音响放大器的设计课程设计说明书.doc

目 录1、课题名称12、内容摘要13、设计要求14、总体方案选择的论证15、单元电路的设计2 5. 1、语音放大器.3 5. 2、混合前置放大器.35 .3、音调控制器.45 .4、功率放大器.56、仿真结果66.1、语音放大器.6 6.2、混合前置放大器.7 6.3、音调控制器.86.4、功率放大器.97、音响放大器的组装和调试.108、整机电路图.159、pcb版图1610、心得感悟1611、参考文献171、课题名称：音响放大器的设计2、内容摘要：了解音响放大器的基本组成和总体设计 了解音响放大器各组成部分的具体设计 了解protel99的基本操作和命令 利用protel99设计实验电路并进行仿真验证 音响放大器的实物安装与调试3、设计要求：设计一个音响放大器，要求具有音调输出控制，卡拉ok伴唱，对话筒与录音机的输出信号进行扩音。已知话筒的输出电压为5mv，录音机的输出信号为100mv，电路要求达到的主要技术指标如下：1 额定功率po0.5w（失真度=+20db；输入阻抗ri204、总体方案选择的论证:本次实验主要通过对音响放大器的设计，来了解音响放大器的组成，掌握音响放大器的设计方法，学会综合运用所学的知识对实际问题进行分析和解决。音响放大器的基本组成如图2-1所示。从上图可以看到，音响放大器主要由语音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器等电路组成。设计时先确定整机电路的级数，再根据各级的功能及级数指标要求分配各级电压增益，然后分别计算各级电路的参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。本题需要设计的电路为语音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器。根据题意的要求，可得各级的增益分配如图2-2所示最后，根据上图的增益分配，调节各个放大级的参数，便设计出理想的音响放大器了。5、单元电路的设计5.1、语音放大器由于话筒的输出信号一般只有左右，而输出阻抗达到，所以要求语音放大器的输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗，而且不失真地放大声音信号，频率也应满足整个放大器的要求。因此，语音放大器可采用集成运放组成的同相放大器构成，具体电路如图2-3所示。图中，放大器的增益。由于要求语音放大级的放大倍数为7.5，所以选择，采用阻值为的电位器，使放大器可以根据需要调整。5.2、混合前置放大器混合前置放大器的主要作用是将磁带放音机的音乐信号与语音放大器的输出声音信号进行混合放大，可采用反相加法器实现，具体电路如图2-4所示。从图中可以看出，输出电压与输入电压之间的关系为： （2-1）式中，为话筒放大器的输出信号，为放音机的输出信号。另外，图中的是平衡电阻，大小为/。根据图2-2所示的整机增益分配可知，要使话筒与录音机输出经混响级后的输出基本相等，则要求，所以可以选择，。耦合电容、采用的极性电容。5.3、 音调控制器常用的音调控制电路有三种：（1）衰减式rc音调控制电路，其调节范围较宽，但容易产生失真；（2）反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；（3）混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级收录机中。为了使电路简单、信号失真小，我们采用反馈型音调控制电路。反馈型音调控制电路的原理图如图2-5所示。图中，和是由组成的网络。因为集成运放a的开环增益很大，所以： （2-2）当信号频率不同时，和的阻抗值也不统，所以随频率的变化而变化。假设和包含的元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如图2-6所示。在图2-6（a）中，可以得到低音提升；在图2-6（b）中，可以得到高音提升；在图2-6（c）中，可以得到高音衰减；在图2-6（d）中，可以得到低音衰减；如果将图2-6所示的四种电路形式组合在一起，得到反馈型音调控制电路，如图2-7所示。根据音响放大器的设计技术指标，要使，结合的表达式可知，、的阻值一般取到几千欧到几百欧。现取，有，。取标称值，则，。由前述的假设条件可得，由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为，所以级间耦合电容可取。5.4、 功率放大器功率放大器（功放）是音响放大器的核心电路，它的作用是给负载（扬声器）提供一定的输出功率。