卡拉OK仿真系統(tǒng)_音頻功率放大的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）題目： 卡拉OK仿真系統(tǒng) 系 別： 電子系 專 業(yè)： 電子信息工程技術(shù) 姓 名： 林漢坤 學(xué) 號(hào)： 1113232138 指導(dǎo)教師： 鄔志峰 日 期： 2013年12月 卡拉OK仿真系統(tǒng)摘要這是一個(gè)科學(xué)技術(shù)極度發(fā)展的的時(shí)代，這是一個(gè)人們生活節(jié)奏極度快速的時(shí)代。在這個(gè)極速的時(shí)代人們對(duì)音樂(lè)的播放和演繹都有了更高的要求，一、希望聲音的放大倍數(shù)盡可能的大；二、希望播放音樂(lè)的失真度盡可能的小；三、要求聲源的輸入越來(lái)越多。例如：一臺(tái)普通的功放機(jī)至少會(huì)有5到7個(gè)音頻的輸入接口；四、隨著社會(huì)發(fā)展的要求，節(jié)能環(huán)保的提倡，人們對(duì)機(jī)體本身的功耗要求越來(lái)越高，希望功耗盡可能

2、的小；五、為了節(jié)省材料，體積越小越好，耗材越少越好。 由于條件的限制我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)兩路音頻的功放，一個(gè)供MP3的音頻輸入，還有一個(gè)用來(lái)供話筒的聲音輸入。這樣就可以做成一個(gè)小型的卡拉OK機(jī)了。關(guān)鍵詞：音頻功率放大器；ProteusTOC o 1-3 h u 目 錄 HYPERLINK l _Toc27143 一、引言 PAGEREF _Toc27143 4 HYPERLINK l _Toc12878 二、音頻放大器的概述 PAGEREF _Toc12878 5 HYPERLINK l _Toc16050 PAGEREF _Toc16050 5 HYPERLINK l _Toc13579 PAGER

3、EF _Toc13579 6 HYPERLINK l _Toc24034 2.2.1 A類(甲類)功率放大器 PAGEREF _Toc24034 6 HYPERLINK l _Toc25705 2.2.2 B類(乙類)功率放大器 PAGEREF _Toc25705 6 HYPERLINK l _Toc8097 2.2.3 AB類(甲乙類)功率放大器 PAGEREF _Toc8097 6 HYPERLINK l _Toc19394 2.2.4 C類(丙類)功率放大器 PAGEREF _Toc19394 7 HYPERLINK l _Toc3955 2.2.5 D類(丁類)功率放大器 PAGERE

4、F _Toc3955 7 HYPERLINK l _Toc2006 放大器的技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc2006 7 HYPERLINK l _Toc16697 三、音頻功率放大器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16697 10 HYPERLINK l _Toc9883 PAGEREF _Toc9883 10 HYPERLINK l _Toc5702 PAGEREF _Toc5702 10 HYPERLINK l _Toc10882 PAGEREF _Toc10882 12 HYPERLINK l _Toc15365 3.3.1 低通濾波器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15365 12

5、HYPERLINK l _Toc29957 3.3.2 高通濾波器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29957 14 HYPERLINK l _Toc14558 3.3.3 二級(jí)放大電路電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14558 16 HYPERLINK l _Toc14964 PAGEREF _Toc14964 17 HYPERLINK l _Toc16704 3.5 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16704 18 HYPERLINK l _Toc29020 四、Protues的仿真操作簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc29020 20 HYPERLINK l _Toc7673 4.1

6、 protues的工作界面 PAGEREF _Toc7673 20 HYPERLINK l _Toc513 4.2 protues的仿真工具 PAGEREF _Toc513 21 HYPERLINK l _Toc30270 五、電路的仿真 PAGEREF _Toc30270 23 HYPERLINK l _Toc24251 5.1 前置電路的仿真 PAGEREF _Toc24251 23 HYPERLINK l _Toc8982 5.1.1 輸入與輸出分析 PAGEREF _Toc8982 23 HYPERLINK l _Toc13375 5.1.2 電路頻率響應(yīng)特性分析 PAGEREF _T

