語(yǔ)音放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)語(yǔ)音放大器姓名：伍慧蘭學(xué)號(hào)：2015550828班級(jí)：15通信工程1班指導(dǎo)老師：羅光明目錄一、 設(shè)計(jì)目的1二、 知識(shí)點(diǎn)和設(shè)計(jì)內(nèi)容2三、 設(shè)計(jì)方案2四、 實(shí)驗(yàn)原理與參考電路4（一） 實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1-24（二） 實(shí)驗(yàn)原理41) 前置放大器42) 有源帶通濾波器53) 功率放大器6五、 實(shí)驗(yàn)的主要元器件7（一） 元器件清單7（二） 部分器件的使用介紹81) LM324芯片82) TDA2030引腳圖與應(yīng)用電路參數(shù)12六、 實(shí)驗(yàn)步驟13（一） 電路仿真實(shí)驗(yàn)13（二） 硬件實(shí)物實(shí)驗(yàn)201) 前置放大器的焊接與調(diào)試202) 有源帶通濾波器22七、 實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題提出與解決方法25八、

2、注意事項(xiàng)26九、 實(shí)驗(yàn)感想27參考資料28語(yǔ)音放大器設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)目的1、了解語(yǔ)音識(shí)別知識(shí)；2、掌握集成運(yùn)算放大器的工作原理及其應(yīng)用；3、掌握低頻小信號(hào)放大電路、帶通濾波器和功放電路的設(shè)計(jì)方法；4、培養(yǎng)應(yīng)用現(xiàn)代工具對(duì)模擬電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試、制作調(diào)試、故障檢查及分析的能力；5、培養(yǎng)市場(chǎng)素質(zhì)、工藝素質(zhì)、自主學(xué)習(xí)能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力以及團(tuán)隊(duì)精神；6、培養(yǎng)文獻(xiàn)查閱與綜述和撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。2、 知識(shí)點(diǎn)和設(shè)計(jì)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)為分立元件放大器或集成運(yùn)放、有源濾波器、集成功率放大器；涉及電子電路各個(gè)模塊之間的聯(lián)合調(diào)試技術(shù)。3、 設(shè)計(jì)方案語(yǔ)音放大器設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路分析可知本語(yǔ)音放大器應(yīng)包括

3、輸入電路、前置放大器、有源帶通濾波器、功率放大器、揚(yáng)聲器等幾部分組成，如圖1-1所示。輸入電路前置放大帶通濾波功率放大圖1-1 語(yǔ)音放大電路原理框圖前置放大器可采用集成運(yùn)算放大器，有源帶通濾波器可采用LPF和HPF串聯(lián)構(gòu)成，功率放大電路選用集成功放。設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)通常語(yǔ)音信號(hào)非常微弱，需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、功率放大后才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。假設(shè)語(yǔ)音信號(hào)為峰峰值不大于10mV頻率范圍100Hz3kHz的正弦波，要求驅(qū)動(dòng)81W的揚(yáng)聲器。具體性能指標(biāo)如下：1、前置放大器：輸入信號(hào)Uid£10mV；輸入阻抗Ri100k2、有源帶通濾波器：通帶100Hz3kHz；增益Au=13、功放：最大不失真輸出

4、功率Pomax1W；負(fù)載阻抗RL=84、輸出功率連續(xù)可調(diào)；直流輸出電壓£50mV；靜態(tài)電源電流£100mA5、電源電壓：+5V，+12V，-12V4、 實(shí)驗(yàn)原理與參考電路（1） 實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1-2圖1-2 實(shí)驗(yàn)原理圖（2） 實(shí)驗(yàn)原理1) 前置放大器在測(cè)量用的放大電路中，一般傳感器送來(lái)的直流或低頻信號(hào)，經(jīng)放大后多用單端方式傳輸。典型情況下，音頻信號(hào)的最大幅度可能僅有若干毫伏，共模噪聲可能高達(dá)幾伏。所以放大器輸入漂移和噪聲等因素對(duì)于總的精度致關(guān)重要，放大器本身的共模抑制比特性也相當(dāng)重要。因此前置放大電路應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗，高共模抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路。圖1-3是前置

5、放大電路的原理圖圖1-3 前置放大電路的原理圖前置放大電路的仿真效果圖見(jiàn)圖1-11,1-12,1-13，1-14，1-15。2) 有源帶通濾波器有源濾波電路是用有源器件與RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。按通帶的性能可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。用低通濾波器和高通濾波器串接起來(lái)也可以組成帶通濾波器。 圖1-4為有源帶通濾波器的原理圖 圖1-4 有源帶通濾波器原理圖 3) 功率放大器功率放大的主要作用是向負(fù)荷提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換效率盡可能高，非線性失真盡可能小。功率放大器的形式很多,有OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，OTL功率放大電路，BTL橋式推挽功率放大電路和變壓器耦合功率放

