語音放大器的設計(全面).doc

電 子 電 工 教 學 基 地實驗報告實驗課程：模擬電路實驗及仿真實驗名稱：語音放大電路的設計設計人員： 完成日期： 2012年6月27日0、 引言在電子電路中，輸入信號常常受各種因素的影響而含有一些不必要的成份（即干擾），或者輸入信號是不同頻率信號混合在一起的信號，對前者應設法將不必要的成份衰減到足夠小，而后者應設法將需要的信號提取出來。而且隨著社會的發(fā)展，在我們的日常生活中也經(jīng)常會出現(xiàn)一系列的問題：如在檢修各種機器設備的時候，我們要根據(jù)故障設備的異常聲來尋找故障，這種異常的聲響的頻譜覆蓋面往往很廣；同時另外的一種情況我們在打電話的時候，有時往往因聲音或干擾太大而難以聽清對方的聲音，這時我們就需要一種既能放大語音信號又能降低外來噪聲的儀器。而且語音放大電路目前的運用很廣泛：適用于很多的家用電器上面的運用。例如：便攜式收音機、對講機等很多方面的運用。為了達到這樣的一個目的，我們就要考慮到設計一個能識別3003000HZ頻率范圍內(nèi)的小信號放大系統(tǒng)，我們可以用設計一個集成運算放大器組成的語音放大電路。一、設計目的及要求【設計目的】1.通過實驗培養(yǎng)學生的市場素質，工藝素質，自主學習的能力，分析問題解決問題的能力以及團隊精神。2.通過實驗總結回顧所學的模擬電子技術基礎理論和基礎實驗，掌握低頻小信號放大電路和功放電路的設計方法?！驹O計要求】1）選取單元電路及元件根據(jù)設計要求和已知條件，確定前置放大電路、有源帶通濾波電路、功率放大電路的方案，計算和選取單元電路的原件參數(shù)。2）前置放大電路的組裝與調試測量前置放大電路的差模電壓增益AU、共模電壓增益AUc、共模抑制比KCMR、帶寬BW、輸入電壓Ri等各項技術指標，并與設計要求值進行比較。3）有源帶通濾波器電路的組裝與調試測量有緣帶通濾波器電路的差模電壓增益AUd、帶通BW，并與設計要求進行比較。4）功率放大電路的組裝與調試測量功率放大電路的最大不失真輸出功率Po,max、電源供給功率PDC、輸出效率、直流輸出電壓、靜態(tài)電源電流等技術指標。5）整體電路的聯(lián)調與試聽6）應用Multisim軟件對電路進行仿真分析【性能指標】1. 前置放大器：輸入信號：Uid 10 mV 輸入阻抗：Ri 100 kW2. 有源帶通濾波器：頻率范圍：300 Hz 3 kHz 增益：Au = 1。3. 功率放大器：最大不失真輸出功率：Pomax1W 負載阻抗：RL= 8 W（ 4 W ） 電源電壓：+ 5 V，+ 12V，- 12V4. 輸出功率連續(xù)可調 直流輸出電壓 50 mV 靜態(tài)電源電流 100 mA二、總原理框圖及總電路圖1.語音放大電路由“輸入電路”、“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、“功率放大器”、“揚聲器”幾部分構成：2.實驗總電路：三、設計思想及基本原理分析。【設計思想】輸入端采用麥克風形式，聲音通過麥克風輸入前置放大電路，進行一次放大后輸入二階有源帶通濾波電路，對通頻帶（300Hz-3000Hz）以外的信號進行濾波，以消除雜音，最后將經(jīng)過放大和濾波的信號輸入功率放大電路，進行功率放大后將聲音通過揚聲器輸出?！净驹怼?前置放大電路前置放大電路可采用兩級負反饋放大器、差分放大電路，也可以用集成運放構成的測量用小信號放大電路等。在測量用的放大電路中，一般傳感器送來的直流或低頻信號，經(jīng)放大后多用單端方式傳輸。一般來說，信號的最大幅度可能僅有幾毫伏，共模噪聲可能高達幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對于總的精度至關重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問題。因此前置放大電路應該是一個高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。在設計前置小信號放大電路時，可參考運算放大器應用的相關 ；2.有源濾波電路有源濾波電路是用有源器件與RC網(wǎng)絡組成的濾波電路。有源濾波電路的種類有低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）、帶阻（BEF）濾波器，本實驗著重討論典型的二階有源濾波器。3.功率放大電路功率放大的主要作用是向負載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉換功率盡可能高，非線性失真盡可能小。四、單元電路分析，元件介紹和元件參數(shù)計算?！厩爸梅糯箅娐贰糠桨敢唬?方案二：方案一是一級放大，其增益過小，且不夠穩(wěn)定，帶動不起后級電路。因此，在前置放大器的選擇上，我們采用方案二的兩級放大。運算放大器使用LM324。通過第二級放大電路中的電位器來調節(jié)放大的倍數(shù)。這個電路非常簡單，而且原理清晰。通過仿真可知，輸出很完整，基本上沒有噪聲。在第一級放大電路中，AU1=1+R3/R1=1+1010。在第二級放大電路中，AU2=1+（R10+R5）/R6 1100。所以總的放大倍數(shù)為：AU=AU1.AU2 100200。前級放大部分最終設計電路如下：【帶通濾波器設計】方案一：方案二：方案二高通與低通是分開做的，在滿足LPF的通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的LPF和HPF串聯(lián)起來可以實現(xiàn)帶通濾波器的功能，而且?guī)V波器的低頻截止頻率fL由HPF的截止頻率決定，高頻截止頻率fH有LPF的截止頻率決定。與方案一相比較，方案二的通帶較寬，通帶截止頻率易于調整。因此，我們采用的帶通濾波器是方案二，電路圖如下圖所示，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信號。帶通濾波器最終設計電路如下：高通部分：令=C=0.1F，=2, 由已知條件：fH=1/(2C)=3000Hz，得7.5K，3.74k。低通部分：令=2=0.022F，=0.01F同理可得=R,由已知條件：fH=1/(2R)=300Hz，得=R3.74 k?！竟β史糯箅娐吩O計】方案一：采用TDA2030作為功率放大器方案二：采用LM386作為功率放大器TDA2030是許多電腦有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成塊，它接法簡單，價格實惠，額定功率為14W，電源電壓為618V。