7、oc13375 24 HYPERLINK l _Toc7944 PAGEREF _Toc7944 25 HYPERLINK l _Toc6418 PAGEREF _Toc6418 25 HYPERLINK l _Toc31797 PAGEREF _Toc31797 26 HYPERLINK l _Toc7612 5.3 功率放大電路功率仿真 PAGEREF _Toc7612 27 HYPERLINK l _Toc23623 5.4 直流穩(wěn)壓電源仿真 PAGEREF _Toc23623 28 HYPERLINK l _Toc27512 29 HYPERLINK l _Toc222 5.5.1 電

8、路輸入與輸出分析 PAGEREF _Toc222 30 HYPERLINK l _Toc19823 PAGEREF _Toc19823 31 HYPERLINK l _Toc99 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc99 32 HYPERLINK l _Toc99 附 圖 PAGEREF _Toc99 33一、引言進(jìn)入大學(xué)后生活條件和周圍的環(huán)境都發(fā)生了極大的變化，以前在家你可以開(kāi)著音響大聲的放歌，打開(kāi)麥克風(fēng)大聲唱自己喜歡的歌謠。只要自己愿意就可以了，一般不會(huì)受限制的。真的是想唱就唱，想聽(tīng)你就大聲的聽(tīng)，讓音樂(lè)不斷的陶醉吧！上學(xué)后呢？我們依然想聽(tīng)著被大聲播放的音樂(lè)，想對(duì)著MV唱自己喜歡唱歌曲。但是條

9、件實(shí)在是不允許，我們沒(méi)有一個(gè)播放設(shè)備給我們大聲放歌，我們也沒(méi)有一個(gè)可以支持話筒輸入的設(shè)備來(lái)供我們唱歌?，F(xiàn)在我們都會(huì)有一種感覺(jué)，沒(méi)有音樂(lè)的社會(huì)就像在地獄一樣，音樂(lè)已經(jīng)是生活的一部分。我們又不可能去買(mǎi)那些很奢侈的東西吧很貴，沒(méi)有買(mǎi)的必要。當(dāng)然我們是學(xué)生學(xué)習(xí)也很重要，聽(tīng)音樂(lè)和唱歌只是一個(gè)業(yè)余愛(ài)好而已。怎樣才能兩全其美呢？那就用自己所學(xué)的東西來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)卡拉OK機(jī)吧！這樣既可以學(xué)以致用，又能滿足我們自己的喜好。二、音頻放大器的概述音響技術(shù)的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場(chǎng)效應(yīng)管四個(gè)階段。1906年美國(guó)的德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開(kāi)創(chuàng)了人類電聲技術(shù)的先河。1927年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了負(fù)反饋NF

10、B（Negative feedback）技術(shù)后，使音響技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，比較有代表性的如“威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設(shè)計(jì)hi-fi（High Fidelity）放大器的文章中介紹了一種成功運(yùn)用負(fù)反饋技術(shù)，成為了hi-fi史上一個(gè)重要的里程碑。60年代由于晶體管的出現(xiàn)，使功率放大器步入了一個(gè)更為廣闊的天地。晶體管放大器細(xì)膩動(dòng)人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，各種電路也相應(yīng)產(chǎn)生，如：“OTL （Output Transformer Less）” 無(wú)輸出放大器、“OCL（Output Capacitor Less）”放大器等。 隨著晶體管制造技術(shù)的不斷

11、提高和新技術(shù)的應(yīng)用，各項(xiàng)實(shí)用性指標(biāo)和可靠性指標(biāo)都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，更輕的重量，更多的功能和智能化方向發(fā)展，如美國(guó)CROWN公司的MA-5000VZA功放，其最大輸出功率可達(dá)4000W/8，完善的可靠性設(shè)計(jì)使它在苛刻的環(huán)境中可連續(xù)工作，使得生產(chǎn)者可作3年免維護(hù)的保證；插入可編程的輸入處理模塊USP3；可對(duì)12000臺(tái)功放的工作狀態(tài)進(jìn)行程控調(diào)節(jié)和各種參數(shù)檢測(cè)。各種完善的可靠性保護(hù)措施，使它的可靠性大大提高。.Sandler等學(xué)者提出了D類放大的PCM（脈碼調(diào)制）數(shù)字功放的基本結(jié)構(gòu)。美國(guó)Tripass司設(shè)計(jì)了改進(jìn)的D類數(shù)字功放，取名為“T”類功。1999年意大利POW