6、大電路等。這些電路各有優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)備條件綜合考慮選用。本次在語(yǔ)音放大器的設(shè)計(jì)中本人選用五端功放TDA2030應(yīng)用的電路。圖1-5是功率放大器的原理圖圖1-5 功率放大器原理圖5、 實(shí)驗(yàn)的主要元器件（1） 元器件清單實(shí)驗(yàn)所需的元器件清單如表1-1表1-1 語(yǔ)音放大器器件清單編 號(hào)物 資 名 稱(chēng)型 號(hào) 或 規(guī) 格（或代用規(guī)格）單位數(shù)量1集成運(yùn)放LM324塊12集成功放TDA2030塊13電解電容220uF/25V只24電解電容22uF/25V只25瓷片電容220nF（224）只16瓷片電容150nF（154）只27瓷片電容100nF（104）只28瓷片電容22nF（103）只29可調(diào)

7、電阻10k 1/8W只110色環(huán)電阻1.2M 1/8W只111色環(huán)電阻120k 1/8W只112色環(huán)電阻110k 1/8W只113色環(huán)電阻20k 1/8W只114色環(huán)電阻10k 1/8W只215色環(huán)電阻9k 1/8W只116色環(huán)電阻2.4k 1/8W只217色環(huán)電阻1k 1/8W只118色環(huán)電阻900 1/8W只119色環(huán)電阻100 1/8W只220色環(huán)電阻1 1/8W只121揚(yáng)聲器8 2W只1本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)前由于部分器件實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有提供，所以采取了性能和量值都相差不大的元器件來(lái)替代，比如9K的色環(huán)電阻未提供，實(shí)驗(yàn)采取1K的色環(huán)電阻替換。（2） 部分器件的使用介紹1) LM324芯片LM324系列

8、器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。其芯片引腳圖如圖1-6所示。它每一組運(yùn)算放大器可用圖1-7所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反;Vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。圖1-6 LM324芯片引腳圖圖1-7 運(yùn)算放大器端口圖基于本實(shí)驗(yàn)，需知的一部分關(guān)于LM324芯片的知識(shí)：運(yùn)放類(lèi)型:低功率放大器數(shù)目:4帶寬:1.2MHz針腳數(shù):14工作溫度范圍:0°C to +70°C芯

9、片引腳的功能：1. 反相交流放大器 電路如圖1-8。此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大，可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等。電路無(wú)需調(diào)試。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1/2V+偏置，C1是消振電容。圖1-8 反相交流放大器原理圖放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。按圖中所給數(shù)值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號(hào)源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。 2. 同相交流放大器電路如圖1-9。同相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路，通過(guò)R3對(duì)運(yùn)放

10、進(jìn)行偏置。 圖1-9 同向交流放大器原理圖電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4，電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。3. 有源帶通濾波器許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器，以選出各個(gè)不同頻段的信號(hào)，在顯示上利用發(fā)光二極管點(diǎn)亮的多少來(lái)指示出信號(hào)幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率 ，在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1，品質(zhì)因數(shù) ，3dB帶寬B=1/（*R3*C）也可根據(jù)設(shè)計(jì)確定的Q、fo、Ao值，去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R1=Q/（2foAoC），R2=Q/（2Q2-Ao）*2foC），R3=2Q/（2foC）

11、。上式中，當(dāng)fo=1KHz時(shí)，C取0.01Uf。此電路亦可用于一般的選頻放大，圖1-10是LM324芯片有源帶通濾波器的原理圖 圖1-10 有源帶通濾波器原理圖此電路亦可使用單電源，只需將運(yùn)放正輸入端偏置在1/2V+并將電阻R2下端接到運(yùn)放正輸入端既可。 本實(shí)驗(yàn)采用LM324，實(shí)現(xiàn)前置放大與有源帶通濾波的功能。2) TDA2030引腳圖與應(yīng)用電路參數(shù)TDA2030是最常用到的音頻功率放大電路，其芯片引腳示意圖如圖1-11下面是TDA2030管腳功能：1腳是正相輸入端2腳是反向輸入端3腳是負(fù)電源輸入端4腳是功率輸出端5腳是正電源輸入端。圖1-11 TDA2030引腳圖6、 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 電路仿

