисторов повышенной мощности, потребляющих от источников питания большую энергию. В свою очередь, максимальное использование оконечных транзисторов по напряжению и току приводит к росту нелинейных искажений.

Снижение уровня нелинейных искажений достигается в основном введением глубокой ООС. Однако при этом возрастает запаздывание сигнала на выходе и в цепи ООС, что является причиной динамических искажений.

На слух динамические искажения проявляются в виде потери высших частот, е неестественном оттенке звучания, так называемом "транзисторном звуке". Степень динамических искажений оценивается по скорости нарастания выходного напряжения усилителя мощности. Для уменьшения динамических искажений в высококачественных усилителях глубина ООС ограничивается в пределах 20......96 дБ. В качестве оконечных применяют мощные высокочастотные биполярные или полевые транзисторы, которые позволяют расширить диапазон усиливаемых частот и тем самым повысить быстродействие усилителя. Меры, принимаемые для снижения динамических искажений, приводят к возрастанию нелинейных искажений, и условие обеспечения их (динамических и нелинейных искажений) на низком уровне является противоречивым.

Часто для снижения нелинейных искажений для усилителей "малой мощности выходной каскад работает в режиме А. Однако это затрудняет термостабилизацию большого тока покоя транзисторов выходного каскада и снижает КПД усилителя.

В настоящее время в основном применяют бестрансформаторные выходные каскады, которые реализуют на трех-, четырехэлементных составных транзисторах при нескольких параллельно соединенных выходных транзисторах. Для них обычно предусматривается устройство защиты при перегрузке сигналом большого уровня и при коротком замыкания на выходе.

Качественные показатели усилителей мощности, их физические размеры в основном определяют качество всего усилительного устройства и поэтому неудивительно, что разработчики аппаратуры высококачественного звуковоспроизведения уделяют наибольшее внимание созданию высококачественных усилителей мощности. Поскольку требования к снижению нелинейных в динамических искажений являются противоречивыми, то это является источником поиска для разработчиков, это же обстоятельство объясняет многообразие технических решений, появляющихся в последнее время.

К основным параметрам усилителей мощности звуковой частоты относятся следующие:

максимальная выходная мощность Р_тах[Вт] --выходная электрическая мощность на частоте 1 кГц при значении коэффициента гармоник 10%;

номинальная выходная мощностьРном [Вт] -- выходная электрическая мощность, при значении коэффициента гармоник, заявленного для этого усилителя на частоте 1 кГц;

номинальная выходная мощность в полосе рабочих частот Рном[Вт] -- минимальная выходная электрическая мощность в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц при значении коэффициента гармоник, заявленного для этого усилителя на частоте 1 кГц;

коэффициент гармоник Кг[%]-- коэффициент нелинейных искажений, когда входным низкочастотным сигналом является синусоидальное напряжение;

коэффициент гармоник в режиме малой выходной мощности Кг(50 мВт) [%]--коэффициент гармоник, измеренный при выходной мощности 50 мВт;

коэффициент гармоник в полосе частот Кг[%]--максимальный коэффициент гармоник в диапазоне частот 20 Гц... 20 кГц при номинальной выходной мощности;

отношение сигнал-шум[дБ].--логарифм отношения выходного напряжения усилителя при номинальной мощности к среднеквадратическому напряжению шумов усилителя в полосе частот 20 Гц... 20 кГц;

нормированная АЧХ[дБ] --зависимость нормированного значения усиления G от частоты; G = 20 lg(К/Ко), где К --коэффициент усиления усилителя о диапазоне частот, Ко -- коэффициент усиления на частоте 1 кГц;

полоса рабочих частотДf[Гц]--диапазон частот, внутри которого нормированная АЧХ усилителя имеет неравномерность не более ±1,5 дБ измеряют при Рвых=0,1Рном;

фазо-частотная характеристика Дц[градус]--зависимость фазового сдвига Дц между составляющими входного и выходного напряжения от частоты f; Дцн -- значение Дц на частоте 20 Гц (нижнее), Дцн --значение Дц на частоте 20 кГд (верхнее);

коэффициент нелинейности фазовой характеристики дц [градус] -- наибольшее отклонение фазовой характеристики реального усилителя относительно идеальной фазовой характеристики, изменяющейся то линейному закону; дцн-- значение д(ц) на частоте 20 Гц, д(цн)значение д(ц) на частоте 20 кГц;

максимальная скорость нарастания выходного напряженияVmax[В/мкс] -- максимальное отношение ДUвых /Дt, где Дt -- интервал времени, за который происходят изменение выходного напряжения Uвыхна значение Uвыхна участке с наиболее крутым фронтом.

