音响系统设计

模拟电子技术基础

课程设计汇报

设计题目:音响系统的设计

学院:物理与电子信息学院

专业:

班级:

姓名:

学号:

指导老师:

日期:

目录

设计任务和规定

设计FW勺...............................................

三、设计背景.................................................

四、设计方案论证............................................

五、设计过程.........................

1.系统框图..............................................

2.详细子电路设计

........................................................................

(1)、电源电路.........................................

(2)、语音放大电路.....................................

(3)、前置混合放大电路.................................

(4)、音调控制电路.....................................

(5)、音量控制电路.....................................

(6)、功率放大电路.....................................

3.设计总原理图............................................................10

六、设计成果................................................

七、设计总结................................................

八、参照文献................................................

一、设计任务和规定

(1)、设计一种至少包括前置放大、音调控制、音量控制、功率放大4级电

络日勺音响系统。

(2)、根据设计指标和设计规定，详细分析各单元电路的设计过程，逐层设

计各单元电路，画出单元电路原理图，分析重要元器件的选择根据。

(3)、设计各单元电路的实现、调试、测试方案和试验数据登记表格，完毕

单元电路测试。分析各单元电路的测试数据和输入、输出波形与否满足设计规定。

(4)、根据前面的设计分析画出系统设计框图或系统设计流程图。

(5)、根据系统设计框图逐层级联各单元电路，每增长一级电路，必须先测

试并检查级联后日勺电路与否满足设计规定。假如级联后日勺电路可以满足设计规定,

方可继续级联下一级电路;假如级联后日勺电路不能满足设计规定，则必须先定位

问题所在点，完毕纠错后方可继续级联下一级电路。否则，一旦系统电路出现故

障，将很难查。

(6)、设计系统电路H勺测试方案和试验数据登记表格，测试系统电路H勺试验

数据和输入、输出波形，详细分析系统电路日勺测试数据和输入、输出波形与否满

足设计规定。

(7)、用计算机辅助电路设计软件(如Multisim、AltiumDesigner等)画出

电路原理图。

音响系统重要包括话筒(MIC)。语音放大电路、前置混合放大电路、音调控制电

路、功率放大电路、音响等，其框图如下图1所示；

图1

2、详细子电路设计

(1)、电源电路

为设计电路以便，音响系统的电源电路不规定学生单独设计，试验时，可

以直接使用试验室提供的直流稳压电源。但试验室提供的直流稳压电源是对

220V/50HZ市政交流电进行整流、滤波、稳压后得到的，直流电源中具有50Hz

电源噪声和其他噪声，为了克制由电源噪声和电路连接过程引入的干扰，试验

时，应对直流稳压电源按图2处理后，再送给音响系统供电，以减小因噪声干

扰而引起自激振荡的概率。

在图2所示电路中，应先对正、负电源分别做滤波处理后再给功率放大电路供电。

并且，还应对功率放大电路的供电电源做去耦、滤波处理后，再送给前级小信号

电路使用，以减弱功率放大电路日勺噪声对前级小信号电路所导致日勺影响。

在图2所示电路中，C2、C4、C6、C8应选用几十微法至几百微法的铝电解电容；

Cl、C3、C5、C7应选用几百皮法至几万皮法的瓷片电容或独石电容。详细选用

的电容值可以根据噪声状况确定，也可以通过试脸的措施观测得到。使用不一样

容值的电容器进行滤波的目的是分别滤除电源中的高频噪声和低频噪声。

图2

(2)、语音放大电路

集成运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低，工作状态稳定等长处，因此

本试验推荐使用集成运算放大器设计语音放大电路。

语音放大电路的I重要作用是不失真地放大来自话筒(MIC)时输出信号。

试验室可以提供口勺话筒大多是电容式驻极体话筒，因此本试验以驻极体话

筒为例简介语音放大电路的设计，其电路原理图如图3所示。

在图3所示日勺语音放大电路中，采用E内是双电源供电方式。

外接电源+Vccl通过电阻R4给驻极体话筒提供直流偏置，并通过电阻R4调整。

通过上式可知，假如C3选择过小，系统下限转折频率会较高;假如C3选择过大,

RC值较大，接通电源的瞬间，需要对电容进行充电，电压上升速率变慢，系统

响应时间会变长。

图3

对于音频信号，电容C3的容抗较小，相对于电阻RLR2欧1阻抗，电容C3

的容抗可以忽视不计，因此计算语音放大电路交流电压放大倍数时可以将其忽

视。

图3所示为同相比例放大电路，具交流电压放大倍数为：

选用电阻值时，应先确定反馈电阻R2的组织。电压放大时，因受器件单位

增益贷款的限制，反馈电阻R2不适宜选择过大；同步考虑输入失调的影响，反

馈电阻和输入电阻的阻值也不适宜选择过小。一般反馈电阻可以选用几十千欧姆

至几百千欧姆阻值的电阻。

电阻R1应根据反馈电阻和电压放大倍数计算得到。实际使用时，应尽量选

用最靠近于增益设计规定的标称电阻。

电阻R3是静态平衡电阻，可以根据集成运放的静态平衡原则计算得到。

电解电容的耐压值应根据所使用的电源电压来确定。工程设计规定电容的耐压

值应高于电源电压，并且还要给出一定的设计裕量，以保证系统可以长期稳定

工作。

(3)、前置混合放大电路

前置混合放大电路口勺重要作用是将经语音放大电路后的输出信号与播放机

输出的音乐信号Vi2混合并放大后，送给下一级音调控制电路进行处理。

受增益带宽积H勺限制，为保证前置混合放大电路有较宽的通频带，前置混

合放大电路日勺电压增益不适宜设置过高，否则在带宽范围内轻易引起波形失真。

图4所示为用集成运算放大港设计的前置混合放大电路。

前置混合放大电路的重要作用是将两路输入信号Vol和Vi2进行放大并叠加。两

路输入信号分别来自语音放大电路的输出信号Vol和播放机口勺输出信号Vi2。假

如选用电阻R1=R2=R,则总的输出电压Vo2为：

RfRf

子匕2=-亮储+%)

K

假如前级没有设计语音放大电路，则前置混合放大电路时输出可以简化为:

