一分六音視頻分配器課程設計報告

可編輯版/課程設計報告書課題：音視頻分配器電路院〔系：機電工程學院專業(yè)：電氣工程及其自動化學生姓名：學號：一、音視頻分配器電路的主要內(nèi)容本次課程設計的任務要求是用分立元件設計一個音視頻分配器電路。性能指標要求為：音頻頻響,音頻輸入:最小電平VP-P最大電平VP-P,音頻輸出：最小電平VP-P最大電平VP-P,輸入輸出阻抗：Ω；視頻頻響：。視頻輸入:最小電平,最大電平視頻輸出：最小電平,最大電平,輸入輸出阻抗：資料收集1、由于本課題中含有分立器件構(gòu)成的寬頻帶放大器電路、功率放大電路,因此首先收集了部分三極管的技術(shù)手冊,以供設計時參考使用。2、在資料收集方面：通過查閱互聯(lián)網(wǎng)和圖書館中的有關(guān)技術(shù)文檔為參考,以《電子技術(shù)基礎〔模擬部分第六版》、《晶體管電路設計》為設計依據(jù)。3、在計算機輔助設計方面：采用SIMetrix軟件對設計進行仿真,并最后使用AltiumDesigner14完成原理圖和PCB版圖繪制。三、工作過程簡介接到選題安排后根據(jù)題目要求進行討論得到了一個總體方案,方案將電路分為三大模塊：電源模塊、視頻信號放大模塊、音頻信號放大模塊。接下來就是分模塊方案：視頻放大器部分采用三級構(gòu)架構(gòu)成,即：輸入緩沖級—寬頻放大級—功率輸出級；音頻放大器部分采用三級構(gòu)架構(gòu)成,即：輸入緩沖級—電壓放大級—功率輸出級；電源部分由于考慮實際電路的需要,因此決定采用硅堆整流——三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓的結(jié)構(gòu)。完成理論設計后在SIMetrix仿真軟件中對視頻放大器,音頻放大器進行仿真,通過調(diào)整相關(guān)元件參數(shù)使電路最終能達到設計要求,完成設計工作。隨后使用AltiumDesigner14輸入原理圖和繪制PCB版圖。采用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)將打印好的PCB版圖轉(zhuǎn)印在銅板上,確認轉(zhuǎn)印良好后進行腐蝕、打孔、焊接元器件等工作,檢查電路接線,焊接無誤后進行電路板通電調(diào)試。在首次上電測試過程中雖然實現(xiàn)了主體功能,但是沒有達到預期的效果。仿真結(jié)果和實物有一些出入。實際電路板部分參數(shù)沒有達到設計要求,寬頻放大器部分頻率響應上有缺陷,后經(jīng)設計修改解決了這一問題。在音頻部分的調(diào)試過程中,我們發(fā)現(xiàn)功率級偏流很大,發(fā)熱嚴重。后經(jīng)原因排除,確定問題在于我們直接接信號送入了動態(tài)偏置電路的基極,導致偏置失穩(wěn)。最后經(jīng)仿真試驗證,將信號輸入的方式進行了一些調(diào)整,將原本從偏置電路基極輸入的信號改到射極輸入,最終調(diào)試成功,完成了整體工作。目錄TOC\o"1-3"\h\u1.系統(tǒng)概述 11.1.系統(tǒng)設計思路 11.2.可行性論證 11.3.各功能塊的劃分與組成 11.4.總體工作原理 22.單元電路設計與仿真22.1.各單元電路的選擇 22.2.設計及仿真32.3.工作原理52.4.有關(guān)參數(shù)的計算及元器件參數(shù)的選擇 63.電路的安裝與調(diào)試 63.1.安裝與調(diào)試過程 63.2.性能指標 74.結(jié)束語 95.鳴謝96.參考文獻97.附錄107.1.附錄1——元器件明細表 107.2.