12、ERSOFT公司推出了數(shù)字功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音頻功率放大器，數(shù)字功放進(jìn)入了工程應(yīng)用，并獲得了世界同行的認(rèn)可，市場(chǎng)日益擴(kuò)大，最終將替代各類模擬功放。按照電流導(dǎo)通角的大小可分為A類(甲類)、AB類(甲乙類)、 B類(乙類)、C類(丙類)和D類(丁類)功率放大器。2.2.1 A類(甲類)功率放大器A類(甲類)功率放大器電流導(dǎo)通角=180，理想效率為50%，一般適用于小信號(hào)電壓放大器。A類功率放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近， HYPERLINK :/baike.baidu /view/30363.htm t _blank 晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。由于放

13、大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。有較大的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/423482.htm t _blank 非線性失真，由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。2.2.2 B類(乙類)功率放大器B類(乙類)功率放大器電流導(dǎo)通角=90，理想效率為78.5%。B類功率放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，一管導(dǎo)通另一管截止，輸出端為正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半周期內(nèi)，輸出端為負(fù)半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78.

14、5 0.6V之間時(shí)，兩管都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。2.2.3 AB類(甲乙類)功率放大器AB類(甲乙類)功率放大器電流導(dǎo)通角90180，理想效率為50%78.5%。AB類(甲乙類)放大器，實(shí)際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結(jié)合，每個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間在50100之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設(shè)計(jì)，然后增加偏置電流，使放大器進(jìn)入AB類(甲乙類)。AB類功率放大器的好處是：可以避免交越失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。2.2.4 C類(丙類)功率放大器C類(丙類)功率放大器電流導(dǎo)通角78.5%。C類功率放大器的主要特點(diǎn)是：處在C類狀態(tài)時(shí)，放大器的電流波形有較大的

15、失真，因此只能用調(diào)諧回路作為負(fù)載，以濾除諧波分量，選出信號(hào)基波，從而消除失真。2.2.5 D類(丁類)功率放大器D類(丁類)功率放大器功率管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，理想效率為90%100%。D類(數(shù)字 HYPERLINK :/baike.baidu /view/66105.htm t _blank 音頻功率)放大器是一種將輸入模擬 HYPERLINK :/baike.baidu /view/189722.htm t _blank 音頻信號(hào)變換成脈沖信號(hào),然后用脈沖信號(hào)去控制大功率 HYPERLINK :/baike.baidu /view/126104.htm t _blank 開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放

16、大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/204522.htm t _blank 低通濾波器等四部分組成。它有以下好處：1 具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。2 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。3 低失真， HYPERLINK :/baike.baidu /view/85570.htm t _blank 頻率響應(yīng) HYPERLINK :/baike.baidu /view/400.htm t _blank 曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。放大器的技

17、術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)一個(gè)功放系統(tǒng)或設(shè)備是否符合高保真要求，一般應(yīng)采用主觀聽(tīng)音評(píng)價(jià)和客觀指標(biāo)測(cè)試相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行，并以客觀測(cè)試指標(biāo)為主要依據(jù)。因?yàn)椴捎脙x器測(cè)試設(shè)備的性能指標(biāo)能得到很直觀的可供參考比較的定量結(jié)果，無(wú)疑是最科學(xué)而值得信賴的。音頻功放的技術(shù)指標(biāo)，主要包括輸出功率、頻率特性、信噪比、瞬態(tài)響應(yīng)以及非線性失真等。其中，輸出功率、頻率特性等，通常稱為靜態(tài)特性指標(biāo)，它們是用穩(wěn)態(tài)信號(hào)測(cè)量的。而瞬態(tài)特性和非線性失真等，則稱為動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，它們是用非穩(wěn)態(tài)信號(hào)測(cè)量確定的。1、 額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(r1%)的最大功率稱為額定功率，表達(dá)式；Po= Uo2/RL (2-1)U0為負(fù)載兩端的最大不

