音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院：物理與電子信息學(xué)院專業(yè)：班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：日期:目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求3二、設(shè)計(jì)目的3三、設(shè)計(jì)背景4四、設(shè)計(jì)方案論證4五、設(shè)計(jì)過程41、系統(tǒng)框圖42、詳細(xì)子電路設(shè)計(jì)4（1 ）、電源電路5（2 ）、語音放大電路5（3 ）、前置混合放大電路6（4 ）、音調(diào)控制電路7（5 ）、音量控制電路7（6 ）、功率放大電路83、設(shè)計(jì)總原理圖10六、設(shè)計(jì)結(jié)果11七、設(shè)計(jì)總結(jié)13八、參考文獻(xiàn)13歡迎下載2一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求(1) 、設(shè)計(jì)一個(gè)至少包括前置放大、音調(diào)控制、音量控制、功率放大4 級電絡(luò)的音響系統(tǒng)。(2) 、根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)

2、分析各單元電路的設(shè)計(jì)過程，逐級設(shè)計(jì)各單元電路，畫出單元電路原理圖，分析主要元器件的選擇依據(jù)。(3) 、設(shè)計(jì)各單元電路的實(shí)現(xiàn)、調(diào)試、測試方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，完成單元電路測試。分析各單元電路的測試數(shù)據(jù)和輸入、 輸出波形是否滿足設(shè)計(jì)要求。(4) 、根據(jù)前面的設(shè)計(jì)分析畫出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖或系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖。(5) 、根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖逐級級聯(lián)各單元電路，每增加一級電路，必須先測試并檢驗(yàn)級聯(lián)后的電路是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果級聯(lián)后的電路可以滿足設(shè)計(jì)要求，方可繼續(xù)級聯(lián)下一級電路 ; 如果級聯(lián)后的電路不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須先定位問題所在點(diǎn)， 完成糾錯(cuò)后方可繼續(xù)級聯(lián)下一級電路。 否則，一旦系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障，將很難查

3、。(6) 、設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路的測試方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，測試系統(tǒng)電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和輸入、 輸出波形，詳細(xì)分析系統(tǒng)電路的測試數(shù)據(jù)和輸入、 輸出波形是否滿足設(shè)計(jì)要求。(7) 、用計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)軟件( 如 Multisim 、Altium Designer等) 畫出電路原理圖。(8) 、詳細(xì)分析在電路設(shè)計(jì)過道中遇到的問題，總結(jié)并分享電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。二、 設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一個(gè)音響放大系統(tǒng)，使之符合以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：語音放大級輸入靈敏度：5mV。當(dāng)負(fù)載 RL=10，供電電壓 Vcc=12V 時(shí)，功率放大器最大輸出功率不小于 5W。歡迎下載3頻率響應(yīng)范圍： 20Hz-20KHz。音調(diào)控制：低音 100Hz20dB，

4、高音 15kHz20dB。三、 設(shè)計(jì)背景音響系統(tǒng)是人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｓ玫碾娮酉到y(tǒng)，在很多電子產(chǎn)品中都會(huì)用到，如手機(jī)、電視機(jī)、筆記本電腦、車載音響、專用音響等。不同的音響系統(tǒng)性能差別很大，價(jià)格也相差懸殊，人們可以根據(jù)需要，選擇適合自己的音響系統(tǒng)。四、 設(shè)計(jì)方案論證五、 設(shè)計(jì)過程1、系統(tǒng)框圖音響系統(tǒng)主要包括話筒（ MIC）。語音放大電路、前置混合放大電路、音調(diào)控制電路、功率放大電路、音響等，其框圖如下圖1 所示;圖 12、詳細(xì)子電路設(shè)計(jì)歡迎下載4（1）、電源電路為設(shè)計(jì)電路方便， 音響系統(tǒng)的電源電路不要求學(xué)生單獨(dú)設(shè)計(jì)， 實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以直接使用實(shí)驗(yàn)室提供的直流穩(wěn)壓電源。但實(shí)驗(yàn)室提供的直流穩(wěn)壓電源是對2

5、20V/50Hz 市政交流電進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的，直流電源中含有 50Hz 電源噪聲和其他噪聲，為了抑制由電源噪聲和電路連接過程引入的干擾， 實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對直流穩(wěn)壓電源按圖 2 處理后，再送給音響系統(tǒng)供電， 以減小因噪聲干擾而引起自激振蕩的概率。在圖 2 所示電路中，應(yīng)先對正、負(fù)電源分別做濾波處理后再給功率放大電路供電。并且，還應(yīng)對功率放大電路的供電電源做去耦、濾波處理后，再送給前級小信號電路使用，以削弱功率放大電路的噪聲對前級小信號電路所造成的影響。在圖 2 所示電路中， C2、 C4、C6、C8 應(yīng)選用幾十微法至幾百微法的鋁電解電容； C1、C3、 C5、C7 應(yīng)選用幾百皮法至幾萬皮