Описание УМЗЧ для автомобильного радиокомплекса

При разработке предполагаемого вниманию читателей усилителя мощности (УМЗЧ) для автомобильных и переносных радиокомплексов было проанализировано и проверено экспериментально большое число схемотехнических решений усилителей аналогичного назначения,как опубликованных в журнале “Радио”, так и использующихся в промышленной бытовой радиоаппаратуре. Цель исследований - определение схемотехнического решения усилителя 3Ч, позволяющего получить наилучшие технические характеристики при наименьшем числе деталей, небольшой трудоемкости изготовления и простоте настройки. Как выяснилось, полнее всего всем чтим требованиям удовлетворяет усилитель мощности на базе “параллельного” усилителя, разработанного А. Агеевым.

Однако двуполярное питание и относительно большой уровень нелинейных искажений вследствие использования диодного коммутатора не позволили воспользоваться этой оригинальной схемой применительно к автомобильной радиоаппаратуре с низковольтным питанием. Поэтому была проведена соответствующая доработка данного усилителя, в результате которой удалось создать УМЗЧ, питающийся от однополярного низковольтного источника и обладающий высокой линейностью.

Работоспособность усилителя сохранятся при изменении напряжения источника питания от 6 до 16 В и колебаниях температуры окружающей среды от минус 40 до плюс 60°С. Принципиальная схема усилителя приведена на рис.1. Он состоит из фазоинверторного каскада на транзисторе VТ1 и двухканального усилителя мощности на ОУ DА 1, DА2 и транзисторах VТЗ, VТ5, VТ7, VТ8 и VТ4, ‚VT6, VТ9, VГ10, включенных по мостовой схеме. Входной сигнал поступает на инвертирующие входы ОУ, неинвертирующие же входы подключены к делителю напряжения, образованному переменным резистором R8, в результате чего мост оказывается сбалансированным по постоянному току в широком диапазоне напряжений источника питания. В среднем положении движка резистора R8 постоянное напряжение на эмиттерах транзистор транзисторов VT7, VT8,VT9 и VT10 примерно равно половине напряжения источника питания. Идентичность каналов УМЗЧ, а также наличия возможности регулирования напряжения смещения на выходе ОУ DA2 резистором R14,позволили ограничить постоянное напряжение на выходе усилителя очень небольшой величиной (единицы милливольт), которая к тому же практически не меняется в широком диапазоне температуре окружающей среды и питающего напряжения. Включенный в цепь ООС R15 C 7 R9 C3 подстроечный резистор R13 обеспечивает возможность (при использовании постоянных резисторов с допустимым отклонением от номинального сопротивления ± 10 %) установки одинаковых уровней противофазных напряжений на выходах каналов и получение максимально возможной при данном напряжении питания выходной мощности УМЗЧ. Отсутствие в усилителе разделительных электролитических конденсаторов большой ёмкости исключает перегрузку громкоговорителя, вследствие переходных процессов в момент включения и выключения питания, а также подключения к аккумулятору мощных потребителей электроэнергии (стартера, указателей поворотов, электродвигателя вентилятора системы охлаждения) в случае эксплуатации конструкции в работающем автомобиле. Детали УМЗЧ, за исключением предохранителя и конденсатора С9, смонтированы на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Транзисторы VT3-VT10 установлены непосредственно на теплоотводах, изготовленных из даралюминиевого сплава АМЦ-2.Сами теплоотводы через прокладки из слюды толщиной 0,05 мм крепятся к металлическому корпусу радиокомплекса, площадь охлаждающей поверхности которого должна быть не менее 150 . При налаживании, замкнув вход усилителя накоротко, подключают его к источнику питания и с помощью резистора R8 устанавливают на эмиттерах транзисторов VT7 и VT8 напряжение, равное половине напряжения источника питания. Затем резистором R14 добиваются отсутствия постоянного напряжения на выходе усилителя, после чего, подключив эквивалентную нагрузку (резистор сопротивлением 4 Ом и мощностью 10 ВТ), проверяют ток покоя, который при напряжении питания 14,2 В не должен превышать 50 мА.

