音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：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 4（2）、語(yǔ)音放大電路 5（3）、前置混合放大電路 7（4）、音調(diào)控制電路 8（5）、音量控制電路 8（6）、功率放大電路 93、 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) 12八、 參考文獻(xiàn) 13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(jí)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)分析各單元電路的設(shè)計(jì)過程，逐級(jí)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(cè)試方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，完成單元電路測(cè)試。分析各單元電路的測(cè)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(jí)級(jí)聯(lián)各單元電路，每增加一級(jí)電路，必須先測(cè)試并檢驗(yàn)級(jí)聯(lián)后的電路是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果級(jí)聯(lián)后的電路可以滿足設(shè)計(jì)要求，方可繼續(xù)級(jí)聯(lián)下一級(jí)電路;如果級(jí)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(jí)聯(lián)下一級(jí)電路。否則，一旦系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障，將很難查。(6)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路的測(cè)試方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，測(cè)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(cè)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、AltiumDesigner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)。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(yǔ)音放大級(jí)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。頻率響應(yīng)范圍：20Hz-20KHz。音調(diào)控制：低音100Hz20dB，高音15kHz20dB。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)。設(shè)計(jì)方案論證設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)框圖音響系統(tǒng)主要包括話筒（MIC）。語(yǔ)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1詳細(xì)子電路設(shè)計(jì)（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(duì)220V/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(duì)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(duì)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(duì)功率放大電路的供電電源做去耦、濾波處理后，再送給前級(jí)小信號(hào)電路使用，以削弱功率放大電路的噪聲對(duì)前級(jí)小信號(hào)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(yǔ)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(yǔ)音放大電路。語(yǔ)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(hào)。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(yǔ)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(yǔ)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(duì)電容進(jìn)行充電，電壓上升速率變慢，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。圖3對(duì)于音頻信號(hào)，電容C3的容抗較小，相對(duì)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(yǔ)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：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(zhǎng)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(yǔ)音放大電路后的輸出信號(hào)與播放機(jī)輸出的音樂信號(hào)Vi2混合并放大后，送給下一級(jí)音調(diào)控制電路進(jìn)行處理。受增益帶寬積的限制，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(hào)Vo1和Vi2進(jìn)行放大并疊加。兩路輸入信號(hào)分別來自語(yǔ)音放大電路的輸出信號(hào)Vo1和播放機(jī)的輸出信號(hào)Vi2。如果選用電阻R1=R2=R,則總的輸出電壓Vo2為：如果前級(jí)沒有設(shè)計(jì)語(yǔ)音放大電路，則前置混合放大電路的輸出可以簡(jiǎn)化為：V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(duì)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(jí)電路的輸出阻抗較高，后一級(jí)電路的輸入阻抗較低時(shí)，為了能有效地傳遞有用信號(hào)，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(jí)電路的輸出阻抗較低，后一級(jí)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8.4.11所示為用電位器Rp3和電阻R5并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)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(hào)的衰減量，即通過改變功率放大電路輸入信號(hào)的幅值來改變聲音信號(hào)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(jí)電路，以緩解功率放大電路噪聲對(duì)前級(jí)電路的影響。聲音信號(hào)的強(qiáng)度與響度不是線性關(guān)系，而是近似對(duì)數(shù)關(guān)系，即聲音信號(hào)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)，但考慮到設(shè)計(jì)成本，本實(shí)驗(yàn)推薦采用圖8.4.11所示的電位器Rp3與電阻R5并聯(lián)的輸出電壓信號(hào)近似按指數(shù)規(guī)律變化的音量控制電路。在圖8.4.11所示的音量控制電路中，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的關(guān)系為：式中，Rp3=Rpa+Rpb。在圖8.4.11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47kΩ的電位器，電阻R5分別選用標(biāo)稱值為2kΩ、3kΩ、4.3kΩ、5.1kΩ、6.2kΩ、7.5kΩ和8.2kΩ的電阻值時(shí)，在音量控制電路的輸出端可以得到圖8.4.12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8.4.12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(hào)，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(hào)，將音頻輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大并推動(dòng)音箱發(fā)聲。與前面小信號(hào)放大電路不同，功率放大電路處理的是大信號(hào)，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(jí)音量控制電路的輸出阻抗匹配；其輸出阻抗能與后一級(jí)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8.4.19所示。在圖8.4.19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(cè)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C8是輸入耦合電容，其容值應(yīng)根據(jù)待處理信號(hào)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8.4.1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8.4.19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較強(qiáng)的正脈沖出現(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诠β史糯笃鞯妮敵龆擞懈邏好}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(shì)，該反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)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(shì)的破壞作用，在圖8.4.19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(shì)過高而擊穿功率放大器件。與