实验5音频放大器.doc

东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电路与电子线路实验II 第 5 次实验实验名称：音频放大器设计 院 （系）： 吴院 专 业： 信息 姓 名： 学 号： 实 验 室: 金智楼502 实验组别： 3 同组人员： 实验时间： 2013年 6月 9 日 评定成绩： 审阅教师： 实验五 音响放大器设计【实验内容】设计一个音响放大器，性能指标要求为：功能要求 话筒扩音、音量控制、混音功能、音调可调(选作)额定功率0.5W(失真度THD10%)负载阻抗10频率响应fL50HzfH20kHz输入阻抗20k话音输入灵敏度5mV音调控制特性(扩展)1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有12dB的调节范围1. 基本要求功能要求 话筒扩音、音量控制、混音功能额定功率0.5W(失真度THD10%)负载阻抗10频率响应fL50HzfH20kHz输入阻抗20k话音输入灵敏度5mV2. 提高要求音调控制特性1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有12dB的调节范围。3. 发挥部分可自行设计实现一些附加功能【实验目的】1. 了解实验过程：学习、设计、实现、分析、总结。2. 系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。3. 通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。【报告要求】1. 实验要求：(1) 根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。 总体方案l 方案设计音响放大器主要由话音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器四部分组成。l 增益分配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话音放大器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器。a. 音响放大器参数：输出功率：0.5W负载： 8对应输出电压： Line In：设为100mV（可以用电位器衰减）放大倍数分配可如下图所示： 单元电路设计l 话音放大器话放增益一般为510倍左右，可采用同相放大器实现。由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k。(亦有低输出阻抗的话筒如20、200等)，所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。语音放大器可采用集成运放组成的同相放大器构成，具体电路下图所示：图中，话音放大器的增益为：所以，为达到10倍的电压增益，Rf/R1应取到9，根据实验室所有电阻可取R1为3K，那么Rf即可用22K和5K的电阻串联为27K电阻，或者用100K电位计，电位计占位较大搭建实际电路不方便，所以选择电阻串联为宜。为了不让高频干扰信号通过电路，可利用电容通高频阻低频特性，在输入端串接电容，抗干扰用，吸收干扰信号，让高频干扰基本不进入运放，计算的时候电容不参与运算。l 混合前置放大器混合前置放大器的作用是将放大后的话音信号与Line In（输出MP3作为背景音乐信号源）信号混合放大，起到了混音的功能。可采用反相加法器实现，具体电路下图所示：从图中可以看出，输出电压与输入电压之间的关系为： 式中，Vi1为话筒放大器的输出信号，Vi2为放音机的输出信号。另外，图中的是平衡电阻，大小为/。为使混合前置放大器电压增益为4，则要求Rf/R1=4，同时R1=R2，所以可以选择Rf=40K可用100K电位计实现，那么R1=R2=10K。加电容用以隔断直流电，让交流电或脉动信号通过，使相信的放大器直流工作点互不影响，耦合电容C1、C2采用10F的极性电容。l 音调控制器音调控制电路主要有三种：（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，其电路的原理图如图所示：图中，Z1和Zf是由RC组成的网络。因为集成运放A的开环增益很大，所以：当信号频率不同时，Z1和Zf的阻抗值也不统，所以随频率的变化而变化。假设Z1和Zf包含的RC元件不同，可以组成四种不同形式的电路，如下图所示：在图（a）中，可以得到低音提升；在图（b）中，可以得到高音提升；在图（c）中，可以得到高音衰减；在图（d）中，可以得到低音衰减；如果将上图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，如下图所示：根据音响放大器的设计技术指标，要使频率响应fL50Hz，fH20kHz，1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有12dB的调节范围，现取PR1=10K，根据公式：可以求得C2+C1=130nF，那么可取两个标称电容22nF和100nF并联即可。