附錄2—電路圖117.3.PCB版圖12系統(tǒng)概述系統(tǒng)設計思路參考有關(guān)資料和題目要求,我們決定采用三極管作為設計的主要器件,三極管發(fā)展歷史較長,工藝成熟,價格較低,而且工作條件寬松,適合本次課程設計的需求,所以整個方案都將以三極管為核心器件進行。由于考慮到音視頻分配器的實用性,電源部分特地采用硅橋整流和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓的方案,以適應交直流供電的各種條件；此外,為照顧電源系統(tǒng)的通用性,整個供電系統(tǒng)使用±15V供電。在電路總體框架上,我們考慮到音頻信號和視頻信號的性質(zhì)不一致,帶寬有所差別,故最終采用音頻視頻分離的方案。音頻視頻分離的方案將采用兩組放大電路,分別對信號進行處理。這樣既降低了成本,也減少了設計難度。輸入輸出級采用射級跟隨器進行緩沖,降低了接口匹配技術(shù)難度?？尚行哉撟C我們?yōu)楸敬握n設準備了三個方案。方案一：直接采用射級跟隨器直接進行設計,僅對信號的電流進行放大,末級也直接采用射級跟隨器作為緩沖,直接將信號進行輸出。方案二：直接采用電壓放大器進行設計,僅對信號的電壓進行放大,末級采用射級跟隨器作為緩沖,將信號輸出。方案三：采用射級跟隨器進行緩沖,中間級采用信號的電壓進行放大,末級采用射級跟隨器作為緩沖輸出。由于射級跟隨器的電壓放大倍數(shù)小于1,因此方案一不能使得輸出信號與輸入信號等大,故不采用該方案。由于共射放大器的輸出阻抗較大,帶負載能力差,因此方案二不能使得輸出信號在負載上不失真,故不采用該方案。方案三由于采用了射級跟隨器進行緩沖,使得輸入信號更好的傳遞,減少線路上的駐波,降低傳輸阻抗；射級跟隨器的輸出阻抗很低,使得負載上能夠得到最夠的功率。中間級采用了電壓放大器,克服了射級跟隨器電壓放大倍數(shù)小于1的問題,使得設計可以順利進行,故最終選用方案三。各功能塊的劃分與組成本方案將電路分為三大模塊：電源模塊、視頻信號放大模塊、音頻信號放大模塊。視頻放大器部分采用三級構(gòu)架構(gòu)成,即：輸入緩沖級—寬頻放大級—功率輸出級；輸入緩沖級采用射級跟隨器進行緩沖,使得信號能夠很好的被放大器采集。寬頻放大級采用共基極放大器進行電壓放大,由于共基極放大器具有較寬的通頻帶,使得整機能夠滿足設計指標。功率輸出級采用互補功率放大器進行輸出,使得負載上得到足夠的功率。音頻放大器部分也采用三級構(gòu)架構(gòu)成,即：輸入緩沖級—電壓放大級—功率輸出級。輸入緩沖級采用射級跟隨器進行緩沖,使得信號能夠很好的被放大器采集。電壓放大級采用共射極放大器進行電壓放大,由于共射極放大器具有較高的電壓增益,使得整機能夠滿足設計指標。功率輸出級采用甲乙類互補功率放大器進行輸出,輸出管使用達林頓結(jié)構(gòu)和動態(tài)偏置技術(shù),使得負載上得到足夠的功率的同時盡量減少電路功耗,以減輕電源部分的負擔,降低整機容量。電源部分由于考慮實際電路的需要,因此決定采用硅堆整流——三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓的結(jié)構(gòu),此方案采用78XX、79XX系列穩(wěn)壓器,此穩(wěn)壓器具有簡單易用,紋波小,工作可靠,抗沖擊能力強,輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。采用此穩(wěn)壓器可以使得我們的設計簡單可靠。