基于Proteus的音頻放大器電路設(shè)計與仿真

1、淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計畢 業(yè) 論 文學(xué)生姓名尹有友學(xué) 號171107078學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院專 業(yè)電子信息工程題 目基于Proteus的音頻放大電路設(shè)計與仿真指導(dǎo)教師付浩 副教授/學(xué)士2015年5月17淮陰師范學(xué)院畢業(yè)論文論文原創(chuàng)性聲明內(nèi)容本人鄭重聲明：本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。本論文除引文外所有實驗、數(shù)據(jù)和有關(guān)材料均是真實的。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：日期： 年 月 日摘要：音頻放大電路具有電路元件多

2、，電路邏輯規(guī)模大等特點，本文針對音頻放大電路在設(shè)計時遇到的參數(shù)匹配性低、電路調(diào)試復(fù)雜等問題，借助PROTEUS仿真軟件平臺設(shè)計了一種效率較高、操作簡單的音頻放大電路系統(tǒng)。該電路系統(tǒng)由前置放大模塊、音量控制模塊、功率放大模塊等模塊組成，通過調(diào)整電路元件及其參數(shù)，在PROTEUS軟件平臺對各電路模塊進(jìn)行電路設(shè)計和仿真分析。本電路在PROTEUS仿真環(huán)境下最終可以使電路將微弱的音頻信號進(jìn)行高效率地放大、傳輸，實現(xiàn)音頻放大的功能。該電路系統(tǒng)模塊設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)清晰，成本低，對于生活中擴(kuò)音器、功放設(shè)備等諸多領(lǐng)域中具有很好的推廣價值。關(guān)鍵詞：音頻放大電路，Proteus，仿真測試Abstract: Audi

3、o amplifier has a circuit element. The scale of the logic circuit and other characteristics, this paper for audio amplification circuit encountered in the design of parameters matching, circuit debugging complex etc., with Proteus simulation software platform, designs a kind of high efficiency and s

4、imple operation, audio amplification system.The circuit system is composed of pre amplifier module, tone adjustment module, power amplifier module, through adjusting circuit components and parameters, in the Proteus Software Platform of each circuit module of circuit design and simulation analysis.&

5、#160;In the PROTEUS simulation environment, the circuit can amplify and transmit the weak audio signal in high efficiency, and realize the function of audio frequency amplification. The circuit module of the system design is simple, clear structure, low cost, has good popularization value for l

6、ife amplifier, power amplifier equipment and many other fields.Key words:Audio amplifier,Proteus, Simulation test目 錄1 前言32 Proteus軟件及其對實驗教學(xué)的意義42.1 Proteus軟件42.2 基于Proteus仿真技術(shù)的音頻放大電路設(shè)計思路及其意義43 音頻放大電路系統(tǒng)設(shè)計53.1 設(shè)計要求53.2 系統(tǒng)總體框架圖53.3 總體設(shè)計圖44 功能模塊的設(shè)計64.1 前置放大模塊64.2 音量控制模塊74.3 功率放大模塊74.4 電源模塊85 Proteus設(shè)計與仿真

7、95.1 音頻放大電路的Proteus設(shè)計與仿真95.1.1 前置放大器電路仿真和分析95.1.1.1 電路組成95.1.1.2 電路測試與分析105.2.1 音量調(diào)節(jié)電路仿真和分析105.2.1.1 電路組成105.2.1.2 電路測試與分析105.2.2 OCL功率放大電路的仿真和分析125.2.2.1 電路組成125.2.2.2 參數(shù)測試135.2.3 電源模塊135.2.4 音頻放大電路145.3 音頻放大電路測試和分析15結(jié) 論16參考文獻(xiàn)17致 謝181 前言音頻放大器是音響系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，普遍應(yīng)用于日常生活中，具有很強(qiáng)的實用性，其主要功能是將微弱的音頻信號進(jìn)行放大、傳輸，最終以

8、足夠的強(qiáng)度去推動揚(yáng)聲器使原聲重現(xiàn)。音頻放大電路是模擬電路中一個典型的綜合性設(shè)計題目，它包含了功率放大器、前置放大器、電源等音響電路中經(jīng)常涉及的電路，也涉及到電壓、功率放大、容抗，阻抗匹配，負(fù)反饋和頻率響應(yīng)等重要概念和知識點。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件