Далее размыкают вход усилителя, подают на него сигнал с генератора ЗЧ напряжением 0,5 В и частотой 1000 Гц и резистором R13 устанавливают на обоих выводах выхода УМЗЧ одинаковый относительно общего провода уровень противофазных напряжений. На этом налаживание усилителя заканчивают.

Практическая часть

Подбор аналогов

Импортные аналоги отечественных транзисторов,операционных усилителей.

Наименование	Обозначение	Импортный аналог
КТ31026	VТ1	BD135
КТ315Г	VT2	2N2221
КТ973А	VT3, VT4, VT8, VT9	TIP117
КТ972А	VT5, VT6, VT7, VT10	MJD112G
КР544УД2А	DA1,DA2	CA3130E

Моделирование УМЗЧ

Подобрав аналоги к отечественным элементам построим схему воспользовавшись программой ElektronicsWorkbench (EWB) (Multisim11).

Подадим на вход напряжение амплитудой 1.4 В. На выходе усилителя снимаем

Показания осциллографа: Uвых=3.438В.

Анализ схемы

Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя - конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты.

К линейным искажениям относятся частотные, фазовые и переходные искажения. Частотные искажения являются следствием неодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной полосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше, чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.

Построение АЧХ

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амлитудночастотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте К к коэффициенту усиления на средних частотах

В логарифмических единицах он равен

Задаем параметры анализа:

Вывод: Усилитель имеет некоторый спад коэффициента усиления в области нижних частот, что может быть вызвано наличием реактивных элементов и частотных свойств транзистора. В целом коэффициент усиления слабо зависит от частоты в рабочем диапазоне частот(20-20000Гц) как для схемы собранной на зарубежных аналогах так и для схемы на моделях.

Построение ФЧХ

Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается его форма. Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазочастотной характеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига выходного напряжения относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.

Вывод: как видно из графика ФЧХ по краям диапазон нелинейна и следовательно различные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, искажая тем самым форму выходного сигнала. На участке (154.8-3981 Гц) ФЧХ носит более линейный характер следовательно фаза выходного сигнала будет не сильно отличаться от фазы входного сигнала. По графику также видно что схема собранная на моделях имеет более правильную форму ФЧХ

Построение переходной характеристики

Для количественной оценки искажений из-за переходныхпроцессов, приводящих к изменению формы сигнала, удобно проанализировать переходную характеристику (ПХ) усилителя.

Переходная характеристика есть реакция усилителя на воздействие единичной функции и представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при скачкообразном изменении напряжения на входе усилителя.. Переходные искажения оцениваются искажениями фронта и плоской вершины импульса. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности и выбросу. Они приводят к динамическим искажениям, которые проявляются в виде завала фронта, резких перепадов уровня музыкального сигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-за запаздывания сигнала отрицательной обратной связи. Быстродействие усилителя можно оценить как по длительности фронта, так и по полосе пропускания или максимальной скорости нарастания переходного процесса. Чем больше скорость нарастания, тем качественнее воспроизводится звуковая панорама.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения V_max [В/мкс], показывает максимальное отношение , где - интервал времени, за который происходит изменение выходного напряжения U_выхна участке с наиболее крутым фронтом.

Вывод: как видно из графика переходной процесс не носит колебательного характера, следовательно не происходит самовозбуждения.

Анализ Фурье

Спектр входного сигнала представляется в виде бесконечного ряда гармоник с кратными частотами от до:

.

Реально же при звукоусилении имеют дело с конечным диапазоном частот, что означает, что за пределами некоторой полосы, ограниченной верхней частотой f_в, амплитуды гармоник равны нулю. В общем случае форма напряжения звукового сигнала не является периодической функцией времени и ее можно представить с помощью интеграла Фурье, являющегося распространением ряда Фурье на бесконечно большой период повторения функции. Для звуковых сигналов интервал между частотами гармоник стремится к нулю, и прерывистый спектр сигнала превращается в сплошной. А значит, что напряжение звукового сигнала имеет непрерывный спектр.