總體工作原理視頻信號經(jīng)由傳輸線送入與75Ω輸入電阻進行阻抗匹配,信號經(jīng)輸入耦合電容耦合至視頻放大器的射極跟隨級,經(jīng)射極跟隨級緩沖的的信號通過C2耦合送入共基極放大器進行放大,放大后的信號經(jīng)C4耦合送入末級互補功率放大器進行輸出,輸出級使用75Ω電阻進行阻抗匹配。音頻信號經(jīng)由傳輸線送入與600Ω輸入電阻進行阻抗匹配,信號直接耦合至音頻放大器的射極跟隨級,經(jīng)射極跟隨級緩沖的的信號通過C21耦合送入共射極放大器進行放大,放大后的信號經(jīng)C22耦合送入末級甲乙類互補功率放大器進行輸出,輸出級使用600Ω電阻進行阻抗匹配。單元電路設計與仿真各單元電路的選擇各部分的輸入端均采用射極跟隨器作為輸入緩沖,射極跟隨器具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。使用此電路作為緩沖級可大大優(yōu)化電路性能,使得輸入輸出阻抗匹配變得較為容易。使用射極跟隨器還可使得級間耦合更將更加簡便,設計難度減小,系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。在視頻放大器中間級部分,采用了共基—共集放大電路,使得系統(tǒng)頻率響應得到提高,同時共集電極輸出克服了共基極放大器輸出阻抗不足,帶載能力差的問題。在整體完成以后,我們還引入了RC頻率補償網(wǎng)絡,使得電路的頻率特性得到很好的延伸,使系統(tǒng)能夠適應更復雜的工作條件。在音頻放大器中間級部分,采用了共射放大電路,使得環(huán)路電壓增益得到提高,同時采用深度負反饋克服了共射放大器溫度穩(wěn)定性差,受器件參數(shù)影響大的問題。在音頻系統(tǒng)中沒有加入環(huán)路反饋。使得輸入信號得到較好的還原,減小因反饋網(wǎng)絡的特性而引起的失真。各部分的輸出端均采用互補功率放大器作為輸出級,互補功率放大器具有較高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗。使用此電路作為輸出級可極大的優(yōu)化電路性能,使得輸出阻抗匹配變得很容易。在音頻部分,我們采用了動態(tài)偏置電路〔電壓倍增器使得在較小的功耗下取得較好的偏置效果,能夠增大電路的動態(tài)范圍。輸出部分采用達林頓結(jié)構(gòu),使得輸出阻抗更小,帶載能力更強,系統(tǒng)通用性得到增強。設計及仿真通過以上的分析,我們對視頻放大電路進行了如下設計：對該部分的仿真結(jié)果如下：通過仿真,我的可以看到,該電路的頻率響應等關(guān)鍵參數(shù)滿足設計要求,可以照此設計定型制作。參照音頻部分的要求,我們做出了如下設計：對該部分的仿真結(jié)果如下：通過仿真,我的可以得出結(jié)論,該電路的頻率響應,放大倍數(shù),帶載能力差等關(guān)鍵參數(shù)滿足設計要求,可以照此設計進行制作。工作原理視頻信號經(jīng)由傳輸線送入與75Ω輸入電阻進行阻抗匹配,信號經(jīng)輸入耦合電容耦合至視頻放大器的射極跟隨級,該級由R2、R3提供偏置,R4作為負反饋,R1為輸出電阻,三極管的靜態(tài)工作點設置在UBEQ=0.6V,UCEQ=7.2V,ICQ=7.1mA,三極管選用9018以拓寬頻率響應。經(jīng)射極跟隨級緩沖的的信號通過C2耦合送入共基——共集放大器進行放大,該級由R5、R6提供偏置,R7、R8、R9作為負反饋,R7為輸出電阻,C3對Q2基極進行交流旁路,使之構(gòu)成共基極組態(tài),三極管Q2的靜態(tài)工作點設置在UBEQ=0.6V,UCEQ=4.53V,ICQ=1mA；共集部分與共基部分采用直接耦合的方式,輸出電阻R7作為其偏置電阻,R10起到基極限流的作用,三極管Q3的靜態(tài)工作點設置在UBEQ=0.6V,UCEQ=8.8V,ICQ=8.8mA,三極管均選用9018以拓寬頻率響應。