9、三合一的設(shè)計平臺。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。本文以音頻放大器的設(shè)計為例，介紹基于Proteus仿真技術(shù)1-3的音頻放大電路的設(shè)計和仿真。2 Proteus軟件及其對實驗教學(xué)的意義2.1 Proteus軟件Proteus的ISIS是一款電路分析實物仿真系統(tǒng),提供了30多個元件庫,8000多種元件,以及各種虛擬儀器和圖表分析4,非常利于仿真電路的測量與調(diào)試。2.2 基于Proteus仿真技術(shù)的音頻放大電路設(shè)計思路及其意義負(fù)反饋放大電路、集成運(yùn)放的應(yīng)用、功率放大電路及直流穩(wěn)壓電源是模電課中最重要的幾個知識點。因此,本課程的實驗教學(xué)設(shè)計思路是:采用項目驅(qū)動的方法,

10、即以音頻功率放大器的設(shè)計為例,將其分解為前置放大模塊、音調(diào)調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊及直流電源模塊4個項目,貫穿于平時的實驗教學(xué)過程中,既驗證了各個獨立項目包含的基本應(yīng)用電路,又能讓學(xué)生通過對參數(shù)的調(diào)整、結(jié)果的分析加深對電路的工作原理等知識的掌握。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)則將已驗證的電路轉(zhuǎn)化為一個實際的產(chǎn)品,充分的鍛煉動手能力,以達(dá)到最終的教學(xué)目的。在整個實驗教學(xué)體系中,應(yīng)用Proteus技術(shù)具有如下幾個意義:1)由于Proteus仿真中的各種虛擬測試儀器,如示波器、信號源等的操作方法與實際使用十分相似,有助于熟悉并掌握常用電子儀器的使用和測量方法。2)Proteus驗證如負(fù)反饋放大電路、功率放大電路等經(jīng)典

11、電路及其結(jié)論非常方便,甚至可以通過聲卡輸出音頻效果,有助于獲得更直觀感性的認(rèn)識,加深對整個音頻電路工作原理的理解,從而激發(fā)對課程的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性。3)應(yīng)用Proteus仿真技術(shù),可搭建感興趣的各種應(yīng)用電路,在仿真環(huán)境中驗證電路可行性后,再進(jìn)行硬件操作,既減少了硬件耗材成本,又培養(yǎng)了學(xué)生自主創(chuàng)新的能力。4)當(dāng)對所學(xué)的理論知識如何應(yīng)用、應(yīng)用在哪里完全沒有概念時,就形成了理論與實踐的脫節(jié)。以Proteus為教學(xué)媒介,在設(shè)計仿真實操的過程中,引導(dǎo)修改器件及其參數(shù),通過對數(shù)據(jù)的分析,尋求問題產(chǎn)生的原因及解決的方法,更好地將理論與實踐聯(lián)系起來,實現(xiàn)從教學(xué)到實際工程應(yīng)用的過渡。3 音頻放大電路系

12、統(tǒng)設(shè)計3.1 設(shè)計要求（1）具有音量調(diào)節(jié)的功能；（2）每個聲道具有10W的功率放大；（3）雙電源供電。3.2 系統(tǒng)總體框架圖前置級UiUo音調(diào)控制電路OCL功率放大電路由于音頻信號源的輸出幅度設(shè)計性能，不足以滿足功率放大器輸出額定功率，因此第一級為前置放大電路，主要是信號源進(jìn)行阻抗匹配并實現(xiàn)一定的電壓放大。第二級為音調(diào)控制電路，主要是對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊羯幚?，實現(xiàn)高低音的提升和衰減。第三級為功率放大電路，實現(xiàn)電路技術(shù)指標(biāo)要求。最終可確定整個音頻放大系統(tǒng)5由3級構(gòu)成，如圖3-1所示。圖3-1 音頻放大電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3 總體設(shè)計圖可以將音頻放大電路分解為前置放大模塊、音調(diào)調(diào)節(jié)模塊、功率放大模

13、塊及電源模塊4個項目,將項目驅(qū)動教學(xué)法與Proteus仿真技術(shù)相結(jié)合,貫穿于整個實驗教學(xué)過程中。整個系統(tǒng)的電路設(shè)計框圖如圖3-2所示。音源信號輸入地線地線地線一點接地前置放大器電源功率放大器音量調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器圖3-2音頻放大電路設(shè)計圖 4 功能模塊的設(shè)計4.1 前置放大模塊在音響系統(tǒng)中，特別是進(jìn)行大功率放大時，功率放大器對輸入信號有一定的要求，太弱的輸入信號功率放大器是“不理睬”的，所以常常在功率放大器之前增加一級或多級前置放大器，將小信號的幅度放大到適合的范圍，再由功率放大器進(jìn)行進(jìn)一步的能量放大。前置放大器電路可以采用多種方式實現(xiàn)，如：晶體管構(gòu)成的前置放大電路，集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的前置放大電路6