6、仿真结果6.1、语音放大器（1）按下图连接好电路，根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值，便将其保存成电路文件。图3.1语音放大器仿真电路图（2）动态指标av的测试在电路的输入端输入信号频率为1khz的正弦波，调整输入信号的幅度，使输出电压vo不失真，讲测试结果填入表3-1，并与理论值比较（3）幅频特性的测量将频率特性测试仪接入电路，根据上，下限频率，的定义，当电压放大倍数的幅值下降3db时所对应的频率即为电路的上，下限频率，将从测试结果填入表3-2.图3.2语音放大器的频率上下限测试表3-1 语音放大器放大倍数的测试结果（实测）101001077.79111110501059.89665.9910701079.93087.99表3-2语音放大器上，下限频率的测试结果测量值69.1584kz0hz6.2、混合前置放大器：（1）电路设计 按下图连接号电路，根据设计要求确定电路中的电阻和电容的具体数值，便将其保存成电路文件。图3.3 混合前置放大电路仿真图（2）输出电压的测试在电路的输入端输入频率为1kz的正弦波，调整输入信号的幅度，使输出电压vo不失真，将测试结果填入3-3，并与理论值比较。表3-3 混合前置放大器输出电压的测试结果（实测）（理论）101029.55430201049.04950202059.08460203069.05970（3）幅频特性的测量：特征频率特性测试仪接入电路，根据上，下限频率fh, fl的定义，当电压放大倍数的幅值下降3db是所对应的频率几位电路的上，下限频率，讲测试结果填入表3-4.图3.4 混合前置放大器的频率下限测试图3.5 混合前置放大器的频率上限测试表3-4 混合前置放大器上下限频率的测试测量值165.645khz1.328hz6.3、音调控制电路（1）电路设计按下图接好电路，根据设计确定电路中电阻和电容的具体数值，并将其保存成电路文件。图3.6音调控制电路仿真电路图（2）音调控制特性的测量：低音衰减与提升：将高音提升与衰减电位器pr2滑动端调到居中位置（即可变电阻器pr1的百分比为50%），低音提升和衰减电位器pr1滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器pr1的百分比为100%）.调节信号发生器，使输出信号f=40hz,vm=100mv,调节电路中音量调节电位器pr3，使电路输出电压达到最大值，记录此时pr3的数值和输出电压的幅值。pr3= 0 k vom= 698.0mv保持pr3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪接入电路，设置工作频率的范围为40hz-1kz,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时c1被短路，当f增大是，vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处低音部分的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。 f=40hz时，低音的最大提升量= 17.004db将低音提升和衰减电位器pr1滑动端调到最右边（低音衰减最大位置，即可变电阻器pr1的百分比为0%），重复（3）的步骤。（由于此时c2被短路，当f增大时，vo将增大。） f=40hz时，低音的最大衰减量= -16.933db 图3.7 音调控制器 （低音提升最大位置）频率响应曲线 图3.8 音调控制器 （低音衰减最大位置）频率响应曲线高音提升和衰减将低音提升与衰减电位器pr1滑动端调到居中位置（即可变电阻器pr1的百分比为50%），高音提升和衰减电位器pr2滑头调到最左边（低音提升最大位置，即可变电阻器pr2的百分比为100%）.调节信号发生器，使输出信号f=10khz,vm=100mv,调节电路中音量调节电位器pr3，使电路输出电压达到最大值，记录此时pr3的数值和输出电压的幅值。pr3= 0 k vom= 463mv 保持pr3的数值和输入信号幅度不变，讲频率特性测试仪介入电路，设置工作频率的范围为10khz-1kz,测试电路的幅频响应曲线，并记录。（由于此时c2被短路，当f减少时，vo将减小。）观察所记录的幅频响应曲线，从图中独处高音部分的最大提升量并做记录，判断其是否符合理论设计的指标。 f=10khz时，高音的最大提升量= 13.274db 将高音提升和衰减电位器pr2滑动端调到最右边（高音衰减最大位置，既可变电阻器pr2的百分比为0%），重复（3）的步骤。