18、失真電壓，RL為額定負(fù)載阻抗。測(cè)量條件如下：信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1kHz，電壓U1=20mV正弦信號(hào)。功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)，輸入端接U1，逐漸增大輸入電壓U1；直到U0的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真(r1%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓。測(cè)量后應(yīng)迅速減小U1，以免損壞功率放大器。2、 頻率響應(yīng)音頻功放的頻率特性，是反映它對(duì)不同信號(hào)頻率放大能力的物理量。通常采用輸出電平隨頻率變化的關(guān)系曲線來(lái)描述。指的是振幅頻率特性，習(xí)慣上稱為幅頻特性或頻率響應(yīng)(簡(jiǎn)稱為頻響)。在說(shuō)明音頻功放的頻率特性時(shí)，有兩點(diǎn)必須明確給出。即：一是有效頻率范圍。頻率范圍，20Hz20kHz全面反映出

19、該功放的頻率特性指標(biāo)。對(duì)于音頻功放的頻率特性指標(biāo)而言，其有效頻率范圍越寬，且在該頻率范圍內(nèi)相對(duì)參考電平的不均勻度越小。則說(shuō)明該音頻功放的頻率特性指標(biāo)就越好。放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻fo (1kHz)的電壓增益下降3dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音頻率f L和高音頻率f h稱為放大器的頻率響應(yīng)。3、諧波失真諧波失真是指信號(hào)通過(guò)音頻設(shè)備后，新增加的諧波成分。它是原信號(hào)波形中沒(méi)有的波形變化，是不希望發(fā)生的。其值以新增加的諧波成分的均方根值與原信號(hào)電壓的均方根值的百分比來(lái)表示即： SKIPIF 1 0 （2-2）式中 U1 正弦波基波電壓有效值;U2 ,U s. Un 2次、3次、n次諧波電壓有效值。以下，目

20、前許多優(yōu)秀的放大器失真度均可達(dá)到0.01。降低放大器諧波失真度的措施有：施加適量的電壓或電流負(fù)反饋。選用ft較高、線性好的放大器件。盡可能提高各級(jí)對(duì)管參數(shù)的一致性或?qū)ΨQ性。采用甲類放大，選用優(yōu)秀的電路，如雙差分放大、全互補(bǔ)輸出或全對(duì)稱等。 4、信號(hào)噪聲比 信號(hào)噪聲比 (S/N)指信號(hào)通過(guò)音頻設(shè)備后增加的各種噪聲(如低頻呼聲、感應(yīng)交流聲、嘀嘀聲等)與指定信號(hào)電平的dB差值，或信號(hào)幅度與噪聲幅度之比，其值常用分貝表示，有時(shí)也以重放設(shè)備輸出的絕對(duì)噪聲電壓或電平值來(lái)表示，這時(shí)標(biāo)為噪聲電平?，F(xiàn)代高保真后級(jí)功放的S/N一般能達(dá)到90dB以上，問(wèn)題不會(huì)很突出。我們知道，多級(jí)放大器的S/N主要取決于第一級(jí)，故

21、在系統(tǒng)中，我們要著重提高前級(jí)或前置放大器的S/N。由于影響S/N的因素很多，提高S/N便顯得很棘手，有時(shí)費(fèi)了九牛二虎之力，能使之提高兩三個(gè)dB已屆戰(zhàn)果輝煌。而人耳對(duì)噪聲又很敏感，所以提高S/N往往成為設(shè)計(jì)及制作的主攻目標(biāo)。雖然因素很多，但也不是無(wú)章可循，除了器件本身的噪聲以外、放大器噪聲的來(lái)源概括起來(lái)主要有三個(gè)途徑：電源干擾、空間干擾和地線干擾。只要從以下幾個(gè)方面人手，S/N一般便可達(dá)到令人滿意的水平。適當(dāng)降低信號(hào)源的輸出內(nèi)阻。合理設(shè)定前級(jí)或前置放大器的增益，避免使之過(guò)大，能滿足系統(tǒng)增益要求略有富余便可，這在業(yè)余制作時(shí)往往被忽略。使用高性能的穩(wěn)壓電源供電。各放大級(jí)盡可能單獨(dú)或并聯(lián)供電(即各級(jí)電

