實驗五 音響放大器的設計

1、東南大學電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電路與電子線路實驗2 第 5 次實驗實驗名稱： 音響放大器的設計 院（系）： 吳健雄學院 專業(yè)： 姓名： 學號： 實 驗 室: 實驗組別： 同組人員： 實驗時間： 評定成績： 審閱教師： 1、 實驗目的1、了解實驗過程：學習、設計、實現、分析、總結。2、系統(tǒng)、綜合地應用已學到的模擬電路、數字電路的知識，在單元電路設計的基礎上，利用Multisim軟件工具設計出具有一定工程意義和實用價值的電子電路。3、通過設計、調試等環(huán)節(jié)，增強獨立分析與解決問題的能力。2、 實驗內容設計一個音響放大器，要求實現話筒擴音、音量控制、混音功能、音調可調（選作）等功能

2、。1、基本要求功能要求：話筒擴音、音量控制、混音功能額定功率：0.5W(失真度THD10%)負載阻抗：8頻率響應：fL50Hz，fH20kHz輸入阻抗：20k話音輸入靈敏度：5mV2、提高要求音調控制特性：1kHz處增益為0dB，125Hz和8kHz處有±12dB的調節(jié)范圍。3、發(fā)揮部分可自行設計實現一些附加功能。3、 電路設計1、項目分析1）話音放大器 話放的輸入音源采用駐極體話筒； 話放增益一般為510倍左右，可采用同相放大器實現； 由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達到20k，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達到10kHz)。其輸入阻抗應遠大于

3、話筒的輸出阻抗。2）混合前置放大器 混合前置放大器的作用是將放大后的話音信號與Line In（輸出MP3作為背景音樂信號源）信號混合放大，起到了混音的功能； 使用加法器實現信號的合成。3）功率放大 功率放大的作用是給音響放大器的負載提供一定的輸出功率； 當負載一定時，希望輸出的功率盡可能的大，輸出信號的線性失真盡可能的小，效率盡可能的高； 常用形式有OTL電路和OCL電路等。4） 電路結構框圖5） 電路增益分配（1）輸出功率：（2）負載：（3）對應輸出電壓：由公式得：（4）電壓增益：已知輸入電壓，則電壓增益（5）方法倍數分配：A=10A=4A=1A=102、 電路原理圖1）話音放大器話音放大器

4、由如圖所示電路組成，即由A1組成的同相放大器，具有很高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話筒放大器電路。電路滿足條件：故其放大倍數為：電路中的所有電容的作用都是濾波。2） 混合前置放大器如圖所示的是混合前置放大器，它的作用是將mp3輸出的聲音信號與話音信號混合放大。它是一個反相加法器電路，輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：式中，為話音放大器的輸出信號，為mp3的輸出信號。電位器的作用是對輸入的mp3信號進行衰減。電路中的所有電容都用于濾除輸入、輸出信號中的低頻段干擾信號。3） 音調控制器如圖所示的是音調控制器，它的作用是控制、調節(jié)音響放大器輸出頻率的高低，控制曲線如下圖所示：由圖可見，音調控制器只

5、對低音頻或高音頻的增益進行提升或衰減，中音頻增益保持不變，所以音調控制器的電路由低通濾波器與高通濾波器共同組成。音調控制器電路圖中的上面部分是低通濾波器，上面的電位器是低音電位器，可用于調節(jié)低頻信號的增益；下面部分是高通濾波器，下面的電位器就是高音電位器，可用于調節(jié)高頻信號的增益。在音頻范圍的低頻部分，電容相當于開路，因此有效的反饋是由和組成的。運放起反相放大器的作用，它的電壓增益借助于低音電位器在如下范圍內可變：隨著頻率的增加，逐漸旁路掉，知道后者最終被短路而對響應沒有影響為止。在最大低音提升或抑制的情況下，開始起作用的頻率近似等于：在音頻的高頻端，電容器相當于短路，因此增益就由高音電位器控

