语音放大电路设计报告

武汉理工大学 模电课程设计 1 附件 1 学学 号 号 0121112370724 课课 程程 设设 计计 题题 目目 语音放大电路的设计 学学 院院 专专 业业 通信工程 班班 级级 通信 GJ1101 姓姓 名名 董沛 指导教师指导教师 许建霞 2013 年1月6日 武汉理工大学 模电课程设计 2 语音放大电路的设计 1 绪论 1 1 课题背景及目的 在日常生活和工作中 经常会遇到这样一些问题 如在检修各种机器设备时 常常需要能依据故障设备的异常声响来寻找故障 这种异常声响的频谱覆盖面 往往很广 需要高亮度的声音以传达消息 例如校园广播 大型会议等 而仅 仅凭人们自己的喉咙是无法实现的 因而要用到信号放大器 声音信号频率低 在放大的过程中极易受到外界的干扰 又如 在打电话时 有时往往因声音太 大或干扰太大而难以听清对方讲的话 于是需要一种既能放大语音信号又能降 低外来噪声的仪器 诸如以上原因 具有类似功能的实用电路实际上就是一 个能识别不同频率范围的小信号放大系统 所以本课题要求采用集成运算放大 器完成语音放大电路 有利于培养我的技开发能力和创新精神 并有一定的实 用意义 2 2 实验目的实验目的 通过实验培养市场素质 工艺素质 自主学习能力 分析问题解决问题的 能力及团队精神 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 3 设计原理 3 1 已知条件 语音放大器是一个典型的多级放大器 其框图如上图所示 前置级主要完 成对小信号的放大 一般要求输入阻抗高 输出阻抗低 频带要求要宽 噪声 输入 信 号 前置放 大 器 有源滤 波 器 功率放 大 器 扬 声 器 武汉理工大学 模电课程设计 3 要小 有源滤波器主要实现对输入信号高低音的调整 功率放大级主要决定了 输出功率的大小 非线性失真系数等指标 要求效率高 失真尽可能小 输出功 率高 因为 5w 所以此时的输出电压 4 5V 要使输入为 10mV maxoP LoRPVo max 的信号放大为 4 5V 的输出 所需要的总放大倍数为 450 i v V V A 0 3 2 性能指标 1 前置放大器 1 输入信号 Uid 10m 2 输入阻抗 Ri 100K 3 共模抑制比 KCMR 60dB 2 有源带通滤波器 带通频率范围 z 3 功率放大器 最大不失真输出功率 omax 5W 负载阻抗 L 电源电压 4 输出功率连续可调 直流输出电压 mV 输出开路时 静态电源电流 mA 输出短路时 3 3 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元件参数 2 置放大电路的组装与调试 测量置放大电路的差模电压增益 AUd 共模电压增益 AUc 共模抑制比 KCMR 带宽 BW 1 输入电压 Ri 等各项技术指标 并与设计要求值行比较 武汉理工大学 模电课程设计 4 3 源带通滤波电路的组装与调试 测 量有源带通滤波电路的差模电压增益 AUd 带通 BW1 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 P DC 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 3 4 原理与参考电路 3 4 1 前置放大电路 由于信号源提供的信号非常微弱 故一般在音调放大级前加一级前置放大 级 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 典型情况下 信号的最大幅度可能仅有若干毫伏 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设计 武汉理工大学 模电课程设计 5 C1 1uF R1 100kohm C2 30pF C3 1uF 15V VCC 15V VDD 3 2 11 4 1 U1A LM324AD R2 100kohm R3 10kohm 5 6 11 4 7 U1B LM324AD R4 20kohm R5 100kohm R6 5kohm C4 30pF 50 10kOhm Key a R7 C5 1uF AB T G XSC1 XFG1 不同方案比较 缺陷与不足 由于电路过于简单 不能对电路的整体增益进行合理的调节 而且反馈电路中没有电容 不能控制由于电路温度升高而引起的温度飘逸 误 差较大 而且在电路中无串联电容使得电压稳定性不好 而且进入滤波电路的 