22、源端經(jīng)一只隔離電阻直接與電源連接，并加接退耦電容)。嚴(yán)格區(qū)分模擬地線與數(shù)字地線，各級(jí)地線分別定線，一點(diǎn)接地。機(jī)殼的接地點(diǎn)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。合理布線、使輸入信號(hào)引線盡可能短。超過(guò)4cm長(zhǎng)的均應(yīng)使用屏蔽線，屏蔽層單端接地，各電位器、開(kāi)關(guān)外殼也應(yīng)可接地小信號(hào)放大電路板應(yīng)遠(yuǎn)離電源變壓器。三、音頻功率放大器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案分析本次設(shè)計(jì)的音頻功率放大器分為音頻放大和直流電源兩大部分?？捎梢韵滤究驁D實(shí)現(xiàn)前置放大器二級(jí)放大器功率放大器揚(yáng)聲器聲源圖3-1 音頻功率放大框圖音頻放大電路的功能是將其他電子設(shè)備的音源信號(hào)進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過(guò)功率放大，最后去推動(dòng)揚(yáng)聲器輸出，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一個(gè)擴(kuò)音器變壓器全橋整流電路線性直流

23、穩(wěn)壓電路電源輸入220V交流穩(wěn)壓電源輸出圖3-2 直流電源框圖直流電源部分則負(fù)責(zé)將220V交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電供放大電路使用，為了減小電源波動(dòng)引起的噪聲對(duì)放大電路的影響，電源部分將采用線性直流穩(wěn)壓電源。聲音源的種類有很多種，如傳聲器（話筒）、電唱機(jī)、及線路傳輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號(hào)的電壓差別很大，從零點(diǎn)幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號(hào)直接輸入到功率放大器中的話，如輸入過(guò)低的信號(hào)，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；如輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，功率放大器的輸出信號(hào)將嚴(yán)重過(guò)載失真，這將失去音頻放大的意義。所以一個(gè)實(shí)用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設(shè)置前置

24、放大器，以便使放大器適應(yīng)不同的的輸入信號(hào)，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。前置放大電路的作用簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是“緩沖”，將外部輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行放大并輸出。本次設(shè)計(jì)的前置放大電路是一個(gè)高輸入阻抗、高共模低抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路，設(shè)計(jì)中將采用OP07來(lái)設(shè)計(jì)前置放大電路。對(duì)于前置放大電路來(lái)說(shuō)，輸入阻抗越大越好，輸出阻抗越小越好，所以本設(shè)計(jì)采用反相比例放大器，如圖3-3圖3-3反相比例放大器輸出電壓 U0=-If Rf （3-1）而 If=I1= SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 （3-2）最后得出 Auf= SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 （3-3）輸入電阻為

25、rif=R1 （3-4）輸出電阻為 r0=0 （3-5）平衡電阻為 R2=R1Rf （3-6）若設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)為10倍的前置放大電路，輸入電阻 R1將采用10k的電阻，希望達(dá)到的放大倍數(shù)為10倍。則根據(jù)公式，負(fù)反饋Rf將采用100k的電阻。因?yàn)镽2=R1Rf ，且R1Rf ,所以R2也采用10k的電阻。OP07用15穩(wěn)壓電源供電。若在輸入端加入一電容，則電容C是耦合電容，其容量取值可以按如下規(guī)則來(lái)考慮：因?yàn)檫\(yùn)放的反相端相當(dāng)于“虛地”，故電容C和電阻R構(gòu)成一階高通濾波器，人耳能聽(tīng)到的聲音信號(hào)最低為 20HZ，故該高通濾波器的截止頻率應(yīng)當(dāng)?shù)陀?20HZ，才能保證音頻信號(hào)的完整傳輸，即 （3-7）