14、。晶體管構(gòu)成的前置放大電路，經(jīng)過一段時期的使用，放大作用會減小或消失，當(dāng)三極管穿透電流過大或 c-e級漏電時，會產(chǎn)生噪聲，有時前置放大管還會出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象，使本級失去放大能力。在本文中，采用集成前置放大器電路。由于兩個聲道的電路圖是一致的，現(xiàn)以左聲道為例進(jìn)行介紹，如圖4-1所示。圖4-1 前置放大器原理電路圖在圖4-1中，信號流從左往右，即左邊的 VLin是左聲道的輸入端，接MP3播放器等音源，而右邊的 IO2 是左聲道的輸出端，電壓增益為2。4.2 音量控制模塊音調(diào)控制模塊的電路如圖4-2所示,核心芯片選用素有“運(yùn)放之王”之稱的NE5532,具有高精度、低噪音、高阻抗、高速、寬頻帶等優(yōu)良性

15、能,其高速的轉(zhuǎn)換性能大大改善了電路的瞬態(tài)性能,較寬的帶寬則保證信號的低、中、高頻段均能不失真輸出,使電路的整體指標(biāo)大大提高。采用負(fù)反饋型音調(diào)控制電路,由R5R11,C2C6組成選頻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)NE5532組成電壓并聯(lián)負(fù)反70饋式音調(diào)控制放大電路,由R1、R2、R3分別實現(xiàn)高音、中音、低音調(diào)節(jié),實現(xiàn)不同頻段提升和衰減功能,達(dá)到控制的目的。圖4-2音量調(diào)節(jié)電路4.3 功率放大模塊音源的信號經(jīng)過前置放大器后即進(jìn)入功率放大器進(jìn)行能量的提升，以便驅(qū)動揚(yáng)聲器工作還原聲音信號。 常用的功率放大器有 Class A、Class AB、Class D，其中 Class AB 在音響系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍， 本文采用 C

16、lass AB 放大器進(jìn)行設(shè)計7。同時，在選擇功率放大器之前要考慮揚(yáng)聲器的功率有多大，如果輸出功率大于揚(yáng)聲器的額定功率，揚(yáng)聲器就有被破壞的危險；反之，揚(yáng)聲器就有些浪費了。本文設(shè)計的功率放大器是一個小功率放大器，輸出功率為10W。功率放大器電路如圖4-3所示。其中，電位器R22控制輸入信號的幅度實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)，信號在由運(yùn)算放大器NE5532構(gòu)成的前置放大器中獲得電壓放大之后進(jìn)入 Class AB 放大器中進(jìn)行功率放大。兩對互補(bǔ)管 Q5和 Q6、Q7 和 Q8組成的 Class AB 放大器可向 8揚(yáng)聲器輸出9.511.5W的功率。通過調(diào)節(jié)電位器 R23可以改變反饋組件的頻率特性，從而使該 10W

17、放大器的低音效果得到提升或抑制。 在圖 4-3 中既有集成電路（NE5532），又結(jié)合了分立式的 Class AB 放大器（ Q5、Q6、Q7、Q8），體現(xiàn)出集成電路與分立式元件協(xié)同工作的優(yōu)勢。圖 4-3 功率放大器電路圖本文用一個小功率放大器改進(jìn)設(shè)計，如圖 4-2所示。其中，電位器 R22 控制輸入信號的幅度實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)，信號在由運(yùn)算放大器NE5532 構(gòu)成的前置放大器中獲得電壓放大之后，進(jìn)入 Class AB 放大器中進(jìn)行功率放大。兩對互補(bǔ)管 Q5 和 Q6、Q7 和 Q8組成的 Class AB 放大器可向 8 揚(yáng)聲器輸出 9.5-11.5W的功率。通過調(diào)節(jié)電位器 R23可以改變反饋組件