6、制。如果滿足的條件，可以證明，高頻增益的變化范圍是：低于頻率以下，高音控制逐漸失去對響應的影響，這個頻率近似為：根據上述四個公式，令，可計算得到如電路圖中所示的參數。4） 功放電路因為Multisim中沒有LM386，所以使用Proteus進行仿真。功放電路采用LM386的典型電路，該電路的電壓放大倍數是20倍，可以通過調節(jié)輸入信號后面接的電位器來改變放大倍數，當電位器接入電路的電阻為50%時，電路的電壓放大倍數為10倍。3、 電路的仿真結果1） 話音放大器使用示波器進行仿真分析。如下圖所示，輸入信號接通道A（綠線），輸出信號接通道B（黃線）。當輸入信號峰峰值為4.533mV時，輸出信號峰峰值

7、為45.176mV，增益為10，符合實驗要求。2） 混合前置放大器如下圖所示，輸入信號1接通道A（藍線），輸入信號2接通道B（黃線），輸出信號接通道C（綠線）。當輸入信號1與輸入信號2的頻率相同時，電路仿真圖如圖(a)所示。當輸入信號1的峰峰值為-48.837mV，輸入信號2峰峰值為-97.639mV時，輸出信號的峰峰值為586.797mV，滿足輸出信號峰峰值為兩路輸入信號峰峰值之和的4倍。結合輸入輸出波形，可以看出：輸出信號是兩路輸入信號疊加后再放大四倍得到的。圖(a)當輸入信號1與輸入信號2的頻率不同時，電路仿真圖如圖(b)所示。當輸入信號1的峰峰值為-49.987mV，輸入信號2峰峰值為

8、-99.343mV時，輸出信號的峰峰值為598.688mV，滿足輸出信號峰峰值為兩路輸入信號峰峰值之和的4倍。結合輸入輸出波形，可以看出：輸出信號是兩路輸入信號疊加后再放大四倍得到的。圖(b)3） 音調控制器使用波特圖儀進行仿真分析。如下圖(a)、圖(b)所示，調節(jié)低音電位器，得到當頻率為125Hz時，增益可調范圍是-12.38212.378dB，且此時調節(jié)高音電位器，對低頻和中頻信號的增益幾乎不產生影響。曲線中點：1kHz, 0dB圖(a)圖(b)如下圖(c)、圖(d)所示，調節(jié)高音電位器，得到當頻率為8kHz時，增益可調范圍是-11.29111.496dB，且此時調節(jié)低音電位器，對高頻和中

9、頻信號的增益幾乎不產生影響。圖(c)圖(d)此外，由圖(a)、圖(b)、圖(c)、圖(d)可以看出，無論是調節(jié)高音電位器還是低音電位器，1kHz的信號的增益始終約等于0dB。綜上所述，音調控制器的設計基本符合實驗要求。4） 功放電路由于功放電路的設計是直接采用LM386的典型電路，比較有保障，所以省略了仿真過程。四、硬件電路功能與指標，測試數據與誤差分析1、硬件實物圖（照片形式）：話音放大器混合前置放大器音調控制器功放電路2、按照設計要求對調試好的硬件電路進行測試，記錄測試數據，分析電路性能指標。1）額定功率： 音響放大器輸出失真度小于某一數值時的最大功率稱為額定功率。其表達式為： 式中，為額

10、定負載阻抗；(有效值)為兩端的最大不失真電壓。常用來選定電源電壓VCC, 測量的條件為：信號發(fā)生器的輸出信號(音響放大器的輸入信號)的頻率，電壓，音調控制器的兩個電位器置于中間位置，音量控制電位器置于最大值，用示波器觀測及的波形。實際搭建電路，用示波器觀察輸入輸出信號如下圖所示：由上圖可以看出，最大不失真電壓，因此電壓有效值為：，根據公式計算得：，這顯然大于要求的，因此設計是合理的。2）頻率響應：測量方法： 音響放大器的輸入端接(等于5mV)，兩個電位器都置于最左端，使信號發(fā)生器的輸出頻率從20Hz至50kHz變化(保持vi=5mV不變)，測出負載電阻上對應的輸出電壓，用半對數坐標紙繪出頻率響