（由于此时c2被短路当f减少时，vo将增大。） f=10khz时，高音的最大衰减量= -12.78db 图3.9 音调控制器 （高音提升最大位置）频率响应曲线图3.10音调控制器 （高音衰减最大位置）频率响应曲线6.4、功率放大电路由于设计中采用集成功放实现功率放大，但multism8的元器件库中没有功放集成块，所以需利用分立元器件构成功放电路进行电路仿真。由于集成功放芯片lm386的世纪内部电路较为复杂，只能采用其电路原理图来仿真，我们采用与lm386工作原理相同的otl功放，其电路如下图所示。图3.11 功率放大器仿真电路图（1）按上图连接电路，并将其保存为电路文件（2）调试电路，是静态时vk=1/2vcc 在没有交流信号输入的情况下，调节可调电位器r2的大小，同时利用虚拟万用表测试功放电路点k对敌直流电压，使其等于1/2vcc，记录此时所对应的r2的大小。 r2= 14k （3）交越失真的观察在电路中将二极管d1,d2端接，从输入vi加入1khz的交流正弦信号，用示波器观察输出电压vo的波形，可以看到明显的交越失真。记录输出波形。图3.12 交越失真波形（4）最大不失真输出电压和输入灵敏度的测量在输入端vi加入1khz的交流信号，用示波器观察输出电压vo的波形，如输出波形出现交越失真，调节电位器r3.逐渐增大输入信号，测量最大不失真输出电压vom的大小，结果填入表35。 图3.13 最大不失真输出波形音响放大器输出额定功率所需的输入电压（有效值）称为输出灵敏度vs。在输入端vi加入1khz的交流正弦信号，用示波器观察输出电压vo的波形。逐渐增大输入信号，当输入电压达到最大不失真值vom时，此时所对应的输入电压的大小（有效值），即为电路的输入灵敏度，将结果填入表35. 表3-5 功放电路的输入灵敏度vom（v）输入灵敏度vs（mv）测量值4.336167、音响放大器的组装和调试1、各级电路静态特性的测试将电路的输入端对地短接，用数字万用表测量各级单元单元电路中集成运放的输入端和输出端对地的直流电压的大小，并将其填入表41。表41 各级单元电路直流电压的测试结果语音放大级混合放大级音调控制级功放级vi+ (v)0.150.000.00-0.00vi- (v)0.15-0.00-0.00-0.00vo (v)0.15-0.00-0.007.492、各级单元电路电压放大倍数的测试利用函数信号发生器产生f=1khz，vi 100mv的正弦信号，分别输入集成运放a1,a2,a3和功放级的输入端，用双踪示波器观察vi和相应的vo波形，当波形不失真时，利用真空万用表测量输入，输出电压的有效值，即渴求的各级响应的电压放大倍数，将其填入表4-2.表4-2 各级单元电路放大倍数的测试结果话音放大级混合放大级音调控制级功放级vi（有效值mv）77.79vi1=73.6829.7026.3vi2=80.62vo（有效值mv）579.9181.0529.14933.52av=vo/vi（实测）7.453.040.9835.503、 额定功率pomax和输入灵敏度vs的测试（1）利用函数信号发生器产生f=1khz，vi100mv的正弦波信号，分别输入音响放大器的话筒和录音机输入端，两个音调控制电位器pr4,pr5置于中间位置，音量控制电位器pr2,pr3和pr6置于最大值，功率输出端接额定负载电阻（代替扬声器）。用双踪示波器观摩vi和vo的波形，逐渐增大vii的电压，知道vo的波形刚好不出现失真，所对应的输出电压即为最大不失真输出电压vomax。根据输出功率的定义，即可求得相应的额定功率pomax。 vomax= 4.10v pomax= 0.84w（2）输入灵敏度vs输入灵敏度是指音响放大器输出额定功率时所需的输入电压有效值，测量条件和方法与测量额定功率相同，只需在测量额定功率的同时利用真空毫伏表测出其输入电压的有效值即可。 vs= 10mv4、音调控制特定的测量低音低声与衰减：（1）将高音提升与衰减电位器pr5滑动端调到居中位置，低音提升和衰减电位器pr4滑头调到最左边（低音提升最大位置）。（2）调节信号发生器，使输入信号f=40hz，vim100mv,调节电路中的音量调节电位器pr6，使电路输出电压达到最大值，记录此时pr6的数值和输出电压的幅值。（3）保持pr6的数值和输入信号幅度不变，改变输入信号的频率，使其从40hz1khz，观察输出电压大小的变化。选择有代表性的几个频率点，记录与其对应的输出电压值，填入表4-3。（由于此时c12被短路，当f增大时，vo将减小。）