另外，根据公式：可以求得R1=R2=R3=3K。由于12dB对应增益为4和1/4，取PR2=100K，所以可以求得R4为3K，那么C3=6.8nF，可取标称值为4.7nF和2.2nF的电容并联获得。由于在低音时，音调控制电路输入阻抗近似为R1，所以级间耦合电容可取。l 功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能的大，输出信号的线性失真尽可能的小，效率尽可能的高。常用形式有OTL电路和OCL电路，集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器，以及专用集成电路功率放大器。器件选用LM386，由于LM386有多种型可选，考虑到我们实验的要求，器件型号可选择LM386N-4，最大偏置电压18V，典型输出功率1W，功放级的增益30倍左右，工作电压Vs采用6V。参考LM386的数据手册，选用LM386的经典功放电路：调节10K电位计，使得电压增益为10即可。(2) 利用EDA软件进行仿真，并优化设计（对仿真结果进行分析）。仿真电路图及波形：n 话音放大器话放电路的multisim仿真电路图如下：输入信号为5mV、1KHz的正弦波，利用示波器观察波形：可以看出，测量的峰峰值输出电压为输入电压的10倍，符合话放电路的增益要求。n 混合前置放大器混和前置电路的multisim仿真电路图如下图所示：利用两个信号发生器分别输入两个信号，一个为50mV,1KHz，另外一个为100mV,1KHz，利用示波器测量得到如下波形：可以看出，放大了4倍，符合设计要求。n 音调控制器音调控制电路的multisim仿真电路图如下图所示：利用multisim中的波特图仪来测量125Hz时和8KHz时的幅频特性，得到如下结果： 当在125Hz时：当电位计调到最小为0K时：可以看出增益约为12dB。当电位计调到最大为10K时：可以看出增益约为-12dB。所以，满足在125Hz时有12dB的增益。 当在8KHz时：当电位计调到最小为0K时：可以看出增益约为12dB。当电位计调到最大为100K时：可以看出增益约为-12dB。所以，满足在8KHz时有12dB的增益。n 功率放大器由于multisim中没有LM386，所以利用proteus仿真功率放大电路图如下图所示：输入600mV的正弦波，利用示波器测得的波形结果，调节电位计知道为电压放大10倍，符合设计要求。利用EDA软件模仿出的结果，经过微调，达到设计要求，每一级的电压增益和波形都正确、不失真。(3) 实际搭试所设计电路，使之达到设计要求（实物图要有图片）。根据仿真电路搭建实物电路如下图所示：功放电路音调电路混合前置电路话放电路由于，测试时发现后级对前级有影响，所以在混合前置电路和音调电路间加了射随电路，在音调电路与功放电路间加一个射随电路。在上图最下方为两个射随电路。由于有啸叫，所以在Vcc和地间加一个10F的电容去除啸叫，同时，在地和VEE之间加大电容为3300F，过滤噪声，是音质变好。分级测量：当在话放电路输入端加上5mV，1KHz的正弦波信号时，在话放输出端测量波形如图，为第一级输出波形：可以看出，输出非端电压峰峰值为51.6mV，放大了近似为10倍。当在line in处输入100mV，1KHz的正弦波信号时，信号再经过混合前置电路时，在其输出端测量波形，为第二级输出波形：可以看出经过第二级后的输出电压峰峰值为640mV，由于输入为第一级的51.6mV加上line in的100mV，约为150mV，所以放大倍数约为4倍，符合要求。继续测量第三极的输出波形：可以看出，第二级输出波形（第三级输入波形）与第三级输出波形只有相移而峰峰值并未改变，符合设计要求。此时，测量第四级输出端波形：通过以上两图可以看出第四级功放电路放大10倍。每一级的增益和波形都符合设计要求，总计放大400倍。(4) 按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试波形及数据，分析电路性能指标。 额定功率： 利用信号发生器做输入信号，分别输入5mV和100mV的正弦波，利用示波器测量输出端的波形如下图所示：电压峰峰值为6.56V，所以输出功率为：Po=Vo2/R=(3.28V)2/8=1.34W理论功率应为：P=V2/R=(3.0V)2/8=1.13W误差为18.5%。 输入灵敏度：输入信号波形如下图所示：输入信号为5。30mV，所以，输入灵敏度为5.30mV。 谐波失真度：波形失真度要用横河表或福禄克表测量，本实验没有测量精确值，不过从输出波形来看波形不失真，失真近似为零。（5）整机信号试听效果， 话音扩音：话音字句清晰，无断续，杂声较小。 Mp3音乐试听： 音乐不是真，可调音量音调，噪声很小。 混音功能： 混音可以实现，而且互不影响。 音调控制（提高）： 可调高调低，对低频和高频均可。总结：通过此次实验的设计以及调试，掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理，对几种基本电路有了更深刻的认识和印象，并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。但是，同时