放大后的信號經(jīng)C4耦合送入末級互補功率放大器進行輸出,互補功率放大器采用二極管D1、D2、R12、R13作為偏置,使之工作在甲乙類狀態(tài),以消除交越失真；輸出三極管選用C1815,A1050對管進行,該對管具有較高的β值〔β≥300,較高的fT〔fT≥200MHz適合作為互補輸出。輸出級使用75Ω電阻進行阻抗匹配,使輸出信號不致在信號線上產(chǎn)生駐波而使傳輸損耗增大。該級的UCEQ均在2V以上,可以滿足要求中對視頻信號幅度的要求。音頻信號經(jīng)由傳輸線送入與600Ω輸入電阻進行阻抗匹配,信號直接耦合至音頻放大器的射極跟隨級,該級由R21提供基極偏置,R22為輸出電阻,三極管的靜態(tài)工作點設置在UBEQ=0.6V,UCEQ=15.6V,ICQ=14.4mA,三極管選用9014。經(jīng)射極跟隨級緩沖的的信號通過C21耦合送入共射極放大器進行放大,該級由R23、R24提供偏置,R26、R27作為負反饋,R25為輸出電阻,電容C23對R27進行交流旁路,以保證放大倍數(shù)；三極管的靜態(tài)工作點設置在UBEQ=0.6V,UCEQ=9.13V,ICQ=7.03mA,三極管選用9014。放大后的信號經(jīng)C22耦合送入末級甲乙類互補功率放大器進行輸出,末級甲乙類互補功率放大器采用三極管Q12、RW2、R30、R28、R29作為偏置,使之工作在甲乙類狀態(tài),以消除交越失真；輸出三極管選用ss8550,ss8050對管作為達林頓管的第一部分,該對管具有較高的β值〔β≥200,較高的IC〔IC≥1A適合作為達林頓輸出的前級,達林頓的第二級由功率對管TIP41,TIP42組成,以此增強輸出能力。輸出級使用600Ω電阻進行阻抗匹配,使輸出信號不致在信號線上產(chǎn)生駐波而使傳輸損耗增大。該級的UCEQ均在6V以上,也可以滿足要求中對音頻信號幅度的要求。電源部分使用雙電源供電,供電經(jīng)輸入端輸入,硅堆整流。當輸入為交流時,從硅堆輸出脈動的直流電；當輸入為直流時將能起到自動防止反接〔即實現(xiàn)直流自動換向功能,從硅橋輸出的直流電經(jīng)過C00、C01、C02、C03濾波,考慮到實際用電時可能存在的問題,濾波電容容量為1000μF。直流電經(jīng)濾波后送7815、7915穩(wěn)壓,得到整機所需的供電。在供電環(huán)路上,C16、C17、C18、C19、C20、C21作為級間退耦電容,減少了某一部分的信號通過電源系統(tǒng)對其他部分的電路造成竄擾。電源指示電路由RD1、RD2、D01、D02組成。有關(guān)參數(shù)的計算及元器件參數(shù)的選擇視頻部分輸入阻抗的計算：視頻頻部分輸出阻抗的計算：音頻部分輸入阻抗的計算：音頻部分輸出阻抗的計算：鑒于電路要求較高的穩(wěn)定性,能夠在一般條件下穩(wěn)定工作,我們在每一級電壓放大器上引入了較大的反饋。所以,在晶體管的選擇上,我們選用了β值較高〔β≥300的9014三極管；對于視頻放大器部分,由于要求有很寬的通頻帶,因此我們選用了fT≥1GHz的9018三極管作為視頻部分用管。在音頻部分的功率輸出級,選用了β≥200、IC〔IC≥1A的ss8550,ss8050作為達林頓輸出的第一級,大功率三極管TIP41C、TIP42C作為功率后級構(gòu)成功率達林頓輸出。電阻元件一律選用1%金屬膜電阻,保證設計的精度。