語音放大器的設(shè)計全面

1、電子電工教學(xué)基地實驗報告實驗課程：模擬電路實驗及仿真實驗名稱：語音放大電路的設(shè)計設(shè)計人員：完成日期：2012年6月27日1 / 150、引言在電子電路中，輸入信號常常受各種因素的影響而含有一些不必要的成份（即干擾），或者輸入信號是不同頻率信號混合在一起的信號，對前者應(yīng)設(shè)法將不必要的成份衰減到足夠小， 而后者應(yīng)設(shè)法將需要的信號提取出來。而且隨著社會的發(fā)展，在我們的日常生活中也經(jīng)常會出現(xiàn)一系列的問題：如在檢修各種機器設(shè)備的時候，我們要根據(jù)故障設(shè)備的異常聲來尋找故障，這種異常的聲響的頻譜覆蓋面往往很廣；同時另外的一種情況我們在打電話的時候，有時往往因聲音或干擾太大而難以聽清對方的聲音，這時我們就需要

2、一種既能放大語音信號又能降低外來噪聲的儀器。 而且語音放大電路目前的運用很廣泛：適用于很多的家用電器上面的運用。例如：便攜式收音機、對講機等很多方面的運用。為了達(dá)到這樣的一個目的，我們 就要考慮到設(shè)計一個能識別 3003000Hz頻率范圍內(nèi)的小信號放大系統(tǒng)，我們可以用設(shè)計一 個集成運算放大器組成的語音放大電路。、設(shè)計目的及要求.通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的市場素質(zhì)，工藝素質(zhì)，自主學(xué)習(xí)的能力，分析問題解決問 題的能力以及團隊精神。.通過實驗總結(jié)回顧所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實驗，掌握低頻小信號放大電路和功放電路的設(shè)計方法。【設(shè)計要求】1）選取單元電路及元件根據(jù)設(shè)計要求和已知條件，確定前置放大電路、有

3、源帶通濾波電路、功率放大電 路的方案，計算和選取單元電路的原件參數(shù)。2）前置放大電路的組裝與調(diào)試測量前置放大電路的差模電壓增益 AU共模電壓增益AUG共模才制比KCMR 帶寬BW輸入電壓Ri等各項技術(shù)指標(biāo)，并與設(shè)計要求值進(jìn)行比較。3）有源帶通濾波器電路的組裝與調(diào)試測量有緣帶通濾波器電路的差模電壓增益 AUd帶通BW并與設(shè)計要求進(jìn)行比較。4）功率放大電路的組裝與調(diào)試測量功率放大電路的最大不失真輸出功率 Po,max、電源供給功率PDC輸出效率 “、直流輸出電壓、靜態(tài)電源電流等技術(shù)指標(biāo)。5）整體電路的聯(lián)調(diào)與試聽6）應(yīng)用Multisim軟件對電路進(jìn)行仿真分析2 / 15【性能指標(biāo)】.前置放大器：輸入

4、信號：Uid 100 k.有源帶通濾波器：頻率范圍：300 Hz3 kHz增益：Au = 1 o.功率放大器：最大不失真輸出功率：Poma61W 負(fù)載阻抗：RL= 8( 4)電源電壓：+ 5 V , + 12V, - 12V.輸出功率連續(xù)可調(diào)直流輸出電壓 50 mV靜態(tài)電源電流 100 mA二、總原理框圖及總電路圖.語音放大電路由“輸入電路”、“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、“功率放大器”、“揚聲器”幾部分構(gòu)成：IK1揚聲器語音放大電路原理框圖.實驗總電路：3 / 15三、設(shè)計思想及基本原理分析【設(shè)計思想】輸入端采用麥克風(fēng)形式，聲音通過麥克風(fēng)輸入前置放大電路， 進(jìn)行一次放大后輸 入二階有源

5、帶通濾波電路，對通頻帶（300Hz-3000HZ以外的信號進(jìn)行濾波，以 消除雜音，最后將經(jīng)過放大和濾波的信號輸入功率放大電路， 進(jìn)行功率放大后將 聲音通過揚聲器輸出。【基本原理】.前置放大電路前置放大電路可采用兩級負(fù)反饋放大器、 差分放大電路，也可以用集成運放 構(gòu)成的測量用小信號放大電路等。 在測量用的放大電路中，一般傳感器送來的直 流或低頻信號，經(jīng)放大后多用單端方式傳輸。一般來說，信號的最大幅度可能僅 有幾毫伏，共模噪聲可能高達(dá)幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對于總的精度 至關(guān)重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問題。因此前置放大電路應(yīng)該是一個高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號