6、法的瓷片電容或獨(dú)石電容。具體選用的電容值可以根據(jù)噪聲情況確定，也可以通過實(shí)驗(yàn)的方法觀察得到。使用不同容值的電容器進(jìn)行濾波的目的是分別濾除電源中的高頻噪聲和低頻噪聲。圖 2（2）、語音放大電路集成運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低， 工作狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 因此本實(shí)驗(yàn)推薦使用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)語音放大電路。語音放大電路的主要作用是不失真地放大來自話筒（MIC）的輸出信號。實(shí)驗(yàn)室可以提供的話筒大多是電容式駐極體話筒，因此本實(shí)驗(yàn)以駐極體話筒為例介紹語音放大電路的設(shè)計(jì)，其電路原理圖如圖3 所示。在圖 3 所示的語音放大電路中，采用的是雙電源供電方式。外接電源 +Vcc1 通過電阻 R4給駐極體話筒提供

7、直流偏置，并通過電阻 R4調(diào)節(jié)。通過上式可知， 如果 C3選擇過小， 系統(tǒng)下限轉(zhuǎn)折頻率會(huì)較高； 如果 C3 選擇過大， RC值較大，接通電源的瞬間，需要對電容進(jìn)行充電，電壓上升速率變慢，歡迎下載5系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長。圖 3對于音頻信號，電容 C3 的容抗較小，相對于電阻 R1、R2 的阻抗，電容 C3 的容抗可以忽略不計(jì)，因此計(jì)算語音放大電路交流電壓放大倍數(shù)時(shí)可以將其忽略。圖 3 所示為同相比例放大電路，其交流電壓放大倍數(shù)為：Vo1R2AV1Vi1R1選取電阻值時(shí)，應(yīng)先確定反饋電阻 R2 的組織。電壓放大時(shí)，因受器件單位增益貸款的限制，反饋電阻 R2 不宜選擇過大；同時(shí)考慮輸入失調(diào)的影響，反饋

8、電阻和輸入電阻的阻值也不宜選擇過小。 通常反饋電阻可以選用幾十千歐姆至幾百千歐姆阻值的電阻。電阻 R1 應(yīng)根據(jù)反饋電阻和電壓放大倍數(shù)計(jì)算得到。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)盡量選用最接近于增益設(shè)計(jì)要求的標(biāo)稱電阻。電阻 R3 是靜態(tài)平衡電阻，可以根據(jù)集成運(yùn)放的靜態(tài)平衡原則計(jì)算得到。電解電容的耐壓值應(yīng)根據(jù)所使用的電源電壓來確定。 工程設(shè)計(jì)要求電容的耐壓值應(yīng)高于電源電壓， 并且還要給出一定的設(shè)計(jì)裕量， 以保證系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定工作。（3）、前置混合放大電路前置混合放大電路的主要作用是將經(jīng)語音放大電路后的輸出信號與播放機(jī)歡迎下載6輸出的音樂信號Vi2 混合并放大后，送給下一級音調(diào)控制電路進(jìn)行處理。受增益帶寬積的限制，

9、為保證前置混合放大電路有較寬的通頻帶， 前置混合放大電路的電壓增益不宜設(shè)置過高，否則在帶寬范圍內(nèi)容易引起波形失真。圖 4 所示為用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的前置混合放大電路。前置混合放大電路的主要作用是將兩路輸入信號Vo1 和 Vi2 進(jìn)行放大并疊加。兩路輸入信號分別來自語音放大電路的輸出信號Vo1 和播放機(jī)的輸出信號Vi2 。如果選用電阻R1=R2=R,則總的輸出電壓Vo2為：Vo 2Rf Vo1 Rf Vi 2Rf (Vo1 Vo2 )R1R2R如果前級沒有設(shè)計(jì)語音放大電路，則前置混合放大電路的輸出可以簡化為：在圖 4 中，電容 C1、C2、 C3是輸入、輸出耦合電容，其電容值可以根據(jù)前面介紹的