電路的安裝與調(diào)試安裝與調(diào)試過程將AltiumDesigner14設計的PCB圖打印到PCB紙上,使用熱轉(zhuǎn)印法將PCB版圖印到銅板上,在完成對銅板上的PCB圖的修正與校驗以后對銅板進行腐蝕、鉆孔,將選配好的元器件焊接到電路板上,完成安裝工作。調(diào)試中使用SS1798C直流穩(wěn)定電源供電,SP3060型數(shù)字合成掃頻儀、SPF31A型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器與TEKTRONIXDPO2012BDIGITALPHOSPHOROSCILLOSCOPE配合進行調(diào)試。首次上電測試過程中雖然實現(xiàn)了主體功能,但是沒有達到預期的效果。仿真結(jié)果和實物有一些出入。實際電路板部分參數(shù)沒有達到設計要求,寬頻放大器部分頻率響應上有缺陷。在音頻部分的調(diào)試過程中,我們發(fā)現(xiàn)功率級偏流很大,發(fā)熱嚴重。針對這兩個技術(shù)難題,我們查閱了有關(guān)技術(shù)資料,做出了改進。在電路上修改增強頻率特性的負反饋量,通過修改RC補償網(wǎng)絡的參數(shù),使電路的高頻特性得到改善。通過修改RC的值,最終實現(xiàn)了電路帶寬從4.098MHz增加到11.66MHz。偏流很大的問題,后經(jīng)原因排除,確定問題在于我們直接接信號送入了動態(tài)偏置電路的基極,導致偏置失穩(wěn)。后來將原本從偏置電路基極輸入的信號改到射級輸入,偏流從400mA降至20mA,排除了全部技術(shù)故障。性能指標頻率響應：測試方法：高頻段使用SP3060型數(shù)字合成掃頻儀進行測試,低頻段使用SPF31A型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器與TEKTRONIXDPO2012BDIGITALPHOSPHOROSCILLOSCOPE配合進行測量。下限截止頻率的測量結(jié)果如下：音頻部分2.03Hz2.56Hz2.25Hz1.83Hz均值2.17Hz視頻部分10.05Hz8.79Hz9.45Hz7.99Hz9.07Hz視頻部分上限截止頻率的測量結(jié)果如下：音頻部分上限截止頻率的測量結(jié)果如下：由以上測試結(jié)果我們可以的得到測量結(jié)果如下：音頻部分：頻率響應；視頻部分：頻率響應。輸入輸出阻抗：測試方法：使用SPF31A型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器與TEKTRONIXDPO2012BDIGITALPHOSPHOROSCILLOSCOPE配合進行測量。音頻部分：信號源設置為輸出電壓1VP-P,頻率為1KHz。在信號源與被測板之間串入1個R=600Ω的電阻,用數(shù)字示波器測量輸入電壓和被測板輸入端的電壓。測試結(jié)果如下：Ui/mV9951004989均值996.00Ui`/mV497.9500493.8497.23視頻部分：信號源設置為輸出電壓1VP-P,頻率為1MHz。在信號源與被測板之間串入1個R=75Ω的電阻,用數(shù)字示波器測量輸入電壓和被測板輸入端的電壓。測試結(jié)果如下：Ui/mV9861014993均值997.66Ui`/mV495498495.5496.17以上測量結(jié)果表明,本次設計制造的電路板完全符合設計要求。結(jié)束語本次課程設計,我們按照設計要求,較為圓滿的完成了任務。所設計的電路完全達到要求。經(jīng)過了兩周的設計和仿真,我們完成了1分6