语音放大器的设计[优秀作品]

1 14 电 子 电 工 教 学 基 地 实实 验验 报报 告告 实验课程 模拟电路实验及仿真 实验名称 语音放大电路的设计 撰 写 人 章叶满 10214021 组 员 朱 超 10214026 杨 硕 10214019 2 14 一 设计目的及要求一 设计目的及要求 设计目的设计目的 1 通过实验培养学生的市场素质 工艺素质 自主学习的能力 分析问题解决 问题的能力以及团队精神 2 通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验 掌握低频小信 号放大电路和功放电路的设计方法 设计要求设计要求 1 选取单元电路及元件 根据设计要求和已知条件 确定前置放大电路 有源带通滤波电路 功率放大 电路的方案 计算和选取单元电路的原件参数 2 前置放大电路的组装与调试 测量前置放大电路的差模电压增益 AU 共模电压增益 AUc 共模抑制比 KCMR 带宽 BW 输入电压 Ri 等各项技术指标 并与设计要求值进行比较 3 有源带通滤波器电路的组装与调试 测量有缘带通滤波器电路的差模电压增益 AUd 带通 BW 并与设计要求进行比 较 4 功率放大电路的组装与调试 测量功率放大电路的最大不失真输出功率 Po max 电源供给功率 PDC 输出效 率 直流输出电压 静态电源电流等技术指标 5 整体电路的联调与试听 6 应用 Multisim 软件对电路进行仿真分析 性能指标性能指标 1 前置放大器 输入信号 Uid 10 mV 输入阻抗 Ri 100 k 2 有源带通滤波器 频率范围 300 Hz 3 kHz 增益 Au 1 3 功率放大器 最大不失真输出功率 Pomax 1W 负载阻抗 RL 8 4 电源电压 5 V 12V 12V 3 14 4 输出功率连续可调 直流输出电压 50 mV 静态电源电流 100 mA 二 总原理框图及总电路图二 总原理框图及总电路图 1 语音放大电路由 输入电路 前置放大器 有源带通滤波器 功率放 大器 扬声器 几部分构成 2 实验总电路 三 设计思想及基本原理分析 三 设计思想及基本原理分析 设计思想设计思想 输入端采用麦克风形式 声音通过麦克风输入前置放大电路 进行一次放大后 4 14 输入二阶有源带通滤波电路 对通频带 300Hz 3000Hz 以外的信号进行滤波 以消除杂音 最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路 进行功率放大 后将声音通过扬声器输出 基本原理基本原理 1 前置放大电路 前置放大电路可采用两级负反馈放大器 差分放大电路 也可以用集成运 放构成的测量用小信号放大电路等 在测量用的放大电路中 一般传感器送来 的直流或低频信号 经放大后多用单端方式传输 一般来说 信号的最大幅度 可能仅有几毫伏 共模噪声可能高达几伏 放大器输入漂移和噪声等因素对于 总的精度至关重要 放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题 因此前 置放大电路应该是一个高输入阻抗 高共模抑制比 低漂移的小信号放大电路 在设计前置小信号放大电路时 可参考运算放大器应用的相关 2 有源滤波电路 有源滤波电路是用有源器件与 RC 网络组成的滤波电路 有源滤波电路的种 类有低通 LPF 高通 HPF 带通 BPF 带阻 BEF 滤波器 本实验着重 讨论典型的二阶有源滤波器 3 功率放大电路 功率放大的主要作用是向负载提供功率 要求输出功率尽可能大 转换功 率尽可能高 非线性失真尽可能小 四 单元电路分析 元件介绍和元件参数计算 四 单元电路分析 元件介绍和元件参数计算 前置放大电路前置放大电路 方案一 方案二 5 14 方案一是一级放大 其增益过小 且不够稳定 带动不起后级电路 因此 在前置放大器的选择上 我们采用方案二的两级放大 运算放大器使用 LM324 通过第二级放大电路中的电位器来调节放大的倍 数 这个电路非常简单 而且原理清晰 通过仿真可知 输出很完整 基本上 没有噪声 在第一级放大电路中 AU1 1 R3 R1 1 10 10 在第二级放大电路 中 AU2 1 R10 R5 R6 1 100 