6、放大電路。在設(shè)計前置 小信號放大電路時，可參考運算放大器應(yīng)用的相關(guān)；.有源濾波電路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。有源濾波電路的種 類有低通（LPF）、高通（HPF、帶通（BPF、帶阻（BEF濾波器，本實驗著重4 / 15討論典型的二階有源濾波器.功率放大電路功率放大的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換功率 盡可能高，非線性失真盡可能小。四、單元電路分析，元件介紹和元件參數(shù)計算?！厩爸梅糯箅娐贰糠桨敢皇且患壏糯?，其增益過小，且不夠穩(wěn)定，帶動不起后級電路。因此， 在前置放大器的選擇上，我們采用方案二的兩級放大。運算放大器使用 LM324通過第二級放大電路中的

7、電位器來調(diào)節(jié)放大的倍 數(shù)。這個電路非常簡單，而且原理清晰。通過仿真可知，輸出很完整，基本上沒有噪聲。在第一級放大電路中， AU1=1+R3/R1=1+1010 AU2=1 + (R10+R5 /R61100。所以總的放大倍數(shù)為 200。前級放大部分最終設(shè)計電路如下：R3_VAVCC,卜山火工小，M 口口 io oxa一JvaT跋1。口歲56mpk 北陽HVdD LMJ24AD(J)1 kHz_|_VDD飛/。，12V。在第二級放大電路中,AU=AU1.AU 100R10 w.R54kD_VDD 12V5 / 15【帶通濾波器設(shè)計】方案二高通與低通是分開做的，在滿足 LPF的通帶截止頻率高于HP

8、F的通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的 LPF和HPF串聯(lián)起來可以 實現(xiàn)帶通濾波器的功能，而且?guī)V波器的低頻截止頻率fL由HPF的截止頻率決定，高頻截止頻率fH有LPF的截止頻率決定。與方案一相比較，方案二的通 帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整。因此，我們采用的帶通濾波器是方案二，電路 圖如下圖所示，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信號。帶通濾波器最終設(shè)計 電路如下：II一R83.74.kOAU?D LM32VDD12Vvcc-12V高通部分：令=C=0.1pF, =2, 由已知條件：fH=1/(2 ji C)=3000Hz得=7.5KQ ,3.74k Qo低通部分：令=

9、2=0.022 pF, =0.01下同理可得=R,6 / 15由已知條件：fH=1/(2 jiR)=300Hz得=巾3.74 k Qo【功率放大電路設(shè)計】方案二：采用LM386作為功率放大器Amplifier with Gwin = 200口 第FTTDA203Q1許多電腦有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成塊，它接法簡單，價格實惠，額定功率為14W電源電壓為土 618V。輸出電流大，諧波失真和交越失真小(土 14V/4歐姆，THD=0.5%,具有優(yōu)良的短路和過熱保護電路。采用LM386作為功率放大器雖然外圍電路相對簡單并且穩(wěn)定性較好，但是仿真軟件 Multisim中沒有找到LM386基于TDA

10、2030勺優(yōu)點而且又便于仿真，我們最終決定采用方案一。功率放大部分最終設(shè)計電路如下:100nFR191 q g 獨部五、主要器件介紹【柱極體傳聲器】傳聲器是一種將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號的電聲換能器。 駐極體傳聲器是一種7 / 15用駐極體材料制造的新型傳聲器。 它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng) 用于語言拾音、聲信號檢測等方面。駐極體傳聲器內(nèi)部主要包括聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分。聲電轉(zhuǎn)換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元 件是振動膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜， 然后 再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷，膜片的蒸金面向外，與金屬外 殼相連通

11、。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開，這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。當(dāng)聲音傳入時，振膜隨聲波的運動發(fā)生振動， 此時振膜與固定電極間的電容量也隨聲音而發(fā)生變化。從而產(chǎn)生了隨聲波變化而 變化的交變電壓信號，如此就完成了聲音轉(zhuǎn)換為電信號的過程。電壓變化的大小， 反映了外界聲壓的強弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率。駐極體傳聲 器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。因而這個電信號輸出阻抗很高，而且很弱。因此，不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而 場效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點，因此，一般是在傳聲器內(nèi) 部接入一只輸入阻抗極高的結(jié)型場效應(yīng)

