水聲信號功率放大器的設計與實(shí)現

2．3 巴特沃思低通濾波器
巴特沃思又稱(chēng)為最平的濾波器，其具有帶通內極大平坦，過(guò)渡帶與阻帶單調性良好等特點(diǎn)。隨著(zhù)階數的增加其特性更接近理想等優(yōu)點(diǎn)，因此成為信號處理中應用最廣泛的幾種濾波器之一。為了使輸出的正弦信號不出現失真，同時(shí)保留原有信號的幅度信息，因此需要濾波器帶通內增益平坦無(wú)波動(dòng)，所以采用巴特沃思濾波器。這里通過(guò)集成濾波器MF6實(shí)現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)所需的外設很簡(jiǎn)單，MF6的截斷頻率fs是通過(guò)一個(gè)外界輸入的參考頻率fi進(jìn)行調節。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。參考信號的電平類(lèi)型可通過(guò)控制位進(jìn)行控制。當參考頻率為125 kHz時(shí)，實(shí)測截斷頻率為1．25 kHz。其通帶內平坦，帶外衰減線(xiàn)性程度好，滿(mǎn)足要求。
當前一級的數據采集接口板產(chǎn)生信號時(shí)，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生一個(gè)原信號頻率適當倍數的參考信號。在該電路中，MF6的截斷頻率設在信號的一次諧波頻率與二次諧波頻率之間。由于周期信號具有離散頻譜，一次諧波頻率位于通帶內，其他諧波則被衰減。因此通過(guò)其濾波后，矩形信號便轉化為同頻率的正弦波。
2．4 大功率運放
大功率運放電路是以集成大功率運算放大器LM12為核心，輔以外圍電路構成，電路圖如圖6所示。

信號經(jīng)過(guò)巴特沃思濾波器濾波后轉化為具有正弦形式的信號，再經(jīng)過(guò)兩級由LF353運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是一種大功率運算放大器，在外接4 Ω負載時(shí)，最大輸出功率可達80 W。并且外圍電路簡(jiǎn)單，運用方便。信號經(jīng)過(guò)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外接電感式負載，當輸出達到電源電壓限制時(shí)，電感中儲存的能量可能使輸出電壓超過(guò)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(guò)Tektronix2022 示波器實(shí)測波形，結果如圖7所示。

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

3 結論
根據以上原理，設計并實(shí)現了各個(gè)具體的電路，經(jīng)過(guò)硬件調試，并編制相應的控制軟件，成功實(shí)現程控增益調節，硬件電路工作正常穩定。經(jīng)反復調整元件參數，當輸入為0．1～10 kHz的矩形信號時(shí)，輸出為同頻率的正弦信號。輸出信號穩定，除小于0．5 kHz的低頻段外無(wú)明顯失真，信號最大增益大于54 dB，達到設計要求。事實(shí)證明該巴特沃思濾波器幅頻特性通帶內平滑，衰減帶內單調性良好，只要截斷頻率設置合理，完全可以濾出信號的基頻分量，將矩形信號轉換為正弦信號。以前的信號產(chǎn)生方式是通過(guò)RC電路直接得到正弦波，但信號頻率隨溫度和時(shí)間的漂移較大，由于通過(guò)晶體振蕩器可以得到頻率穩定度很高的矩形信號，這種由矩形波得到正弦波的方式極大地改善了信號源的性能。同時(shí)，通過(guò)單片機的定時(shí)器可以很方便地得到一個(gè)指定頻率的矩形信號，如果對頻率的分辨率要求不是特別高，可以很方便地由單片機和濾波器構成信號發(fā)生電路，簡(jiǎn)化電路設計和成本。