所以总的放大倍数为 AU AU1 AU2 100 200 前级放大部分最终设计电路如下 带通滤波器设计带通滤波器设计 方案二高通与低通是分开做的 在满足 LPF 的通带截止频率高于 HPF 的通 带截止频率的条件下 把相同元件压控电压源滤波器的 LPF 和 HPF 串联起来可 以实现带通滤波器的功能 而且带通滤波器的低频截止频率 fL 由 HPF 的截止频 率决定 高频截止频率 fH 有 LPF 的截止频率决定 与方案一相比较 方案二的 通带较宽 通带截止频率易于调整 因此 我们采用的带通滤波器是方案二 方案一 方案二 6 14 电路图如下图所示 能抑制低于 300Hz 和高于 3000Hz 的信号 带通滤波器最终 设计电路如下 高通部分 令 C 0 1 F 2 2 3 12 8 由已知条件 fH 1 2 C 3000Hz 12 8 得 7 5K 3 74k 12 8 低通部分 令 2 0 022 F 0 01 F 同理可得 R 4 5 5 7 9 由已知条件 fH 1 2 R 300Hz 4 5 得 R 3 74 k 7 9 功率放大电路设计功率放大电路设计 TDA2030 是许多电脑有源音箱所采用的 Hi Fi 功放集成块 它接法简单 价格实惠 额定功率为 14W 电源电压为 6 18V 输出电流大 谐波失真 和交越失真小 14V 4 欧姆 THD 0 5 具有优良的短路和过热保护电路 方案一 采用 TDA2030 作为功率放大 器 方案二 采用 LM386 作为功率放大器 7 14 采用 LM386 作为功率放大器虽然外围电路相对简单并且稳定性较好 但是仿真 软件 Multisim 中没有找到 LM386 基于 TDA2030 的优点而且又便于仿真 我们 最终决定采用方案一 功率放大部分最终设计电路如下 五 主要器件介绍五 主要器件介绍 柱极体传声器柱极体传声器 传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器 驻极体传声器是一 种用驻极体材料制造的新型传声器 它具有结构简单 灵敏度高等优点 被广 泛应用于语言拾音 声信号检测等方面 驻极体传声器内部主要包括声电转换 和阻抗变换两部分 声电转换部分包括振膜 极板 空隙三部分 声电转换的 关键元件是振动膜 它是一片极薄的塑料膜片 在其中一面蒸发上一层纯金薄 膜 然后再经过高压电场驻极后 两面分别驻有异性电荷 膜片的蒸金面向外 与金属外壳相连通 膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开 这 样 蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容 当声音传入时 振膜随声波的运 动发生振动 此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化 从而产生 了随声波变化而变化的交变电压信号 如此就完成了声音转换为电信号的过程 电压变化的大小 反映了外界声压的强弱 这种电压变化频率反映了外界声音 的频率 驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小 一般为几十 pF 因而 这个电信号输出阻抗很高 而且很弱 因此 不能将驻极体传声器的输出直接 与音频放大器相接 而场效应晶体管具有输入阻抗极高 噪声系数低的特点 因此 一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用 来放大驻极体电容产生的电压信号 同时以比较低的阻抗在源极 S 或者漏极 G 输出信号 实现阻抗变换 LM324 1 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器 与单电源应 用场合的标准运算放大器相比 它们有一些显著优点 该四放大器可以工作在 低到 3 0 伏或者高到 32 伏的电源下 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之 一 共模输入范围包括负电源 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元 