18、的頻率特性，從而使該10W放大器的低音效果得到提升或抑制。4.4 電源模塊電源模塊的電路如圖4-4所示,包含整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路,主要采用7812和7912三端集成穩(wěn)壓芯片。圖4-4 電源模塊電路圖中,C20和C20、C21和C21起旁路高頻干擾信號作用,C22和C22則是改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),利用二極管D5和D6的限幅功能保護(hù)穩(wěn)壓器。仿真測試可得一組±12V穩(wěn)壓電源。5 Proteus設(shè)計與仿真5.1 音頻放大電路的Proteus設(shè)計與仿真5.1.1 前置放大器電路仿真和分析5.1.1.1 電路組成前置放大路要求輸入阻抗較高、輸出阻抗較小，具有信號傳輸能力較好和帶負(fù)載能力強(qiáng)的特

19、點，一邊對后面音調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)的正常工作影響較小。前置放大電路設(shè)計見圖5-1，由場效應(yīng)管的共源放大電路和源極跟隨電路兩部分組成。此外，電壓源需經(jīng)過一級濾波器濾波，以減小電源對前置級的影響。圖5-1 場效應(yīng)管共源放大器和源級跟隨器組成的前置級放大電路5.1.1.2 電路測試與分析（1） 靜態(tài)工作點測試。在圖5-1輸入端接入信號發(fā)生器，將幅值調(diào)至0V，打開仿真開關(guān)可測得兩級放大電路的靜態(tài)參數(shù)分別為：UGS1=-2.46V,UD1=8V,UGS2=-1.68V,UD2=11.8V,UB3=12.5V,UCE3=1.1V,gm1=gm2=1.1，=164。由此可知，電路的靜態(tài)工作點處于合適狀態(tài)。（2） 動

20、態(tài)參數(shù)測試。在輸入端加載幅值為20mV、1kHz的正弦電壓信號，分別測得放大電路在接1.2k負(fù)載和空載時輸出電壓波形，如圖5-2所示。測得帶負(fù)載時輸出電壓uuLpp=120mV，電壓放大倍數(shù)AuL=3；不帶負(fù)載時輸出電壓ucpp=150mV，電壓放大倍數(shù)Au=3.75，輸出電阻r0=0.3k，仿真結(jié)果與理論計算非常相近。 a 帶負(fù)載時輸出波形圖 b 不帶負(fù)載輸出波形圖 圖5-2 前置放大電路輸出波形圖（3） 結(jié)果分析。根據(jù)圖5-2的仿真結(jié)果可得電路帶負(fù)載時的電壓放大倍數(shù)比不帶負(fù)載時電壓放大倍數(shù)小，且負(fù)載越小放大倍數(shù)越小，電路中引入的電流串聯(lián)負(fù)反饋能很好的提高電路的穩(wěn)定性。5.2.1 音量調(diào)節(jié)電

21、路仿真和分析5.2.1.1 電路組成常用音調(diào)控制電路有3種；RC衰減式音調(diào)控制電路、反饋式音調(diào)控制電路和混合式音調(diào)控制電路。本級電路設(shè)計如圖10所示，選用的是由R3R11,C7C9,CV1和Cv2組成選頻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放UA741組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋式音調(diào)控制放大電路，具有高、低音提升和衰減功能，且電路簡單，失真小。5.2.1.2 電路測試與分析（1） 波形音調(diào)測試。根據(jù)圖5-3所示連接電路，在高低頻條件下調(diào)節(jié)Rv1和Rv2，通過示波器觀察輸出波形如圖5-4所示。（2） 電路高低音衰減測試。對電路進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，其仿真如圖5-5所示。（3） 結(jié)論分析。由圖5-4測試結(jié)果可以直觀地觀測到電路很好地實現(xiàn)

22、了音調(diào)的調(diào)節(jié)功能，并且從揚(yáng)聲器也可清楚地分辨聲音提升和衰減的變化，由圖5-5（a），5-5（b）可知，電路低音提升量約26db，低音衰減量約-26db。由圖5-5（c）、5-5（d）可知，高音提升量約為15.8db，衰減量約為-15.8db。圖5-3 音調(diào)調(diào)節(jié)電路圖5-4 輸出波形圖圖5-5 輸出幅頻特性曲線5.2.2 OCL功率放大電路的仿真和分析5.2.2.1 電路組成圖5-6為一典型OCL功率放大電路,電路采用雙電源供電,由運(yùn)算放大器741組成前置放大電路,用以提高輸入電阻和共模抑制比,調(diào)節(jié)音量大小,消除交越失真。Q1Q4組成互補(bǔ)對稱電路,其中,Q1和Q2組成NPN型,Q3和Q4組成PN