直流分量过大 引起噪声过大 3 4 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 武汉理工大学 模电课程设计 6 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 2 11 4 1 U1A LM324AD R1 160kohm R2 1kohm 15V VCC C1 0 1uF C2 0 1uF R3 5 1kohm R4 5 1kohm 15V VDD 5 6 11 4 7 U1B LM324AD C3 0 01uF C4 0 01uF R7 160kohm 15V VCC 15V VDD R8 1kohm AB T G XSC1 XFG1 50 10kOhm Key a R5 50 10kOhm Key a R6 不同方案比较 缺陷不足 电路基本符合要求 但是反馈电路中没有电容 不能控制温度 漂移 R5 与 R6 应该换成滑动变阻器 便于调节电路中的电流 3 4 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 武汉理工大学 模电课程设计 7 1 2 3 5 4 U1 TDA2030 C1 1uF C2 20uF C3 30pF R1 20kohm R2 1kohm 12V VCC 12V VDD R4 10ohm C4 0 1uF XFG1 AB T G XSC1 R5 8ohm 50 20kOhm Key a R3 不同方案比较 比较 该电路基本符合要求 但是 Multisim10 中没有 TD2003 这个元件 不便于进行仿真 故我们利用 TDA2030 重新设计了一个电路 经测试 基本符 合要求 3 5 单元电路中的线路连接 为了避免各级运算器之间的相互干扰 且过滤掉放大过程中的纹波 各级 之间用 100 f 的电容进行连接 4 核心原件参数特点 武汉理工大学 模电课程设计 8 4 1 LM324 运放集成电路 LM324 采用 14 脚双列直插塑料封装 它内部包含四组形式完全相同的运 算放大器如图 5 8 a 所示 除电源共用外 四组运放相互独立 每一组运算 放大器可用图 5 8 b 所示的符号来表示 它有 5 个引出脚 其中 Ui Ui 为两个信号输入端 U U 为正 负电源端 Uo 为输出端 两个信号输入端 中 Ui 为反相输入端 表示运放输出端 Uo的信号与该输入端的相位相反 Ui 为同相输入端 表示运放输出端 Uo的信号与该输入端的相位相同 由于电源管 脚是众所周知的 因此 为了简化 通常可以把电源端省略不画 把五脚符号 画成只有两个输入端 一个输出端的三端符号 U U U i U i Uo LM324 1 2 3 4 5 6 7 U U 8 9 10 11 12 13 14 a b 图 5 8 集成运放符号及 LM324 管脚 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽 静态功耗小 可采用单 双 电源方式使用 价格低廉等优点 因此被广泛应用在各种电路中 注 集成运算放大器 LM324 的管脚图及基本参数见附录 B 4 2 TDA2003 集成功率放大器集成功率放大器 我们在本次设计中依然采用常用的 TDA2003 集成功率放大器 TDA2003 是 TDA2002 的改进型 其输出功率更大 电路特点及内设的各保护电路与 TDA2002 相同 它适用于收音机及其它设备中作音频放大 武汉理工大学 模电课程设计 9 引脚功能定义 TDA2003 为 5 脚单引直插式 其引脚功能如下 1 同向输入 2 反向输入 3 地 4 输出 5 输入 Vcc 集成功率放大器 TDA2003 的引脚图 参数名称符号参数值单位备注 峰值电源电压Vcc40V 直流电源电压Vcc28V 工作电源电压Vcc18V50ms 输出峰值电流 重复 Io3 5A 输出峰值电流 非重复 Io4 5A 功率Po20W 工作环境温度Topz 30 75 CTa 9 C 贮存温度 结晶Tstg T 40 150 C 武汉理工大学 模电课程设计 10 5 Multisim10 0 仿真结果 5 1 前置放大电路 C1 1uF R1 100kohm C2 30pF C3 1uF 15V VCC 15V VDD 3 2 11 4 1 U1A LM324AD R2 100kohm R3 10kohm 5 6 11 4 7 U1B LM324AD R4 