12、真實(shí)驗(yàn)用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，測(cè)量電路中的電壓電流，完善電路圖，仿真實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：1. 根據(jù)原理圖1-2設(shè)計(jì)仿真電路圖；2. 在三級(jí)電路的輸出處放置示波器和電壓表，監(jiān)測(cè)各級(jí)輸出的波形以及示數(shù)；3. 在連接好仿真電路圖的前提下，測(cè)試各級(jí)的輸出特性和示數(shù)，并做好記錄4. 計(jì)算各級(jí)關(guān)于本實(shí)驗(yàn)所要求的性能指標(biāo)點(diǎn)，將理論值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，分析原理圖是否符合實(shí)驗(yàn)的測(cè)試要求；具體的測(cè)試結(jié)果如下：a. 前置放大器由伏安表XMM1工作時(shí)的電壓可知，VS的有效值為3.535mV。測(cè)試結(jié)果如圖1-13、1-14、1-15所示，圖1-12為仿真電路的全局測(cè)試圖；圖1-12 仿真運(yùn)行的全局結(jié)果圖

13、圖1-13 電壓表測(cè)量結(jié)果圖 示波器測(cè)量的值為輸入信號(hào)的峰值，從圖1-4中可以看出輸入信號(hào)的峰值為4.905Mv,實(shí)際輸入的信號(hào)峰值為5Mv,說(shuō)明示波器的測(cè)量存在一定的誤差。圖1-14 示波器測(cè)量結(jié)果圖圖1-15 前置放大器輸出電壓測(cè)試結(jié)果圖理論計(jì)算：由仿真原理電路圖1-2可知，電壓放大倍數(shù) Au =V1 /VS=R3R6/R1R4=（1200×9）/(120×0.1）=900。實(shí)際測(cè)量：實(shí)際測(cè)量的前置放大器的輸出電壓為3.042 V，輸入電壓為3.535 mV，計(jì)算得到放大倍數(shù)為：Au=3.042/0.003535=860.537理論的輸入阻抗為Ri100k，由圖1-2分

14、析可得前置放大器的輸入阻抗為：120.1 k，基本與本實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)參數(shù)相等，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求。b. 有源濾波器由圖1-16（1）中示波器的波形測(cè)量可知，有源濾波器的輸出波形的周期為335.227 us,則頻率為f=1/335.227=2983.05Hz<3kHz。圖1-16（1）有源濾波器輸出電壓波形圖由圖1-2可知，電路首先經(jīng)過(guò)高通濾波電路進(jìn)行濾波，濾波頻率f1= /2，=1/RC，則f1=1/（2RC）=1/（2×3.14×10×103×150×10-9）=106.157Hz（約為100Hz），設(shè)此時(shí)的輸出電壓為V2。其次，電路

15、經(jīng)過(guò)低通濾波電路，其濾波頻率f2=/2，=1/RC，則f2=1/（2RC）=1/（2×3.14×2400×22×10-9）=3015.827Hz（約為3kHz）。可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波，通帶為100Hz3kHz。由圖1-16和圖1-17中的測(cè)量值可知，有源濾波器的輸出電壓峰值為4.280V，有效值為3.038V，前置放大器的輸出電壓為3.042V，計(jì)算可得二者的比值3.038/3.042=0.9981；且也即本實(shí)驗(yàn)的有源帶通濾波器的放大倍數(shù)幾乎為1，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求；圖1-16 有源濾波器輸出電壓波形-測(cè)量電壓峰值圖 圖1-17 電壓表測(cè)量輸出電壓圖c. 功率放大

16、器當(dāng)變阻器阻值x=950時(shí)，A=（1900+950）/1000=2.85， V2=3.038V,由圖1-18,1-19知，V3=4.29V（有效值），A=4.14/3.0381.36。此時(shí)輸出功率P=4.292/(8*2) 1.15>1W，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖1-18 功率放大器輸出波形圖圖1-19 功率放大器輸出電壓測(cè)量結(jié)果圖（2） 硬件實(shí)物實(shí)驗(yàn)1) 前置放大器的焊接與調(diào)試(1) 焊接:根據(jù)圖1-3前置放大器的原理圖在電路板上進(jìn)行布局與焊接；(2) 動(dòng)態(tài)調(diào)試： 連接電路的各個(gè)輸入輸出以及電源與地，觀測(cè)示波器的波形，得到如圖1-20的波形圖，圖1-21是經(jīng)過(guò)調(diào)整后所得的波形圖，此時(shí)函數(shù)發(fā)

