音调控制电路(-2016南京师范大学电赛校赛D题).docx

2016年南京师范大学电子设计竞赛音调控制电路（D题）参赛组别： 大二 参赛组号： 32 队员： 目录一、设计任务和功能要求 3二、摘要 5三、设计原理概述 5四、电路方案论证7五、电路参数计算及系统参数协调9六、系统原理总图13七、仿真与测试14八、元器件清单22九、参考文献22音调控制电路（ D题）一、 设计任务和功能要求1、任务设计制作一个音响系统中的音调控制器。音调控制器的输入音频信号范围不小于50Hz20kHz，输入信号幅度为250mV。音调控制器能对低音频和高音频的增益进行提升或衰减，中音频的增益保持0dB不变，其幅频特性曲线如图1所示。 fAu /dBfL1 fLX fL2 f0 fH1 fHX fH2 (40Hz) (100Hz) (400Hz) (1kHz) (2.5kHz) (10kHz) (25kHz)2012-12-206dB/倍频程0图1 音调控制器的幅频特性曲线2、要求1基本要求（1）输入信号频率为0=1kHz时，增益为0dB，误差不大于1dB（输入250mV时，对应输出幅度不超过280mV223mV）。（2）输入信号频率为LX=100Hz时，增益为 dB（输入250mV时，对应输出幅度1000mV63mV）连续可调，波形无明显失真。 （3）输入信号频率为HX=10kHz时，增益为 dB（输入250mV时，对应输出幅度1000mV63mV）连续可调，波形无明显失真。2发挥部分（1）输入信号频率为L1=40Hz时，增益为 dB（输入250mV时，对应输出幅度2500mV25mV）连续可调，波形无明显失真。 （2）输入信号频率为H2=25kHz时，增益为 dB（输入250mV时，对应输出幅度2500mV25mV）连续可调，波形无明显失真。（3）输入信号频率为L2=400Hz时，增益为0dB，误差不大于 dB（输入250mV时，对应输出幅度输入250mV时，对应输出幅度不超过353mV 177mV）。（4）输入信号频率为H1=2.5kHz时，增益为0dB，误差不大于 dB（输入250mV时，对应输出幅度不超过353mV177mV）。（5）其他。3、说明1工作电源可用成品，也可自制，电源电压自选。2设计报告正文中应包括方案比较与选择、电路设计、转折频率计算、增益调整范围计算及主要的测试结果等。4、评分标准表1设计报告项 目主要内容分数系统方案和方案比较比较与选择方案描述2理论分析与计算转折频率计算及分析增益调整范围及误差分析9电路图及有关设计文件电路设计8测试方案与测试结果分析测试方案及测试条件测试结果完整性测试结果分析8设计报告结构及规范性摘要设计报告正文的结构图表的规范性3总分30基本要求实际制作完成情况50发挥部分完成第（1）项10完成第（2）项10完成第（3）项10完成第（4）项10其他10总分50二、摘要音调的控制不像音量控制,它只对某一段频率的信号进行提升或衰减,不影响其它频段信号的输出,而音量是对整个音频信号频率范围进行同步控制。关键词：音调控制电路、频率特性、音频信号、高频信号、输入信号、退耦电容、低音调、衰减、提升、负反馈。三、设计原理概述 音调控制电路是利用电子线路的频率特性原理为目的，改变信号中高、低频成分的比重，适合调节音色改善音质，通过对声音某部分频率信号进行提升或进行衰减，不影响其他频段。音调控制电路大致可分为三大类：（1）衰减式音调控制电路；（2）（晶体管、运放）负反馈音调调控电路；（3）衰减-负反馈混合式音调控制电路。电路一般使用高音、低音两个调节电位器；但在少数控制电路中，也有一个电位器兼做高低音音调控制电路。这里所说的提升和衰减，仍然是相对于中音频而言的。所谓提升，就是比中音频的衰弱要小一些。所谓衰弱。就是比中音频的衰弱要大一些。一个良好的音频控制电路，要有足够的高、低音频调节范围，但又同时要求高、低音频从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号不发生明显的幅度变化，以保证音质大致不变。 如图2-1是音频控制器的幅频特性曲线，其中L1表示低音频转折频率这里为40Hz，L2 （等于10L1）表示低音频区的中音频转折频率，H1表示高音频区的中音频转折频率，H2（等于10H1）表示高音频转折频率，这里为25kHz。图2-1 音频控制器的幅频特性曲线以0=1kHz为音调的中音频，其增益为0dB；L1低音转折频率（截止频率），其增益为17dB；L2低音频区中音转折频率，其增益为3dB；H1高音频区中音频率转折频率，其增益为3dB；H2高音转折频率（截止频率），其增益为17dB。可见音频调节电路只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。