10、設(shè)計(jì)分析選取。 選取前置混合放大電路的電阻值時(shí)， 也應(yīng)該先確定反饋電阻 Rf 的阻值，然后根據(jù)電壓放大倍數(shù)計(jì)算得到輸入電阻 R1、R2 的阻值。電阻R3是靜態(tài)平衡電阻，可以根據(jù)集成運(yùn)算放大器靜態(tài)平衡原則計(jì)算得到。（ 4）、音調(diào)控制電路（ 5）、音量控制電路按音量控制對象不同， 音量控制電路可以分為電壓式和電流式兩種。 當(dāng)音量控制電路的前一級電路的輸出阻抗較高， 后一級電路的輸入阻抗較低時(shí)， 為了能有效地傳遞有用信號， 應(yīng)選用電流式音量控制電路。 當(dāng)音量控制電路的前一級電路的輸出阻抗較低，后一級電路的輸入阻抗較高時(shí)， 應(yīng)選用電壓式音量控制電路。負(fù)反饋式音調(diào)控制電路輸出阻抗較低， 功率放大器的輸入

11、阻抗較高， 因此本實(shí)驗(yàn)建議采用電壓式音量控制電路來實(shí)現(xiàn)音量控制。圖所示為用電位器 Rp3和電阻 R5并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的信號衰減法電壓式音量控制電路。通過改變電位器 Rp3可調(diào)端的位置來改變輸入信號的衰減量， 即通過歡迎下載7改變功率放大電路輸入信號的幅值來改變聲音信號的強(qiáng)弱， 以實(shí)現(xiàn)音量控制。 圖中輸出端的電壓跟隨器用于隔離功率放大器與前級電路， 以緩解功率放大電路噪聲對前級電路的影響。聲音信號的強(qiáng)度與響度不是線性關(guān)系， 而是近似對數(shù)關(guān)系， 即聲音信號的強(qiáng)度每增加 10 倍，人耳所能感覺到的響度只增加一倍。 為了符合人耳的聽覺習(xí)慣，設(shè)計(jì)音量控制電路時(shí)， 應(yīng)采用電阻值按指數(shù)規(guī)律變化的電位器來實(shí)現(xiàn)， 但考

12、慮到設(shè)計(jì)成本，本實(shí)驗(yàn)推薦采用圖所示的電位器 Rp3與電阻 R5 并聯(lián)的輸出電壓信號近似按指數(shù)規(guī)律變化的音量控制電路。在圖所示的音量控制電路中，輸入信號和輸出信號的關(guān)系為：R1 / / R pbVo4Vo3RpaR1 / / Rpb式中， Rp3=Rpa+Rpb。在圖所示電路中，當(dāng)改變線性電位器Rp3可調(diào)端的位置時(shí)，在音量控制電路的輸出端可以得到近似按指數(shù)規(guī)律變化的輸出電壓 Vo4。輸出電壓 Vo4 的大小是由電位器 Rp3的電阻值、 Rp3可調(diào)端的位置和 R5的電阻值共同決定的。當(dāng)電位器 Rp3 選用標(biāo)稱值為 47k的電位器，電阻 R5 分別選用標(biāo)稱值為 2k 、 3k、 4.3k 、 5.1

13、k 、 6.2k 、 7.5k 和 8.2k 的電阻值時(shí)，在音量控制電路的輸出端可以得到圖所示的輸出電壓變化曲線。其中，橫坐標(biāo)是電位器 Rp3中 Rpb 部分電阻與電位器總阻值的比值； 縱坐標(biāo)是輸出電壓Vo4 與輸入電壓 Vo3 的比值。由圖可知，將線性電位器與電阻并聯(lián)，調(diào)節(jié)電位器可調(diào)端的位置，可以實(shí)現(xiàn)輸出近似按指數(shù)規(guī)律變化的輸出電壓曲線，得到的聲音響度適合人耳變化規(guī)律要求的聲音信號，滿足人耳聽覺習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)適合人耳需要的音量控制。（6）、功率放大電路功率放大電路的主要作用是放大來自音量控制電路的輸出信號，將音頻輸入信號進(jìn)行功率放大并推動(dòng)音箱發(fā)聲。與前面小信號放大電路不同， 功率放大電路處理的是