23、P型復(fù)合管,其中2和4為大功率三極管。5、1為兩復(fù)合管基極提供偏置電壓,R16、R17用于減少復(fù)合管的穿透電流,穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點,16、17也稱為泄放電阻。R18、R19分別為Q2,Q4的發(fā)射極電阻,用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點,減少非線性失真,還具有過流保護(hù)作用。R21、R13、R9構(gòu)成交流電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路,保證A點輸出電壓穩(wěn)定,并提高電路的帶負(fù)載能力,實現(xiàn)改善電路性能的目的。圖5-6 OCL互補(bǔ)對稱功率放大電路5.2.2.2 參數(shù)測試1) 電路初始狀態(tài)調(diào)節(jié):先在靜態(tài)時,測試U=0V,將R4調(diào)至有效輸入信號最大,調(diào)節(jié)R5至最下端。在輸入端接入=1kH,U=20mV的正弦信號,觀察輸出波形。發(fā)現(xiàn)輸

24、出波形出現(xiàn)交越失真(如圖14所示),則緩慢調(diào)節(jié)R5至交越失真剛好消失?；仡^再測試靜態(tài)時點電位是否為0V,否則應(yīng)反復(fù)調(diào)節(jié)R4和R5,直至零點和交越失真都滿足條件。2)靜態(tài)測試:逐漸調(diào)大輸入信號u并通過示波器觀察輸出波形,直到輸出波形達(dá)到最大不失真輸出即停止增大輸入信號。此時,令輸入信號為零,測量得CEQ1=11.4,CEQ2=11.98,CEQ3=11.98,CEQ4=11.98,可驗證三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)可克服交越失真的結(jié)論。3)動態(tài)測試:接入輸入信號,通過示波器觀察輸出波形,如圖9所示。im=0.435,om=9.1,可計算得到:U=20,OM=5.18,PE=8.7W,=59.5%。5.2

25、.3 電源模塊仿真與分析電源模塊的電路如圖5-7所示,包含整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路,主要采用7812和7912三端集成穩(wěn)壓芯片。圖5-7 電源模塊電路圖5-7中,C20和C20、C21和C21起旁路高頻干擾信號作用,C22和C22則是改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),利用二極管D5和D6的限幅功能保護(hù)穩(wěn)壓器。仿真測試可得一組±12V穩(wěn)壓電源。5.2.4 音頻放大電路將前面所分析的4部分電路按圖3-1組合并仿真,可得電路的頻率響應(yīng)曲線圖和失真度圖,分別如圖5-8和圖5-9所示。 圖5-8 頻率響應(yīng)圖表 圖5-9 電路失真分析整個音頻放大電路仿真測試可得到如下結(jié)論:P=5.1W;在無高低音提升和衰減

26、時,頻率響應(yīng)范圍可達(dá)4Hz27kHz;在低音和高音處有近±20dB衰減量;輸入阻抗>1M,失真度<3%。在仿真的操作過程中,可清楚地觀察到交越失真,分析其產(chǎn)生的原因及消除方法;掌握最大不失真波形的調(diào)節(jié)和最大輸出功率的計算方法;可通過聲卡輸出觀察聲音是否正常輸出,不同頻率的響應(yīng)是否正常等。整個操作過程簡便,結(jié)論直觀、易懂。經(jīng)過仿真模擬過程后,對整個音頻功率放大電路的組成、工作原理及結(jié)果已經(jīng)有了清楚的了解。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)中,通過實際焊接和調(diào)試,進(jìn)一步鍛煉動手能力和應(yīng)變能力,達(dá)到實踐教學(xué)的最終目的。5.3 音頻放大電路測試和分析將幾部分電路整合，調(diào)節(jié)電路使其剛好消除交越失真且靜態(tài)輸出為0V。各指標(biāo)測試數(shù)據(jù)如下：最大輸出功率POM=5W；在無高低音提升和衰減時，頻率響應(yīng)范圍可達(dá)20Hz50 kHz；在低音100Hz和高音10 kHz處有±15 dB的調(diào)節(jié)范圍；輸入阻抗>1 M，失真度<3，測試結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)。根據(jù)仿真的電路進(jìn)行實際操作，實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近，證明該電路設(shè)計具有可行性。結(jié) 論本文系統(tǒng)地介紹了在PROTEUS仿真平臺下音頻放大電路的設(shè)計思想、給出了實現(xiàn)過程，并對結(jié)論進(jìn)行了