8 14 件的必要性 每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示 它有 5 个引出脚 其中 为两个信号输入端 V V 为正 负电源端 Vo 为输 出端 两个信号输入端中 Vi 为反相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号 与该输入端的位相反 Vi 为同相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该 输入端的相位相同 LM324 的引脚排列见图 2 LM324 的特点 1 短路保护输出 2 真差动输入级 3 可单电源工作 3V 32V 4 低偏置电流 最大 100nA 5 每封装含四个运算放大器 6 具有内部补偿的功能 7 共模范围扩展到负电源 8 行业标准的引脚排列 9 输入端具有静电保护功能 TDA2030A TDA2030A 是德律风根生产的音频功放电路 采用 V 型 5 脚单列直插式塑料封装 结构 如图 1 所示 按引脚的形状引可分为 H 型和 V 型 该集成电路广泛应用 于汽车立体声收录音机 中功率音响设备 具有体积小 输出功率大 失真小 等特点 并具有内部保护电路 TDA2030A 的电路特点 1 外接元件非常少 2 输出功率大 Po 18W RL 4 3 采用超小型封装 TO 220 可提高组装密度 4 开机 冲击极小 5 内含各种保护电路 因此工作安全可靠 主要保护电路有 短 路保护 热保护 地线偶然开路 电源极性反接 Vsmax 12V 以及负载泄放电 压反冲等 6 TDA2030A 能在最低 6V 最高 22V 的电压下工作在 19V 8 阻抗时能够输 出 16W 的有效功率 THD 0 1 无疑 用它来 做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合 适不过了 引脚情况 1 脚是正向输入端 2 脚是反向输入 端 3 脚是负电源输入端 4 脚是功率输出端 5 脚是正电源输入端 六 电路仿真六 电路仿真 第一级前置放大电路 第一级前置放大电路 9 14 带通滤波器带通滤波器 10 14 带通滤波器的波特图如下 功率放大电路功率放大电路 七 实际电路分析七 实际电路分析 故障的分析 1 没有输出波形 第一次在输入端加入正弦信号时示波器没有输出 逐级排查 故障 前置放大和带通滤波器输出完整正弦波 再接上功率放大部分 信号发 11 14 生器和滤波器瞬间自动断电 推断功率放大有问题 仔细检查电路发现有一处 没有焊接 另有一处错接电容 改好电路后却发现带通滤波输出波形异常 用 万用表一个个检查元件发现都没有烧毁 调试滑动变阻器也无济于事 最后换 了运放后 带通波形正常 才知道是 LM324 烧坏了 2 功率放大电路出现截止失真 在仿真时 我们在输入端加的是 5mV 正弦交流电 仿真结果输出波形完整 没 有失真 但是在测量实物时 信号发生器最小只能输入 50mV 正弦交流电 示波 器显示输出为截止波形 然后我们逐级排查故障 前置放大和带通滤波器输出 都不截止 问题在功率放大部分 我们重新仿真 发现功率放大部分的输入电 压最大值不能超过 2 1V 否则截止 而滤波后输出最大电压值约 6 7V 我们调 节了前级放大和功率放大部分的滑动变阻器 减小放大倍数 成功改善了截止 但是实物测量中发现 TD2030 发烫 再次检查电路没有问题 更换新的 TD2030 后不再发烫 推断是故障 1 发生时也损坏了功率放大器 测量结果 1 前置放大器 Uimax 50mv Uomax 9 531v 增益 Av Uo Ui 190 62 2 带通滤波器 Uimax 9 426 Uomax 9 531v 增益 Av Uo Ui 0 99 fH 3098Hz fL 310Hz 通频带 BW fH fL 2788Hz 3 功率放大器 最大不失真输出功率的测量 输入 1KHZ 正弦波 调到输出最大不失真状态 Pomax U2omax 2RL 2 8 6 45W 10 162 4 功率放大器直流输出电压和静态电流的测量 输入对地短路 测量直流输出电压 40 50mv 将万用表调至电流档 