20kohm R5 100kohm R6 5kohm C4 30pF 50 10kOhm Key a R7 C5 1uF AB T G XSC1 XFG1 武汉理工大学 模电课程设计 11 5 2 有源滤波电路 武汉理工大学 模电课程设计 12 3 2 11 4 1 U1A LM324AD R1 160kohm R2 1kohm 15V VCC C1 0 1uF C2 0 1uF R3 5 1kohm R4 5 1kohm 15V VDD 5 6 11 4 7 U1B LM324AD C3 0 01uF C4 0 01uF R7 160kohm 15V VCC 15V VDD R8 1kohm AB T G XSC1 XFG1 50 10kOhm Key a R5 50 10kOhm Key a R6 武汉理工大学 模电课程设计 13 5 3 功率放大电路 1 2 3 5 4 U1 TDA2030 C1 1uF C2 20uF C3 30pF R1 20kohm R2 1kohm 12V VCC 12V VDD R4 10ohm C4 0 1uF XFG1 AB T G XSC1 R5 8ohm 50 20kOhm Key a R3 武汉理工大学 模电课程设计 14 6 调试电路及调试测量 6 1 前置放大电路的调试 静态调试 调零和消除自激振荡 动态调试 在两输入端加差模输入电压 Uid 测量输出电压 Uod1 观 测于记录输出电压与输入电压的波形 算出差模电压增益 Aud1 在两输入端加共模输入电压 Uic 测量输出电压 Uoc1 算出共模电压 增益 Auc1 6 2 有源带通滤波器的调试 静态调试 调零和消除自激振荡 动态调试 调节输入信号的频率 使输出电压达到不失真的最大值 记 录此时的电压值和频率 不断改变输入信号的频率 变大和变小 当电压的 武汉理工大学 模电课程设计 15 幅度为最大值的 0 707 倍时 分别记录此时的频率 即为上限截止频率和下限 截止频率 由此计算通频带 6 3 功率放大电路的调试 静态调试 将输入端对地短路 观察输出有无振荡 如果有振荡 采取消 振措施以消除振荡 测量最大输出功率 Pomax 在输出信号不失真的条件下 对功率参数进行 测试 输入 f 1kHz 的正弦输入信号 并逐渐加大输入电压的幅值直至输出电压 Uo 的波形出现临界削波时 测量此时 Rl 两端的输出电压的最大值 Uomax 或有 效值 Uo 则 Pomax Uomax2 2 RL Uo2 RL 6 4 系统联调 经过以上对各级电路的局部调试后 可扩大到整个系统的联调 令输入信号 Ui 0 前置级对输入短路 测量输出的直流输出电压 输入 f 1kHz 的正弦信号 改变 Ui 的幅值 用示波器观察输出电压 Uo 波形 变化的情况 记录输出电压 Uo 最大不失真幅度所对应的输入电压 Ui 的变化 范围 输入 Ui 为一定值的正弦信号 在 Uo 不失真范围内取值 改变输入信号的 频率 观察 Uo 的幅值变化情况 记录 Uo 下降到 0 707Uo 之内的频率变化范 围 计算总的电压增益 Au3 Uo Ui3 6 5 电路测量 分别测量所要求的数据 1 前置放大器的电压放大倍数 Au 100 2 测量带通滤波器的通频带 BW 300Hz 3000Hz 6 6 效果测试 系统级联后 分别在输入端输入语音信号和音乐信号 观测效果 6 7 实验中遇到的问题及解决办法 1 问题 前级放大器焊接完成后在示波器中没有信号输出 分析 电路中可能有虚焊短接情况 武汉理工大学 模电课程设计 16 解决 用万用表仔细检查电路 逐个焊点进行测试 找出虚焊点并将其焊牢 2 问题 下限截频过低 170Hz 分析 高通滤波器中电过大 解决 调节滑动变阻器 6 8 元件清单 元件规格数量 LM324 4 片 20K 50 1 变阻器 10K3 20K2 5 1K1 10K1 100K3 电阻 10k1 1k3 160k2 1u 有极 4 30p 无极 3 0 1u 有极 3 0 01u 无极 2 电容 22u 有极 1 整流二极管 1N40072 扬声器8 欧 3W 1 板子大板 1 功放 TDA20301 武汉理工大学 模电课程设计 17 7 设计感想和体会 通过这次课程设计 让我深刻地体会到了在电子设计过程中应该十分细心 而且应该有全局观 我在设计时因为没有考虑到后面的电路 只看眼前 不顾后面 结果 搞的后面布线布得一团糟 俗话说 磨刀不误砍材工 这句话应该是我以后在做设计时 应该牢记的 首先 应该对电路的布局