因此音调控制电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。供电电源去耦电路信号输出端 高音频控制电路信号输入端低音频控制电路图2-2 音调控制电路系统框图如图2-2，输入信号为高频信号时进入高音频控制电路进行衰减和提升；输入信号为低频信号时，进入低音频控制电路进行衰减和提升；所有需要电源供电的元器件在接入电源之前需要接入去耦电容以去除电源噪声影响，去耦电容是电路中装设在元件的电源端的电容，此电容可以提供较稳定的电源，同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声，间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。四、电路方案论证 1、音调控制电路 方案1 ：负反馈音调控制电路如图3-1.1所示。该电路调试方便、信噪比高，因为工作在深度负反馈状态下，放大倍数极低，可改善信号失真，不同于衰减式音调电路，其曲线斜率基本不变而只改变转折频率。对高低电频的调节量大于15dB,对1kHz附近的中频信号幅度影响较小，变化量小于3dB，这样可保证调节音量时响度基本不变，使用时为避免前级电路对音调调节的影响，接入的前级电路的输入阻抗必须尽可能的小，应与本级电路输入阻抗相互匹配。图3-1.1 负反馈音调控制电路方案2：如图3-2为衰减式音调控制电路，C1、C2、RV1构成高音调节器，R1、R2、C3、C4、RV2构成低音调节器。组成音调电路的元件值必须满足下列关系：（1） R1R2； （2） RV1和RV2的阻值远大于R1、R2； （3） 与有关电阻相比，C1、C2的容抗在高频时足够小，在中、低频时足够大；而C3、C4的容抗则在高、中频时足够小，在低频时足够大。C1、C2能让高频信号通过，但不让中、低频信号通过；而C3、C4则让高、中频信号都通过，但不让低频信号通过。只有满足上述条件，衰减式音调控制电路才有足够的调节范围，并且RV1、RV2分别只对高音、低音起调节作用，调节时中音的增益基本不变，其值约等于R2/R1。R1与R2的比值越大，高、低音的调节范围就越宽，但此时中音的衰减也越大。改变R1或R2后，如要保持原来的控制特性，有关电容器的容量也要作相应改变，所以噪声和失真大一些。图3-2 衰减式音调控制电路方案3：如图3-3为衰减-负反馈混合式音调控制电路，这种电路具有衰减式和负反馈式音调控制电路的优点，即失真小并且控制范围很宽，是前两种电路的一种综合和改进，具有更好的实用性。图3-3 衰减-负反馈混合式音调控制电路方案4：如图3-4为LM4610构成的高品质音调均衡集成电路，LM4610具有集成度高，外围元件少，电路简洁;功能完善，性能优异;低失真，高讯噪比等特点。但是价格昂贵，在本次设计中此种方案不予以考虑。图3-4 LM4610构成的高品质音调均衡集成电路经过比较方案1、方案2与方案3，虽然方案3具有方案1和方案2的优点，但是在本次设计中，因为不需要较宽的控制范围，使用方案1便可以符合设计要求所以在此使用方案1。五、电路参数计算及系统参数协调图4-1 负反馈音调控制电路1.当0时如图4-2，当RV1在最左边时，对应于低频提升最大；如图4-3，当RV2最右端时，对于低频信号衰减最大。图4-2 低频提升图4-3 低频衰减对图4-2进行分析,所示电路图是一个一阶有源低通滤波器,器增益函数表达式为:其中: (1)、当L1时，C2可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R4的影响可以忽略，此时电压增益:此时电压增益相对AVL下降3dB。（2）、在当=L1时，因为L2=10L1，故可由式（4-1）得：取模后得：此时电压增益AVL相对下降3dB。（3）、在=L2时，由式（4-1）得取模后得：此时电压增益AVL相对下降17dB。同理可以得出图4-3所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。2.当0时C1、C2可视为短路，作为高通滤波器，音调控制器的高频等效电路为图4-4所示。R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图4-5所示。其中，若取R1=R2=R3，则Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R3,当RV2的滑臂到最左端时，对应于高频提升最大的情况等效电路见图4-6；RV2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况，等效电路见图4-7。