%2=一厘2

K2

在图4中，电容CLC2.C3是输入、输出耦合电容，其电容值可以根据前面简介

的设计分析选用。选用前置混合放大电路的I电阻值时，也应当先确定反馈电阻

Rf的阻值，然后根据电压放大倍数计算得到输入电阻RI.R2的限值。电阻R3是

静态平衡电阻，可以根据集成运算放大器静态平衡原则计算得到。

(4)、音调控制电路

(5)、音量控制电路

按音量控制对象不一样，音量控制电路可以分为电压式和电流式两种。当音

量控制电路的前一级电路日勺输出阻抗较高，后一级电路日勺输入阻抗较低时，为

了能有效地传递有用信号，应选用电流式音量控制电路。当音量控制电路的I前一

级电路口勺输出阻抗较低，后一级电路的输入阻抗较高时，应选用电压式音量控

制电路。

负反馈式音调控制电路输出阻抗较低，功率放大器的输入阻抗较高，因此

本试验提议采用电压式音量控制电路来实现音量控制。

图8.4.11所示为用电位港Rp3和电阻R5并联实现日勺信号衰减法电压式音量

控制电路。通过变化电位器Rp3可调端的位置来变化输入信号的衰减量，即通过

变化功率放大电路输入信号日勺幅值来变化声音信号的强弱，以实现音量控制。图

中输出端口勺电压跟随器用于隔离功率放大器与前级电路，以缓和功率放大电路

噪声对前级电路日勺影响。

声音信号日勺强度与响度不是线性关系，而是近似对数关系，即声音信号的J

强度每增长10倍，人耳所能感觉到的响度只增长一倍。为了符合人耳的听觉习

惯，设计音量控制电路时，应采用电阻值按指数规律变化H勺电位器来实现，但

考虑到设计成本，本试验推荐采用图8.4.11所示的电位器Rp3与电阻R5并联的

输出电压信号近似按指数规律变化的音量控制电路。

在图8.4.11所示的音量控制电路中，输入信号和输出信号的关系为：

V-RJ%-

°43RJ/R加。3

式中,Rp3=Rpa+Rpbo

在图8.4.11所示电路中，当变化线性电位器Rp3可调端的位置时，在音量

控制电路的输出端可以得到近似按指数规律变化H勺输出电压Vo4o输出电压Vo4

的大小是由电位器Rp3时电阻值、Rp3可调端H勺位置和R5的电阻值共同决定R勺。

当电位器Rp3选用标称值为47kQ的电位器，电阻R5分别选用标称值为2kQ、

3kQ、4.3kQ、5.1k。、6.2k。、7.5kQ和8.2kQ的|电限值时，在音量控制电

路的输出端可以得到图8.4.12所示的输出电压变化曲线。其中，横坐标是电位

器Rp3中Rpb部分电阻与电位器总阻值的比值；纵坐标是输出电压Vo4与输入

电压Vo3的比值。

由图8.4.12可知，将线性电位器与电阻并联，调整电位器可调端的位置，可以

实现输出近似按指数规律变化的输出电压曲线，得到的声音响度适合人耳变化

规律规定的I声音信号，满足人耳听觉习惯，实现适合人耳需要的音量控制。

(6)、功率放大电路

功率放大电路日勺重要作用是放大来自音量控制电路日勺输出信号，将音频输

入信号进行功率放大并推进音箱发声。与前面小信号放大电路不一样，功率放大

电路处理的是大信号，轻易引入噪声，产生非线性失真，引起自激振荡。