26、F。畫(huà)出前置放大電路原理圖如圖3-4圖3-4 前置放大器電路二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)將由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器組成，形成一個(gè)帶通濾波器。3.3.1 低通濾波器設(shè)計(jì)低通濾波器容許低頻信號(hào)通過(guò), 但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號(hào)的通過(guò)。對(duì)于不同濾波器而言,每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí),它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。典型的一階有源低通濾波器如圖3-5圖3-5（a）反相輸入低通濾波器 （b）同相輸入低通濾波器設(shè)計(jì)中采用集成運(yùn)放低通濾波器的同相輸入接法。則輸出電壓 U0= SKIPIF 1 0 (3-8)而 U+= SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1

27、 0 (3-9)所以傳遞函數(shù) A= SKIPIF 1 0 （3-10)其中輸出電壓U0與其輸入電壓U+的比值為Au；0為電壓放大倍數(shù)下降到 SKIPIF 1 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的角頻率。所以其特性為 Au= SKIPIF 1 0 (3-11) SKIPIF 1 0 (3-12)若設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)為3倍的低通濾波器，則設(shè)計(jì)中負(fù)反饋選擇200電阻，為了達(dá)到3倍的放大倍數(shù)，電阻R1和R選擇100電阻。因?yàn)槿丝梢月?tīng)到的聲音范圍為20Hz20kHz,則 SKIPIF 1 0 （3-13） SKIPIF 1 0.08uF。設(shè)計(jì)中電容采用0.082uF的電容。設(shè)計(jì)出電路圖如圖3-6圖3-6 低通濾波器則圖3-6中電

28、壓放大倍數(shù)為 SKIPIF 1 0 (3-15) SKIPIF 1 0 rad/s (3-16)3.3.2 高通濾波器設(shè)計(jì)高通濾波器是容許高頻信號(hào)通過(guò)、但減弱（或減少）頻率低于截止頻率信號(hào)通過(guò)的濾波器。對(duì)于不同濾波器而言,每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。它有時(shí)被稱為低頻剪切濾波器；在音頻應(yīng)用中也使用低音消除濾波器或者噪聲濾波器。高通濾波器與低通濾波器特性恰恰相反。典型的一階有源高通濾波器如圖3-7圖3-7（a）反相輸入高通濾波器 （b）同相輸入高通濾波器設(shè)計(jì)中采用集成運(yùn)放高通濾波器的同相輸入接法其中傳遞函數(shù) SKIPIF 1 0 (3-17)在理想特性下通帶電壓放大倍數(shù) SKIPIF 1 0 (

29、3-18)通帶截止角頻率 SKIPIF 1 0 (3-19)若設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)為3倍的高通濾波器，則設(shè)計(jì)中負(fù)反饋選擇20k電阻，為了達(dá)到3倍的放大倍數(shù)，電阻R1和R選擇10k電阻。因?yàn)槿丝梢月?tīng)到的聲音范圍為20Hz20kHz,則 SKIPIF 1 0 （3-20） SKIPIF 1 0 rad/s (3-21)由于R選擇10k電阻，則C0.8uF。設(shè)計(jì)中電容采用0.75uF的電容。設(shè)計(jì)出電路圖如圖3-8圖3-8 高通濾波器則圖中電壓放大倍數(shù)為 SKIPIF 1 0 (3-22) SKIPIF 1 0 133 rad/s (3-23)3.3.3 二級(jí)放大電路電路設(shè)計(jì)將低通濾波器和高通濾波器相連接

30、，則形成如下二級(jí)電路：圖3-9 二級(jí)放大電路電路圖則圖3-9中實(shí)際通帶電壓放大倍數(shù)為Au=Au低通Au高通=9 (3-24)由 SKIPIF 1 0 （3-25）可知該二級(jí)電路的通帶頻率約為21.2Hz19.4KHz。功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標(biāo)有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應(yīng)和效率。目前常見(jiàn)的電路結(jié)構(gòu)有OTL型、OCL型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運(yùn)算放大器和大功率晶體管構(gòu)成的功率放大器；隨著集成電路的發(fā)展，全集成功率放大器應(yīng)用越來(lái)越多。由于集成功率放大器使用和調(diào)試方便、體積小、重量輕、成本低、溫