Вывод:спектральный анализ показывает, что на рабочем диапазоне частот присутствуют искажения сигнала. Это говорит о том что выходной сигнал будет представлять собой не чистую синусоиду, а искаженную кривую возле неё.

Интермодуляционный анализ

Поставим на входе схемы 2 последовательно соединённых источника переменного напряжения, частота первого 20 кГц, а частота второго 19кГц.После этого проведём спектральный анализ и покажем 19 и 20 гармоники.

Нелинейные искажения вызваны прохождением сигнала через элементы, имеющие нелинейные характеристики, например, через транзисторы, вследствие чего искажается форма колебания и меняется его спектральный состав.

Поскольку усилитель вносит нелинейные искажения, то на его выходе появляются новые компоненты (гармоники), отсутствующие на входе, что вызывает искажения тембра звука. Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник К_г:

,

где Р_г - суммарная мощность гармоник,

Р₁ - мощность полезного сигнала.

Из всех гармоник наиболее интенсивны вторая и третья. Остальные имеют гораздо малую мощность и мало влияют на форму выходного сигнала.

Коэффициент гармоник многокаскадного усилителя обычно близок к сумме коэффициентов гармоник отдельных каскадов. Поэтому если нелинейные искажения в предварительных каскадах соизмеримы с искажениями в оконечном каскаде, то общий коэффициент гармоник тракта звуковоспроизведения можно оценить по формуле:

К_г.общ= К_г1+К_г2+…+К_гn.

Однако коэффициент К_г дает неполное представление о нелинейных искажениях в усилителе, так как он не учитывает сигналы комбинационных частот, образующих в результате интерференции между отдельными составляющими сложного колебания.

Зависимость отношения сигнал/шум от частоты

Шумовые свойства высококачественных усилителей оценивают отношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходного напряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя к суммарному напряжению шумов на выходе. Обычно ее выражают в дБ. В усилителях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60…110дБ.

Порядок измерения отношения сигнал/шум (SINAD) и Кг (THD).

Для измерения этих двух параметров воспользуемся прибором DistortionAnalyser - XDA1.

Меняем частоту генератора (Frequency) и частоту прибора (FundamentalFreq).

Часть1:Запускаем схему. Ждем пока показания прибора (DistortionAnalyser - XDA1) стабилизируются и снимаем параметры THD в % и SINAD в Дб.

Показания снимаем в диапазоне 20-20000 Гц.

Зависимость нелинейных искажений от частоты

Вывод: из графика видно, что на низких частотах относительные нелинейные искажения сигнала имеют достаточно низкие значения, которые растут с увеличением частоты.

Зависимость отношения сигнал/шум от частоты

Вывод: во всем диапазоне частот зависимость отношения сигнал/шум от частоты падает от 90Дб для схемы собранной на аналогах. Данный показатель является достаточно хорошим т.к. в усилителях высшего класса отношение сигнал/шум достигает 20…96 Дб.

Зависимость нелинейных искажений от мощности

Запускаем схему. Ждем пока показания прибора (DistortionAnalyser - XDA1) стабилизируются и снимаем параметры THD в % и SINAD в Дб. Показания снимаем в диапазоне 20-20000 Гц.

Вывод: из графика видно, что на низких мощностях относительные нелинейные искажения сигнала имеют достаточно низкие значения, которые растут с увеличением частоты.

Зависимость отношения сигнал/шум от мощности

Вывод: на данном диапазоне мощностей зависимость отношения сигнал/шум от частоты падает от 91 Дб для схемы собранной на аналогах до 83 Дб.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы была промоделирована схема УМЗЧ с симметричным входом без общей ООС в программе MultiSim 11.А так же,построены графики АЧХ, ФЧХ, переходная характеристика, произведен анализ Фурье для уровней сигналов 0 дБ и -6 дБ, найдены зависимости нелинейных искажений и отношения сигнал/шум от частоты и мощности, были оценены основные характеристики схемы.

Список литературы

1. Д.И.Атаев, В.А.Болотников Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения. Москва, “Радио и связь”, 1986г.

2. П. Шкритек “Справочное руководство по звуковой схемотехнике”. М: Мир, 1991.

3. Руководство пользования ElectronicsWorkbench.

Размещено на Allbest.ru

...