11、應曲線，并在曲線上標注與的值。 直接用掃頻儀進行測量。3）輸入阻抗： 在電源輸出端串聯一個的電阻作為，測得，則輸入阻抗為100k，遠遠大于要求的20k，因此設計合理。4） 輸入靈敏度：測量方法：將音調控制器的兩個電位器調節(jié)到中間位置，音量控制電位器調到最大值，使從零開始逐漸增大，直到達到額定功率值時所對應的輸入電壓值即為輸入靈敏度。由圖可知，輸入靈敏度峰峰值為4.40mV，小于題目要求的5mV，故滿足實驗要求。5）噪聲電壓：音響放大器的輸入為零時，輸出負載上的電壓稱為噪聲電壓。測量方法：將音調控制器的兩個電位器調節(jié)到中間位置，音量控制電位器調到最大值，輸入端對地短路，用示波器觀測輸出負載端的電

12、壓波形，用交流毫伏表測量其有效值。6） 整機效率：整機效率的計算公式為：式中，為輸出的額定功率；為輸出額定功率時所消耗的電源功率。在輸出額定功率的情況下，將電流表串入VCC支路中，測得總電流I=0.5A，又有Vcc=7.5V，代入公式計算得：7）音調控制特性（擴展）： 所有的音調控制器的輸入信號峰峰值均為100mV: 當時，調節(jié)兩個電位器，輸出信號的峰峰值不會產生太大變化。由圖可知，電壓增益，略大于實驗要求的0dB（1倍），基本達到實驗要求。 當時，下圖(a)所示是最大增益情況，圖(b)所示是最小增益情況。圖(a)圖(b)由圖(a)可知，放大時，最大輸出電壓，最大電壓增益，略小于實驗要求的12

13、dB（4倍），基本達到實驗要求。由圖(b)可知，縮小時，最小輸出電壓，最小電壓增益，大于實驗要求的-12dB（0.25倍），有一定誤差。 當時，下圖(c)所示是最大增益情況，圖(d)所示是最小增益情況。圖(c)圖(d)由圖(c)可知，放大時，最大輸出電壓，最大電壓增益，略小于實驗要求的12dB（4倍），基本達到實驗要求。由圖(d)可知，縮小時，最小輸出電壓，最小電壓增益，大于實驗要求的-12dB（0.25倍），有一定誤差。綜上：音調控制器實現了對低音頻或高音頻的增益進行提升或衰減，中音頻增益保持不變，但是對于低頻或高頻增益的提升或衰減的范圍與要求的存在一定誤差，尤其是在對信號進行衰減時，這說明

14、在參數選擇上仍存在不足。8）整機信號試聽效果：（1）話音擴音：聲音清晰，音量大小也可以調節(jié)。（2）Mp3音樂試聽：各種音樂播放效果都相當不錯，且實現了音量和音調的可調。（3）混音功能：混音的效果很好，音樂播放時對著話筒講話聲音可以聽見的同時又不會完全蓋過音樂，兩個信號大小調節(jié)較好，又很清晰。（4）音調控制（提高）：對高音和低音的放大調節(jié)效果明顯，縮小調節(jié)則效果不是特別明顯。3、 出現故障問題及處理方法總結：（1）出現的故障及排除方法1） 分模塊調試電路均已通過，但兩級電路連接在一起時產生失真。解決方法是在兩級電路之間接一個射極跟隨器。本次實驗中共加了兩個射極跟隨器，分別加在混合前置放大器與音調

15、控制器之間、音調控制器與功放電路之間。2） 輸入交流信號時，輸出信號產生了一些毛刺，解決方法是在每一級輸出后串聯一個小電容，濾除毛刺。3） 在每一級輸出串聯一個電容后，后一級輸出信號會上下移動，即有電容充放電的過程，解決方法是將輸出后串聯的電容換小一點。4） 話筒接入電路后會產生嘯叫，這一般是話筒外殼接地不善引起的，解決方法是在話筒輸入和地之間接一個的電容。5） 功放電路的低頻自激比較明顯，解決方法是在功放電源和地之間接一個的濾波電容。（2） 體會與總結通過本次實驗，我經歷了一次完整的實驗過程：學習、設計、實現、分析、總結，每一個環(huán)節(jié)都是十分重要的。我學會了如何系統(tǒng)、綜合地應用已學到的模擬電路、數字電路的知識，在單元電路設計的基礎上，利用Multisim軟件工具設計出具有一定工程意義和實用價值的電子電路。本次實驗的四個模塊電路，其中前兩個是模電理論課上學習過的內容，直接應用并加以少許改進就可以了；還有兩個則是通過自己查找資料進行學習后進行設計的，這提高