17、生器和電源供給器的示數(shù)圖1-22所示；圖1-20 前置放大器輸出波形圖圖1-21 經(jīng)過(guò)調(diào)整后的前置放大器的輸出波形圖圖1-22 函數(shù)發(fā)生器與電源示數(shù)圖2) 有源帶通濾波器（1）焊接：根據(jù)圖1-4有源帶通濾波器原理圖進(jìn)行焊接（2）動(dòng)態(tài)調(diào)試： 輸出電壓的測(cè)量以及輸出波形的觀測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖1-23，此時(shí)函數(shù)發(fā)生器和電源供給器的示數(shù)如圖1-24所示圖1-22 有源帶通濾波器輸出波形 圖1-23 函數(shù)發(fā)生器與電源示數(shù)圖3. 功率放大器（1）焊接：根據(jù)圖1-5功率放大器原理圖進(jìn)行焊接（2）調(diào)試：觀察輸出端有無(wú)振蕩，如有振蕩，采取措施以消除振蕩。 按照要求連接電路以及供電和接地，觀察所得波形是否滿(mǎn)足要求，

18、如不滿(mǎn)足，通過(guò)電位器調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足要求。波形圖如圖1-24所示；圖1-24 功率放大器輸出波形圖 4. 實(shí)物圖實(shí)物圖如圖1-25,1-26,1-27圖1-25 實(shí)物圖1（反面）圖1-26 實(shí)物圖2（反面）圖1-27 實(shí)物圖3（正面）7、 實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題提出與解決方法1)前置放大器調(diào)試過(guò)程問(wèn)題研究：放大器的輸出波形產(chǎn)生了交越失真如圖1-21，1-22；問(wèn)題原因：輸入的信號(hào)太小，并且原理電路中的放大倍數(shù)大，會(huì)產(chǎn)生失真解決方案： 增大輸入的電壓，測(cè)量此時(shí)的輸出波形經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：在原理電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參數(shù)分析，選擇合適的元器件的，用心完成仿真實(shí)驗(yàn)，在仿真實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行深刻地分析，及時(shí)改正元器件的參數(shù)以保證實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌?/p>

19、進(jìn)行；2）分段測(cè)試放大效果沒(méi)有問(wèn)題，但在總的測(cè)試過(guò)程中不能無(wú)失真放大問(wèn)題探究: 第一、二級(jí)放大與功率放大間級(jí)聯(lián)沒(méi)有產(chǎn)生阻抗匹配；問(wèn)題原因：在實(shí)際焊接過(guò)程中使用的全是固定電阻；解決方案: 我們將第一級(jí)放大電路及功率放大電路的反饋中的電阻換成了電位器，可以通過(guò)改變兩個(gè)電阻值的大小來(lái)改變級(jí)聯(lián)之間的匹配問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)之間還是有不少差別的，我么要隨機(jī)應(yīng)變，找出規(guī)律，慢慢調(diào)試。3) 輸出信號(hào)揚(yáng)聲器不能播出正常放大聲音，摻雜著噪音 問(wèn)題探究：功放TDA2030增益過(guò)大； 問(wèn)題原因：由于前部分電路設(shè)計(jì)致使TDA2030增益相對(duì)過(guò)大，以及輸入電壓太小 解決方案：不改變已經(jīng)焊接、調(diào)試成功的電路，通過(guò)

20、減小功率放大反饋電路中電位器的阻值來(lái)減小增益； 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：最大的不一定是最好的，要想得到好的音質(zhì)，就必須要舍棄一些增益。 8、 注意事項(xiàng)（1）在使用集成運(yùn)放和功放時(shí)，一定要明白管腳，尤其是正負(fù)電源不可接錯(cuò)，否則容易將其損壞；（2）應(yīng)使用大功率負(fù)載，否則很容易將負(fù)載燒壞；（3）焊接集成功放時(shí)，芯片會(huì)發(fā)熱，希望可以加上散熱；（4）各級(jí)應(yīng)分開(kāi)焊、分開(kāi)測(cè)，最后統(tǒng)調(diào)； （5）電路板上裸露的元器件管腳不能太長(zhǎng)，容易引起短路；（6）在焊接時(shí)不宜跳過(guò)多的線，不僅影響美觀，更加影響電路的性能，會(huì)增大產(chǎn)生噪音的概率，但也不宜一味地追求完全無(wú)跳線的電路（7）注意焊接的時(shí)候?qū)㈦娎予F小心拿放，避免觸碰其他電線或者衣物而導(dǎo)