12、晶體三極管用來放大駐極體電容產(chǎn)生的 電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極 S或者漏極G輸出信號，實現(xiàn)阻抗變換?！綥M3241) LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng) 用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低 到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必 要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸LM324的引腳排列見涉2出端。

13、兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號 與該輸入端的位相反；Vi+ (+)為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的特點：筆陽2管腳連接圖於出4逾 4B1出3幅cd.短路保護輸出.真差動輸入級.可單電源工作：3V-32V.低偏置電流：最大100nA.每封裝含四個運算放大器。.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?共模范圍擴展到負(fù)電源.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列.輸入端具有靜電保護功能，俯視性:【TDA2030內(nèi)TDA2030A德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用 V型5腳單列直插式塑料封裝 結(jié)構(gòu)。如圖1所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用

14、于 汽車立體聲收錄音機、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特 點。并具有內(nèi)部保護電路。TDA2030A勺電路特點：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)3.采用超小型封裝(TO-220)，可提高組裝密度。4,開機沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路 有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（ Vsmax=12V以及負(fù)載 泄放電壓反沖等。6.TDA2030A能在最低 6V最高 22V的電壓下工作在土 19V、 8Q阻抗時能夠輸出16W勺有效功率，THDC0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱 的功率放大部分或小型功放再合適不過了

15、。引腳情況：1,腳是正向輸入端；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。六、電路仿真第一級前置放大電路：輸入最大值5mV輸出有效值479mV,Au=135;帶通濾波器9 / 15不淤器-XSC2帶通濾波器的波特圖如下:從波特圖中讀出 Au=0.98; fl=300Hz; fh=3000Hz但從輸入輸出正弦波幅值計算 Au=479/417=0.87功率放大電路輸入有效值417mV輸出有效值2.047V,Au=4.810 / 15七、實際電路分析【故障的分析】.沒有輸出波形。第一次在輸入端加入正弦信號時示波器沒有輸出，逐級排查故障，前置放大和帶通濾波器

16、輸出完整正弦波， 再接上功率放大部分，信號發(fā)生器 和濾波器瞬間自動斷電。推斷功率放大有問題，仔細(xì)檢查電路發(fā)現(xiàn)有一處沒有焊 接，另有一處錯接電容，改好電路后卻發(fā)現(xiàn)帶通濾波輸出波形異常，用萬用表一個個檢查元件發(fā)現(xiàn)都沒有燒毀，調(diào)試滑動變阻器也無濟于事，最后換了運放后， 帶通波形正常，才知道是LM324燒壞了。.功率放大電路出現(xiàn)截止失真。在仿真時，我們在輸入端加的是5mVE弦交流電，仿真結(jié)果輸出波形完整，沒有 失真。但是在測量實物時，信號發(fā)生器最小只能輸入50mVE弦交流電，示波器顯示輸出為截止波形，然后我們逐級排查故障，前置放大和帶通濾波器輸出都不 截止，問題在功率放大部分。我們重新仿真，發(fā)現(xiàn)功率放

17、大部分的輸入電壓最大 值不能超過2.1V,否則截止，而濾波后輸出最大電壓值約 6.7V。我們調(diào)節(jié)了前11 / 15 級放大和功率放大部分的滑動變阻器， 減小放大倍數(shù)，成功改善了截止。但是實 物測量中發(fā)現(xiàn)TD2030發(fā)燙，再次檢查電路沒有問題，更換新的TD2030后不再發(fā) 燙，推斷是故障1發(fā)生時也損壞了功率放大器?！緶y量結(jié)果】.前置放大器：Uimax= 50mv , Uomax=9.531v , 增益：Av = Uo / Ui=190.62.帶通濾波器：Uimax=9.426, Uomax=9.531 增益：Av = Uo / Ui=0.99fH =3098Hz, fL=310Hz, 通頻帶：B