量程为 100mA 并将表笔串接在 12V 电源与集成功放的 电源端 测量静态电流 I 13 33mA 12 14 放大效果放大效果 我们用 mutisim 软件里的麦克和喇叭进行仿真 能听到理想的声音 放大效果 实物测量时 输入正弦信号 调信号频率 可以清晰的听到放大输 出声音随频率而改变 形成美妙的音乐 而且声音干净 几乎没有噪音 直接 对麦克说话 喇叭却不能发出声音 对麦克吹气货轻敲麦克 喇叭有声音发出 用手机播放音乐 将手机紧挨麦克 音乐得到放大 但是存在噪声 可能是驻 极体麦克和喇叭的质量对放大音效造成一定影响 八 元件清单 八 元件清单 元件清单 型号数量型号数量 电容 100nF 3 电阻 1M 1 电容 0 1uF 1 电阻 100k 2 电容 0 022uF 1 电阻 3 74k 3 电容 0 01uF 1 电阻 1k 2 电容 22uF 2 电阻 7 5k 1 电容 220uF 2 电阻 100 2 电容 220nF 1 电阻 20k 1 LM324AD1 电阻 1 1 TDA20301 滑动电阻 10k 1 散热片 1 滑动电阻 1k 1 芯片座 1 单联板 1 驻极体话筒 1 排针若干 喇叭 8 1W 1 导线若干 九 设计过程的体会 创新点以及建议 九 设计过程的体会 创新点以及建议 章叶满 与上次稳压电源的设计相比较 音频放大器的设计电路更加复杂 因此设 计过程更为艰辛 尤其是在调试过程中出现了很多意想不到的问题 但是我们 就是在这样犯错 查错与纠错的过程中收获了知识 提高了技能 首先 我们先设计电路 进行仿真 让我进一步熟悉 Multisim 软件的使用 Multisim 仿真软件中的波特图绘制功能 能帮助我们直观的看到滤波器的幅度 响应 用它来测量通频带简捷方便 我们还用 Multisim 中的麦克录音然后经设 计好的音频放大电路放大 真实的感受设计成果 通过仿真 能够帮助我们排 除很多错误 轻易调试参数 优化设计效果 焊接之前 我们先进行电路规划布局 因为我们采用的是拖焊 合理的电 路规划能让我们的焊接效果简洁整齐 也便于后来查找电路错误 这次焊接过程中 我们最大的错误就是一次完成整个电路的焊接 造成后 来的调试过程很麻烦 还因此烧毁了一些元件 我们不应该看到电路仿真结果 13 14 很理想 就直接焊完整个电路 仿真与实物操作是有差距的 焊接过程中稍有 疏忽就会犯错误留下隐患 而且一处错误还可能会引发更多的故障 从这次电 路焊接过程中 我深刻体会到 今后焊接复杂电路 一定要逐级焊接 逐级检 查电路 确保前级电路正确无误后再进行下一部分电路的焊接 这样既便于排 查寻找错误 也更加安全 此外 我感到自己在电路设计方面所掌握的知识远远不够 对元器件的了 解甚少 在电路设计之前没有广泛深入的去探究相关知识 例如 因为我们在 以往的实验中的运放一直用的是 LM324 这次也不加思索的选择了 LM324 但后 来从同学处得知 NE5532 具有更好的噪声性能 用作音频放大时音色温暖 保真 度更高 相比起电路设计与焊接 最纠结的还是电路调试 不仅是知识与技能的考 验 更是态度与心理的考验 仿真已经确保了电路没有大问题 故障往往处在 一些小的细节上 我们一定要耐心与细心的检查电路再能发现问题 例如带通 滤波器波形异常 我们 先改变滑动变阻器调节放大倍数 无济于事 又用万 用表一个个去检查带通部分的元件是否烧毁 花了两个半小时才发现是 LM324 坏了 无论多么麻烦 千万不要放弃 就一定能找到结局问题的办法 朱超 多次研讨 说多不多 说少也不少 主要是大家积极参与进来 或多或少 的出一点力 我主要是缺少这种能力 在讨论中完善自我 改进提高 这些 次研讨过程中 可以看出 大家都是积极性逐渐提高 参与热情明显多了不少 尽管碰到棘手的问题比较烦 但却也未觉枯燥 其中的乐趣 能者自知 这或 许也间接激发了我们学习的兴趣 毕竟 谁也不想成为组中酱油的一个 碰到问题 解决问题 是一种能力 也是一种学习的态度 模电实验本身 来讲就是一个灌输知识的过程 如何有效合理的应用使我们每个人都要思考的 问题 实验小组的意义不仅仅是为了实验 三人行 必有我师焉 可以看出 来 组长在其中巨大的促进作用 帮助作用很明显 我想这可能也是老师的初