14、大信號，容易引入噪聲，產(chǎn)生非線性失真，引起自激振蕩。功率放大電路應(yīng)具有一定的輸出功率，其輸入阻抗能與前一級音量控制電路歡迎下載8的輸出阻抗匹配；其輸出阻抗能與后一級揚(yáng)聲器負(fù)載匹配，否則將影響放音效果。功率放大電路種類繁多， 實(shí)現(xiàn)方法多樣。本實(shí)驗(yàn)以集成功率放大器 TDA2030A 為例，介紹一下 TDA2030A雙電源供電方式下的典型應(yīng)用電路， 如圖所示。在圖中，電阻 R1、R2 是閉環(huán)增益調(diào)節(jié)電阻， 主要用于調(diào)節(jié)功率放大器的放大能力。在選取電阻 R1、R2 的阻值時(shí)，應(yīng)參考生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊確定。圖電容 C1 是負(fù)反饋隔直電容，其容值應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的下限截止頻率和電路響應(yīng)時(shí)間確定。電容 C

15、8 是輸入耦合電容，其容值應(yīng)根據(jù)待處理信號的頻率范圍和功率放大器的輸入阻抗確定。電阻 R3 是靜態(tài)平衡電阻，其電阻值可以根據(jù)靜態(tài)平衡原則計(jì)算得到。電容 C2、C3 和 C6、C7 是濾波電容，即電源電路圖中的濾波電容 C6、 C5 和 C2、C1，主要用于濾除電源中的低頻噪聲和高頻噪聲，其電容值應(yīng)根據(jù)電路噪聲的具體情況確定。用 TDA2030A設(shè)計(jì)功率放大電路時(shí)， 應(yīng)考慮在 TDA2030A的輸出端加上保護(hù)電路，以防止功率放大器瞬間輸出高壓脈沖而損壞功放器件。在圖中，二極管 VD1、VD2是過壓保護(hù)用二極管。 當(dāng)電路正常工作時(shí)，二極管 VD1、VD2不起作用，相當(dāng)于開路。當(dāng)功率放大器的輸出端有

16、較強(qiáng)的正脈歡迎下載9沖出現(xiàn)時(shí)，二極管VD1 導(dǎo)通；當(dāng)功放的輸出端有較強(qiáng)的負(fù)脈沖出現(xiàn)時(shí)，二極管VD2 導(dǎo)通?？傊?，在功率放大器的輸出端有高壓脈沖出現(xiàn)時(shí)，二極管VD1、 VD2可以將輸出電壓鉗位到功率放大器允許的輸出范圍內(nèi)，以達(dá)到保護(hù)功率放大器TDA2030A的目的。在面包板上調(diào)試實(shí)驗(yàn)電路時(shí)， 因功率二極管的引腳較粗， 不宜插接， 并且在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，二極管 VD1、VD2的保護(hù)作用并不明顯，因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下，如果是在面包板上調(diào)試用 TDA2030A設(shè)計(jì)的功率放大電路，則二極管 VD1、VD2可以不接。由于揚(yáng)聲器是感性器件， 當(dāng)流經(jīng)揚(yáng)聲器的電流發(fā)生變化時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生較高的反向電動(dòng)勢，該反向電動(dòng)

17、勢對功率放大器有極強(qiáng)的破壞作用。 為了能緩解揚(yáng)聲器反向電動(dòng)勢的破壞作用，在圖中， TDA2030A的輸出端設(shè)有電阻 R4 和電容C4組成的補(bǔ)償電路。 補(bǔ)償電容 C4的容性阻抗可以補(bǔ)償寄生在揚(yáng)聲器中的感性阻抗，使總的負(fù)載表現(xiàn)為純電阻特性， 以防止因揚(yáng)聲器的反向電動(dòng)勢過高而擊穿功率放大器件。與補(bǔ)償電容串接的補(bǔ)償電阻 R4 主要用于降低因寄生電感和補(bǔ)償電容引起高頻自激振蕩的概率。3、 設(shè)計(jì)總原理圖經(jīng)過合適的元器件參數(shù)選擇和上述子電路的結(jié)合，可以得到以下電路原理圖：歡迎下載10VEE-12.0VR6R34U1B100k C11U1A5C54U1CR112C36k 722FC210k R561F1R71

18、0k 310F1LM324AD100k R81話筒 10F4LM324ADC4R48k 輸入線路XBP1XFG1R210k VCC輸入10F9k 12.0VCOMINOUT108R99800 LM324ADC610.01 F1R10100k 50 %4U1D12Key=A14LM324AD高音13VCC調(diào)整112.0VC714U2A0.015 FR15C1031R114U2B50k 10F2C1151.2k 50 %71LM324ADKey=C110F61LM324ADVEE1R16-12.0VVCC5.1k C8C912.0V0.015 F0.015 F5U3R13R141411k 低音R1211k 2XSC1調(diào)整100k 50 %Key=BR20R21R173TDA2030VEE10822k Ext Trig+-12.0VC12R18R19C130.01 F_A B+ _+_680