18、W = fH - fL=2788Hz.功率放大器：最大不失真輸出功率的測量(輸入 1KHZE弦波，調(diào)到輸出最大不失真狀態(tài))Pomax = U2omax / 2RL = /(2*8)=6.45W.功率放大器直流輸出電壓和靜態(tài)電流的測量：輸入對地短路，測量直流輸出電壓=40.50mv將萬用表調(diào)至電流檔，量程為100mA并將表筆用接在12V電源與集成功放的電 源端，測量靜態(tài)電流I=13.33mA。*說明：因為在實際調(diào)試過程中改動過滑動變阻器組織，調(diào)整了放大倍數(shù)，所以 實際測得放大倍數(shù)與仿真結(jié)果不同。放大效果：我們用mutisim軟件里的麥克和喇叭進(jìn)行仿真，能聽到理想的聲音放 大效果。實物測量時，輸入

19、正弦信號，調(diào)信號頻率?？梢郧逦穆牭椒糯筝敵雎?音隨頻率而改變，形成美妙的音樂，而且聲音干凈，幾乎沒有噪音。直接對麥克 說話，喇叭卻不能發(fā)出聲音，對麥克吹氣貨輕敲麥克，喇叭有聲音發(fā)出。用手機 播放音樂，將手機緊挨麥克，音樂得到放大，但是存在噪聲。因為實驗時間太緊 張，我們沒有來得及研究駐極體麥克的偏置電壓電路，直接將其用接在電路中， 沒加偏置電壓是造成不能發(fā)聲的直接原因。八、元件清單12 / 15元件清單型號數(shù)量型號數(shù)量電容100nF3電阻1MQ1電容0.1uF1電阻100k Q2電容 0.022uF1電阻3.74k Q31電容0.01uF1電阻1kQ2電容22uF2電阻7.5k Q1電容22

20、0uF2電阻100Q2 1電容220nF1電阻20k Q1LM324AD1電阻1 Q1TDA20301滑動電阻10kQ11散熱片1滑動電阻1kQ1芯片座1單聯(lián)板1駐極體話筒1排針喇叭8Q1W1導(dǎo)線九、設(shè)計過程的體會、創(chuàng)新點以及建議?！靖吆汀颗c上次穩(wěn)壓電源的設(shè)計相比較，音頻放大器的設(shè)計電路更加復(fù)雜，因此設(shè)計過程更為艱辛，尤其是在調(diào)試過程中出現(xiàn)了很多意想不到的問題，但是我們就是在這樣犯錯、查錯與糾錯的過程中收獲了知識，提高了技能。首先，我們先設(shè)計電路，進(jìn)行仿真，讓我進(jìn)一步熟悉Multisim 軟件的使用。Multisim仿真軟件中的波特圖繪制功能，能幫助我們直觀的看到濾波器的幅度響應(yīng)，用它來測量通

21、頻帶簡捷方便。我們還用 Multisim 中的麥克錄音然后經(jīng)設(shè)計好的音頻放大電路放大，真實的 感受設(shè)計成果。通過仿真，能夠幫助我們排除很多錯誤，輕易調(diào)試參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計效果。焊接之前，我們先進(jìn)行電路規(guī)劃布局，因為我們采用的是拖焊，合理的電路規(guī)劃能讓我們的焊接效果簡潔整齊，也便于后來查找電路錯誤。這次焊接過程中，我們最大的錯誤就是一次完成整個電路的焊接，造成后來的調(diào)試過程很麻煩，還因此燒毀了一些元件。 我們不應(yīng)該看到電路仿真結(jié)果很理想，就直接焊完整個電路，仿真與實物操作是有差距的，焊接過程中稍有疏忽就會犯錯誤留下隱患，而且一處錯誤還可能會引發(fā)更多的故障。從這次電路焊接過程中，我深刻體會到，今后焊接

22、復(fù)雜電路，一 定要逐級焊接，逐級檢查電路，確保前級電路正確無誤后再進(jìn)行下一部分電路的焊接，這樣既便于排查尋找錯誤，也更加安全。此外，我感到自己在電路設(shè)計方面所掌握的知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對元器件的了解甚少， 在電路設(shè)計之前沒有廣泛深入的去探究相關(guān)知識。例如，因為我們在以往的實驗中的運放一直用的是LM324,這次也不加思索的選擇了LM324但后來從同學(xué)處得知 NE5532具有更好的噪聲性能，用作音頻放大時音色溫暖，保真度更高。相比起電路設(shè)計與焊接， 最糾結(jié)的還是電路調(diào)試， 不僅是知識與技能的考驗， 更是態(tài)度 與心理的考驗。仿真已經(jīng)確保了電路沒有大問題， 故障往往處在一些小的細(xì)節(jié)上， 我們一定 要耐心與細(xì)