（4）将低音提升和衰减电位器pr4滑动端调到最左边（低音衰减最大位置），保持pr6的数值和输入信号幅度不变，改变输入信号的频率，使其从1khz40hz，观察输出电压大小的变化。选择有代表性的几个频率点，记录与其相对应的输出电压值，填入表4-4。（由于此时c13被短路，当f减小时，vo将减小。）（5）观察上述此时结果，求出f=40 hz时，相比于f=1khz时的电压放大倍数，低音提升的最大值和低音衰减的最大值，判断其是否符合理论设计的指标。 低音提升的最大值=20log|av|f=40hz-20log|av|f=1khz= 12.71 低音衰减的最大值=20log|av|f=40hz-20log|av|f=1khz= -18.16 表4-3 低音提升的测试结果pr6的数值1k输入电压vim（mv）7.32信号频率f（hz）401002003004005006007008009001000输出电压von（mv）11696.1853.0444.5538.1933.9531.1229.4227.4427.1526.87电压放大倍数20lg|av|24.0022.3717.2015.6914.3513.3112.5712.0811.4811.3811.29表4-4 低音衰减的测试结果pr6的数值1k输入电压vim（mv）7.32信号频率f（hz）100090080070060050040030020010040输出电压von（mv）26.5925.1524.32823.7622.3520.3718.6716.4111.176.223.32电压放大倍数20lg|av|11.2910.7310.4210.229.698.888.137.003.69-1.41-6.87高音提升与衰减：（1）将低音提升与衰减电位器pr4滑动端调到居中位置，低音提升和衰减电位器pr5滑头调到最左边（高音提升最大位置）。（2）调节信号发生器，使输入信号f=40hz，vim100mv,调节电路中的音量调节电位器pr6，使电路输出电压达到最大值，记录此时pr6的数值和输出电压的幅值。（3）保持输入信号幅度不变，改变输入信号的频率，使其从10khz1khz，观察输出电压大小的变化。选择有代表性的几个频率点，记录与其对应的输出电压值，填入表4-5。（此时当f减小时，vo将减小。）（4）将高音提升和衰减电位器pr5滑动端调到最右边（高音衰减最大位置）。保持pr6的数值和输入信号幅度不变，改变输入信号的频率，使其从1khz10khz，观察输出电压大小的变化。选择有代表性的几个频率点，记录与其相对应的输出电压值，填入表4-6。（此时当f增大时，vo将减小。）（5）观察上述此时结果，求出f=10khz时，相比于f=1khz时的电压放大倍数，高音提升的最大值和高音衰减的最大值，判断其是否符合理论设计的指标。高音提升的最大值=20log|av|f=10khz-20log|av|f=1khz= 11.5 db 高音衰减的最大值=20log|av|f=10khz-20log|av|f=1khz= -21.57 db 表4-5 高音提升的测试结果pr6的数值9.7k输入电压vim（mv）7.32 信号频率f（khz）1086421.81.51输出电压von（mv）151.34128.71103.2576.3853.7545.2641.7340.31电压放大倍数20lg|av|26.324.9022.9920.3717.3115.8215.1214.82表4-6 高音衰减的测试结果pr6的数值9.7 k输入电压vim（mv）7.32信号频率f（khz）11.51.8246810输出电压von（v）34.6529.9928.8527.4420.0814.854.532.89电压放大倍数20lg|av|13.5012.2511.9211.488.776.14-4.16-8.075.频率响应特性的测试（1）调节信号发生器，使输入信号f=1khz，vim=100mv,将音调控制电位器pr4和pr5的滑动端调到中间位置，调节电路中音量电位器pr2、pr6的大小，使电路输出不失真电压达到一个合适的数值，记录此时可调电位器pr2、pr6的数值和输出电压的幅值。（2）保持输入信号幅度不变，改变输入信号的频率，使其从20hz20khz，观察输出电压大小的变化。选择有代表性的几个频率点，记录与其对应的输出电压值，填入表4-7。依据表4-7的数据，画出在频段范围内（20hz20khz）电压放大倍数20lg|av|与频率f的关系曲线，从途中求出系统的上下限频率fl和fh。表4-7 频率响应特性的测试结果pr的数值pr2= 1.2 k pr6= 9.0 k 输入电压vim（mv）15.56 信号频率f（kh