31、度穩(wěn)定性好，功耗低，電源利用率高，失真小，具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及自啟動(dòng)、消噪等功能，所以使用非常廣泛。本次設(shè)計(jì)將采用正向比例運(yùn)算放大器連接OCL互補(bǔ)對(duì)稱電路，使輸入信號(hào)功率放大。正向比例運(yùn)算放大器負(fù)反饋使用可調(diào)電阻，使放大功率可調(diào)。喇叭使用8的喇叭，互補(bǔ)對(duì)稱電路用15直流電源供電?？晒浪鉕CL電路輸出功率為 SKIPIF 1 0 w (3-26)圖3-10 集成運(yùn)放OCL電路其中D1、D2用于消除交越失真。反相比例運(yùn)算放大器放大倍數(shù)為15倍。3.5 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)由于本次設(shè)計(jì)全部采用15V直流電源，則必須設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，將220V的交流電源經(jīng)過(guò)降壓和穩(wěn)壓之后成為穩(wěn)定的15V

32、直流電源。直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路如以下框圖降壓整流穩(wěn)壓圖3-11 直流電源框圖因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要對(duì)稱的雙電源，因此必須選擇次級(jí)有三端抽頭的變壓器，經(jīng)全橋電路整流和電容濾波后，輸出對(duì)稱的正負(fù)電源。要構(gòu)成線性直流穩(wěn)壓電源，最簡(jiǎn)單的方法就是采用三端集成穩(wěn)壓器。這種集成電路塊內(nèi)部完整地集成了采樣電路、比較放大、調(diào)整電路、保護(hù)電路和啟動(dòng)電路等功能，但是外部引腳只有三個(gè)端口，分別接輸入電源、地，另一個(gè)端口輸出，其使用十分簡(jiǎn)單，只要將三個(gè)端口按規(guī)定接入電路就可以使用。由于需要15V直流電源，則集成三端穩(wěn)壓電源模采用7815 和 7915為負(fù)三端穩(wěn)壓，7815為正三端穩(wěn)壓。直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖如下圖3-12 直流穩(wěn)

33、壓電源圖中可看出220V的交流電源經(jīng)變壓器（TR1）降壓后，經(jīng)過(guò)由D1、D2、D3和D4組成的全橋整流電路輸出直流，再由穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流，提供給放大電路使用。圖中C1、C2、C3和C4都為濾波電容。四、Proteus的仿真操作簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)中采用Proteus仿真軟件對(duì)電路各部分進(jìn)行仿真。Proteus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。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus ISIS是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： (

34、1)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤(pán)和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 (2)支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。 (3)提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也

35、必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境。(4)具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。本章介紹 Proteus ISIS 軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。4.1 Proteus的工作界面Proteus ISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，如圖所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對(duì)象選擇按鈕、預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對(duì)象選擇器窗口、圖形編輯窗口。圖4-1 Proteus ISIS的工作界面4.2 Proteus的仿真工具在Proteus中的仿真主要使用到以下五

36、種工具：圖4-2 仿真使用到的工具其中虛擬信號(hào)時(shí)仿真是輸入的信號(hào)，如模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等。電壓探針和電流探針是在所要測(cè)量的地方插入一個(gè)探針，測(cè)量該探針的電壓或電流。具體使用方法如圖4-3虛擬儀器是測(cè)量時(shí)所要使用的虛擬的儀器，具體儀器如圖4-3圖4-3 虛擬儀器曲線圖表是根據(jù)所插入的探針而生成的曲線圖，可生成的曲線圖表有以下幾種：圖4-4 曲線圖表設(shè)計(jì)中輸入信號(hào)使用模擬信號(hào)，用電壓探針和電流探針生成曲線圖表，從而進(jìn)行輸入、輸出分析、頻率響應(yīng)分析、噪聲分析和傅里葉分析。五、電路的仿真5.1 前置電路的仿真在前置放大電路的輸入端輸入10mV的正弦信號(hào)，在輸出段插入電壓探頭，分別對(duì)電路進(jìn)行輸入、輸出分

