水聲信號功率放大器的設計與實現

2．3 巴特沃思低通濾波器
巴特沃思又稱為最平的濾波器，其具有帶通內極大平坦，過渡帶與阻帶單調性良好等特點。隨著階數的增加其特性更接近理想等優點，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波動，所以采用巴特沃思濾波器。這里通過集成濾波器MF6實現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，MF6工作時所需的外設很簡單，MF6的截斷頻率fs是通過一個外界輸入的參考頻率fi進行調節。fi是頻率為fs的1／100或1／50符合TTL或CMOS電平的時鐘信號。參考信號的電平類型可通過控制位進行控制。當參考頻率為125 kHz時，實測截斷頻率為1．25 kHz。其通帶內平坦，帶外衰減線性程度好，滿足要求。
當前一級的數據采集接口板產生信號時，同時還會產生一個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。

信號經過巴特沃思濾波器濾波后轉化為具有正弦形式的信號，再經過兩級由LF353運放組成的帶通濾波器，進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，最大輸出功率可達80 W。并且外圍電路簡單，運用方便。信號經過濾波電容以及兩個電阻進行分壓和阻抗匹配后進入正相輸入端。反饋電阻并聯電容，使其具有低通濾波，濾除高頻分量的作用。同時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，電感中儲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電阻的比值決定。該部分電路通過Tektronix2022 示波器實測波形，結果如圖7所示。

圖7(a)是小信號工作時實測波形，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)是大信號工作時實測波形，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，當輸入信號不斷增加，輸出信號的幅度超過電源幅度時，由于二極管的穩壓作用，輸出信號被限幅，不能超過12 V，以防止電流倒流。

3 結論
根據以上原理，設計并實現了各個具體的電路，經過硬件調試，并編制相應的控制軟件，成功實現程控增益調節，硬件電路工作正常穩定。經反復調整元件參數，當輸入為0．1～10 kHz的矩形信號時，輸出為同頻率的正弦信號。輸出信號穩定，除小于0．5 kHz的低頻段外無明顯失真，信號最大增益大于54 dB，達到設計要求。事實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。以前的信號產生方式是通過RC電路直接得到正弦波，但信號頻率隨溫度和時間的漂移較大，由于通過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，通過單片機的定時器可以很方便地得到一個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生電路，簡化電路設計和成本。