图4-4 音频控制器高频等效电路图4-5 图4-4的等效电路图4-6 高频提升图4-7高频衰减图4-6所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为：式中，(1)、当H1（3）时，C3视为开路，此时电压增益AV0=1(0dB) 。(2)、在=H1时,因H2=10H1由式（4-12）得：此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。(3)、在=H2时, 因H2=10H1由式（4-12）得：此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。(4)、当=H2时，C3视为短路，此时电压增益:同理可以得出4-7所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。在实际应用中，通常先提出对低频区LX处和高频区HX处的提升量或衰减量x(dB)，再根据下式求转折频率2L(或1L)和1H(或2H),即已知LX=100Hz，HX=10kHz，x=12dB，由式(4-18)、(4-19)得到转折频率2L及1H；计算过程为：由式（4-4）得:其中，RP1、R1、R2一般取几千欧姆至几千欧姆。现取RP1=500k，R1=R2=47k，由（4-2）得：取标称值0.01F，即C1=C2=0.01F。由式（4-9）（4-10）（4-11）得：R4=R1=R2=47k, 则Ra=3R4=141k，R3=Ra/10=14.1k ，取标称值13k。由式（4-14）得:取标称值470pF。取RP1=RP2=500k，级间耦合与隔直电容C4=C5=10F。经过参数计算得到满足设计要求的电路图如图4-8所示。六、系统原理总图图4-8 系统原理总图七、仿真与测试1、仿真 经图4-8的接线，当两个电位器都调到中点时，其频率特性曲线如图6-1.1。图6-1.1 两电位器在中点时电路频率特性曲线当高频电位器调在中点，低频电位器在最左端时，其频率特性曲线为图6-1.2。图6-1.2 低频电位器在最左端时的幅频特性曲线当高频电位器保持中点时，低频电位器调到最右端时的频率特性如图6-1.3。图6-1.3 低频电位器在最右端时幅频特性曲线当低频电位器调至中点，高频电位器调至最左端时，频率特性曲线如图6-1.4。图6-1.4 高频电位器在最左端时的频率特性曲线当低频电位器保持中点，高频电位器调至最右端时，频率特性曲线如图6-1.5。图6-1.5 高频电位器在最右端时频率特性曲线2、测试音调特性测试方法1测频法：输入幅度Uim恒定的正弦波信号，改变输入信号的频率（通过调节信号发生器输出频率）来观测其输出幅度Uom ()，当Uom ()达到预定幅值时，此时信号发生器输出的频率读数值即为给定增益处的频率。音调特性测试方法2测幅法：输入信号Uim幅值的正弦波信号，调节输入信号的频率（通过调节信号发生器输出频率）至给定的频率，测量出的输出幅度Uom即为给定频率处的 Uom ()。这里使用测试采用测幅法。测试内容及步骤如下： （1）按图4-8连接电路，注意正负电源、地的正确连接。使RP1、RP2可调电阻器滑臂均置中间位置。（2）分别输入信号频率为40Hz、100Hz 、400Hz、1kHz、2.5kHz、10kHz、25kHz和其他频率的正弦波幅度为250mV，转动两个电位器，观察输出信号幅值的的最大值与最小值并记录在表6-2，并绘出频率特性曲线，如图6-2.1。表6-2 音调控制特性测量数据表（Uim=250mv）测量频率点实测电压范围实测增益范围理论电压范围理论增益范围L1（40Hz）1.72V22mV16.25-21.1dB2500（1769）mV25(35)mV20(17)dBLX（100Hz）885mV68.8mV10.98-11.2dB1000mV63mV12dBL2（400Hz）312mV232mV1.92-0.65dB353mV 177mV0（3）dB0（1kHz）272mV232mV0.73-0.65dB不超过280mV223mV0（1）dBH1（2.5kHz）352mV184mV2. 97-2.66dB353mV 177mV0（3）dBHX（10kHz）960mV68mV11.69-11.31dB1000mV63mV12dBH2（25kHz）2.4V24mV18.06-20.35dB2500（1769）mV25(35)mV20(17)dB1（20Hz）2.4V24.88mV19.65-20.04dB2500mV25mV20dB2（40kHz）2.6V26.4mV20.34-19.53dB2500mV25mV20dB图6-3.1 40Hz时最小值图3-1.2 40Hz时最大值图6-3.3 100Hz时最小值图6-3.4 100Hz时最大值图6-3.5 400Hz时最小值图6-3.6 400Hz时最大值图6-3.