37、析和頻率響應(yīng)分析。圖5-1 前置放大電路5.1.1 輸入與輸出分析圖5-2 前置放大電路輸入和輸出分析圖圖中知輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)電壓值為-10mV，輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)電壓值為103mV，放大倍數(shù)約為10，與前置放大電路的計(jì)算值100/10=10（倍）相符。5.1.2 電路頻率響應(yīng)特性分析圖5-3 前置放大電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）圖5-4 前置放大電路頻率響應(yīng)特性分析圖（2）系統(tǒng)的最大頻率增益為20dB，則下降3dB可知截止頻率為55.6kHz。系統(tǒng)通帶頻率范圍為10Hz55.6kHz。在二級(jí)放大電路的輸入端輸入10mV的正弦信號(hào)，在輸出段插入電壓探頭，分別對(duì)電路進(jìn)行輸入、輸

38、出分析和頻率響應(yīng)分析。圖5-5 二級(jí)放大電路圖5-6 二級(jí)放大電路輸入和輸出分析圖88。電路頻率響應(yīng)特性分析圖5-7 二級(jí)放大電路頻率響應(yīng)分析圖（1）圖5-8 二級(jí)放大電路頻率響應(yīng)分析圖（2）圖5-9 二級(jí)放大電路頻率響應(yīng)分析圖（3）由圖可知系統(tǒng)的最大頻率增益為19.1dB, 則下降3dB可知截止頻率為21.6Hz和18.8kHz，所以系統(tǒng)通帶頻率范圍為21.6Hz18.8kHz。5.3 功率放大電路功率仿真在功率放大電路的輸入端輸入正弦信號(hào)和電流探頭，在輸出段插入電壓探頭和電流探頭，對(duì)電路進(jìn)行輸入、輸出功率分析。圖5-10 功率放大電路模擬仿真參數(shù)設(shè)置如圖輸出功率變化曲線：圖5-11 曲線設(shè)

39、置圖5-12 功率放大電路輸入和輸出功率分析圖（可調(diào)電阻在中間）圖5-13率放大電路輸入和輸出功率分析圖（可調(diào)電阻在最左邊）圖5-14 功率放大電路輸入和輸出功率分析圖（可調(diào)電阻在最右邊）由仿真圖可知，輸出功率被放大。系統(tǒng)以恒定功率輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)RV1可調(diào)節(jié)電路輸出功率。5.4 直流穩(wěn)壓電源仿真在直流穩(wěn)壓電源電路的輸出端接兩個(gè)電壓表，測(cè)量能否輸出15V的電壓。圖5-15 直流穩(wěn)壓電源電路由仿真圖圖可知直流穩(wěn)壓電源可輸出15V的電壓，證明直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)符合要求。前置放大電路、二級(jí)放大電路、功率放大電路組成總電路圖5-12。在音頻功率放大電路的輸入端輸入正弦信號(hào)，在輸出段插入電壓探頭，對(duì)電路進(jìn)行

40、輸入和輸出功率分析、頻率響應(yīng)特性分析。圖5-16 音頻功率放大電路5.5.1 電路輸入與輸出分析圖5-17 音頻功率放大電路輸入和輸出分析圖電路輸入信號(hào)為電壓幅度10mV、頻率為1kHz的正弦信號(hào)，可調(diào)電阻在50%處，輸入-輸出仿真結(jié)果圖，由上圖可知電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了反相放大，放大倍數(shù)約為：2790/10=279(倍)，與計(jì)算結(jié)果10*9*3=270近似。圖5-18 音頻功率放大電路頻率響應(yīng)特性分析圖（1）圖5-19 音頻功率放大電路頻率響應(yīng)特性分析圖（2）圖5-20 音頻功率放大電路頻率響應(yīng)特性分析圖（3）系統(tǒng)的最大頻率增益為48.8dB，。從電路的仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)通帶頻率范圍為21.6

41、Hz18.1kHz。參考文獻(xiàn)1 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社2 謝嘉奎 電子線路，高等教育出版社3 謝自美:電子線路設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn) 測(cè)試, 華中科技大學(xué)出版社4 姚福安 音頻功率放大器設(shè)計(jì)，山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年06期。5 曾廣興 現(xiàn)代音響技術(shù)應(yīng)用，廣東科技出版社 6 王康年 高頻電子線路，西安電子科技大學(xué)出版社原理圖Pcb圖9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum

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