功率放大电路应具有一定日勺输出功率，其输入阻抗能与前一级音量控制电

路的输出阻抗匹配；其输出阻抗能与后一级扬声器负载匹配，否则将影响放音效

果。

功率放大电路种类繁多，实现措施多样。本试验以集成功率放大器TDA2030A为

例，简介一下TDA2030A双电源供电方式下的经典应用电路，如图8.4.19所示。

在图8.4.19中，电阻R1、R2是闭环增益调整电阻，重要用于调整功率放大器的

放大能力。在选用电阻RI、R2的阻值时，应参照生产厂家提供的产品数据手册

扬声器

%

0

丁a

电容Cl是负反馈隔直电容，其容值应根据系统的下限截止频率和电路响应

时间确定。

电容C8是输入耦合电容，其容值应根据待处理信号的I频率范围和功率放大

器口勺输入阻抗确定。

电阻K3是静态平衡电阻，其电阻值可以根据静态平衡原则计算得到。

电容C2.C3和C6.C7是滤波电容，即电源电路图&4.1中口勺滤波电容C6.C5

和C2.C1,重要用于源除电源中的低频噪声和高频噪声，其电容值应根据电路

噪声的详细状况确定。

用TDA2030A设计功率放大电路时，应考虑在TDA2030A口勺输出端加上保护电

路，以防止功率放大器瞬间输出高压脉冲而损坏功放器件・。

3、在图8.4.19中，二极管VDLVD2是过压保护用二极管。当电路正常工作

时，二极管VD1.VD2不起作用，相称于开路。当功率放大器口勺输出端有较

强的正脉冲出现时，二极管VD1导通；当场放时输出端有较强的负脉冲出

现时，二极管VD2导通。总之，在功率放大器的输出端有高压脉冲出现时,

二极管VD1.VD2可以将输出电压钳位到功率放大器容许的输出范围内，

以到达保护功率放大器TDA2030A的目的I。

4、在面包板上调试试验电路时，因功率二极管的引脚较粗，不适宜插接，

并且在试验调试过程中，二极管VD1、VD2的J保护作用并不明显，因此，

在试验室条件下，假如是在面包板上调试用TDA2030A设计的功率放大电

路，则二极管VD1、VD2可以不接。.

5、由于扬声器是感性器件，当流经扬声器的电流发生变化时，会产生较高

日勺反向电动势，该反向电动势对功率放大器有极强日勺破坏作用。为了能缓

和扬声器反向电动势的破坏作用，在图8.4.19中，TDA2030A时输出端设

有电阻R4和电容C4构成日勺赔偿电路。赔偿电容C4日勺容性阻抗可以赔偿

寄生在扬声器中日勺感性阻抗，使总的负载体现为纯电阻特性，以防止因

扬声器的反向电动势过高而击穿功率放大器件。与赔偿电容串接的赔偿电

阻R4重要用于减少因寄生电感和赔偿电容引起高频自激振荡的概率。

6、设计总原理图

通过合适的元器件参数选择和上述子电路的结合，可以得到如下电路原理图:

十、设计成果

电路仿真成果

输入与输出电压仿真波形

在函数发生器设置为正弦波输出，频率为1kHz,振嗝为lOmVp时，输入与输出电压仿

真波形如下图所示。

示波器-XSC1二百汉

音调控制电路输出信号幅频与相频曲线

波特测试仪-XBP1

rwii线性］线性

F1GHzF100dB

I1mHz1-200dB