23、心的檢查電路再能發(fā)現(xiàn)問題。 例如帶通濾波器波形異常， 我們，先改變滑動變阻 器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，無濟于事，又用萬用表一個個去檢查帶通部分的元件是否燒毀，花了兩個半小時才發(fā)現(xiàn)是 LM324壞了。無論多么麻煩，千萬不要放棄，就一定能找到結(jié)局問題的辦法。13 / 15【張建萍】辛苦了一周時間終于完成了語音放大器的板子，經(jīng)過測試波形和各項指標(biāo)都在誤差允許范圍內(nèi)符合要求。語音放大功能只能放大吹氣和手機鈴聲，說話放大卻效果不好。 但是檢查不出什么問題了，我們只能這樣交了。當(dāng)然實驗過程中并不一帆風(fēng)順，也是困難重重，遇到了很多問題。但是經(jīng)過我們的認(rèn)真檢查，反復(fù)測試，對元件挨個排查更換，終于完成了實驗。通過這次設(shè)計

24、實驗，我的心得主要有：在做實驗前，一定要將課本上的知識吃透，因為這是做 實驗的基礎(chǔ)，否則，將使你在做實驗時的難度加大，浪費做實驗的寶貴時間。你要清楚各種電 路接法，如果你不清楚，在做實驗時才去摸索，這將使你極大地浪費時間，使你事彳功半.做實 驗時，一定要親力親為，務(wù)必要將每個步驟，每個細(xì)節(jié)弄清楚，弄明白，實驗后，還要復(fù)習(xí)，思考, 這樣，你的印象才深刻，記得才牢固，否則，過后不久你就會忘得一干二凈 ，這還不如不做.課程知識的主要是偏重于理論的學(xué)習(xí)，而實驗給了我們自己動手實踐的機會，因此實驗非常重要。剛開始做實驗的時候，由于自己的理論知識基礎(chǔ)不好，在實驗過程遇到了許多的難題，也使我感到理論知識的重

25、要性。但是我并沒有氣壘，在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，自己看書，獨立思考，最終解決問題，從而也就加深我對課本理論知識的理解，達(dá)到了 “雙贏”的效果。實驗中我學(xué)會了各種放大電路的性能的驗證；用Multisim 軟件，來仿真一些實際的電學(xué)儀器，實驗過程中培養(yǎng)了我在實踐中研究問題，分析問題和解決問題的能力以及培養(yǎng)了良好的工程素質(zhì)和科學(xué)道德，例如團隊精神、交流能力、獨立思考、測試前沿信息的捕獲能力等；提高了自己動手能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的作風(fēng)，增強創(chuàng)新意識。本學(xué)期實驗一共做了多個放大實驗，包括：晶體管共射極單管放大器，負(fù)反饋放大器，集成運算放大器指標(biāo)的測試，通過這些實驗，對各指標(biāo)的測試，讓我深刻體會到實驗前的理論知 識準(zhǔn)備，也就是要事前了解將要做的實驗的有關(guān)材料，如：實驗要求，實驗內(nèi)容，實驗步驟雖然做實驗時，老師會那時是很難做得下去更加深刻了我對模擬,我個人得到了不等的重要性，最重要的是要記錄什么數(shù)據(jù)和怎樣做數(shù)據(jù)處理， 等等 講解一下實驗步驟和怎樣記錄數(shù)據(jù)， 但是如果自己沒有一些基礎(chǔ)知識, 的。在這次實驗中，使模擬電子技術(shù)這門課的一些理論知識與實踐相結(jié)合， 電子技術(shù)這門課的認(rèn)識，鞏固了我的理論知識。經(jīng)過這次的測試技術(shù)實驗少的收獲，一方面加深了我對課本理論的認(rèn)識，另一方面也提高了實驗操作能力?？傊覍W(xué)到很多東西，加強了我的動手能力，并且培養(yǎng)了我的獨立思考能力。【翟哈】較之上一次設(shè)計實驗， 語