輸出電流大，諧波失真和交越失真?。?4V/4歐姆，THD=0.5%），具有優(yōu)良的短路和過熱保護電路。采用LM386作為功率放大器雖然外圍電路相對簡單并且穩(wěn)定性較好，但是仿真軟件Multisim中沒有找到LM386，基于TDA2030的優(yōu)點而且又便于仿真，我們最終決定采用方案一。功率放大部分最終設計電路如下：五、主要器件介紹 【柱極體傳聲器】傳聲器是一種將聲信號轉變?yōu)橄鄳碾娦盘柕碾娐晸Q能器。駐極體傳聲器是一種用駐極體材料制造的新型傳聲器。它具有結構簡單、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應用于語言拾音、聲信號檢測等方面。 駐極體傳聲器內(nèi)部主要包括聲電轉換和阻抗變換兩部分。聲電轉換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉換的關鍵元件是振動膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜，然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷，膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開，這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。當聲音傳入時，振膜隨聲波的運動發(fā)生振動，此時振膜與固定電極間的電容量也隨聲音而發(fā)生變化。從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓信號，如此就完成了聲音轉換為電信號的過程。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率。駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。因而這個電信號輸出阻抗很高，而且很弱。因此，不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而場效應晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點，因此，一般是在傳聲器內(nèi)部接入一只輸入阻抗極高的結型場效應晶體三極管用來放大駐極體電容產(chǎn)生的電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號，實現(xiàn)阻抗變換。 【LM324】1）LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖2。 LM324的特點： 1.短路保護輸出 2.真差動輸入級 3.可單電源工作：3V-32V 4.低偏置電流：最大100nA 5.每封裝含四個運算放大器。 6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?7.共模范圍擴展到負電源 8.行業(yè)標準的引腳排列 9.輸入端具有靜電保護功能【TDA2030A】TDA2030A是德律風根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結構。如圖1所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內(nèi)部保護電路。TDA2030A的電路特點：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。4.開機沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。6.TDA2030A能在最低6V最高22V的電壓下工作在19V、8阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。引腳情況：1.腳是正向輸入端；2.腳是反向輸入端；3.腳是負電源輸入端；4.腳是功率輸出端；5.腳是正電源輸入端。六、電路仿真第一級前置放大電路：輸入最大值5mV,輸出有效值479mV,Au=135;帶通濾波器帶通濾波器的波特圖如下：從波特圖中讀出Au=0.98; fl=300Hz; fh=3000Hz但從輸入輸出正弦波幅值計算Au=479/417=0.87功率放大電路輸入有效值417mV,輸出有效值2.047V,Au=4.8七、實際電路分析【故障的分析】1.沒有輸出波形。第一次在輸入端加入正弦信號時示波器沒有輸出，逐級排查故障，前置放大和帶通濾波器輸出完整正弦波，再接上功率放大部分，信號發(fā)生器和濾波器瞬間自動斷電。推斷功率放大有問題，仔細檢查電路發(fā)現(xiàn)有一處沒有焊接，另有一處錯接電容，改好電路后卻發(fā)現(xiàn)帶通濾波輸出波形異常，用萬用表一個個檢查元件發(fā)現(xiàn)都沒有燒毀，調試滑動變阻器也無濟于事，最后換了運放后，帶通波形正常，才知道是LM324燒壞了。2.功率放大電路出現(xiàn)截止失真。在仿真時，我們在輸入端加的是5mV正弦交流電，仿真結果輸出波形完整，沒有失真。但是在測量實物時，信號發(fā)生器最小只能輸入50mV正弦交流電，示波器顯示輸出為截止波形，然后我們逐級排查故障，前置放大和帶通濾波器輸出都不截止，問題在功率放大部分。我們重新仿真，發(fā)現(xiàn)功率放大部分的輸入電壓最大值不能超過2.1V，否則截止，而濾波后輸出最大電壓值約6.7V。我們調節(jié)了前級放大和功率放大部分的滑動變阻器，減小放大倍數(shù)，成功改善了截止。但是實物測量中發(fā)現(xiàn)TD2030發(fā)燙，再次檢查電路沒有問題，更換新的TD2030后不再發(fā)燙，推斷是故障1發(fā)生時也損壞了功率放大器。【測量結果】1. 前置放大器：Uimax= 50mv , Uomax=9.531v，增益：Av = Uo / Ui=190.622. 帶通濾波器：Uimax=9.426，Uomax=9.531v，增益：Av = Uo / Ui=0.99fH =3098Hz，fL=310Hz， 通頻帶：BW = fH fL=2788Hz3. 功率放大器：最大不失真輸出功率的測量（輸入1KHZ正弦波，調到輸出最大不失真狀態(tài)） Pomax = U2omax / 2RL = /(2*8)=6.45W4. 功率放大器直流輸出電壓和靜態(tài)電流的測量： 輸入對地短路，測量直流輸出電壓=40.50mv將萬用表調至電流檔，量程為100mA，并將表筆串接在12V電源與集成功放的電源端，測量靜態(tài)電流I=13.33mA。*說明：因為在實際調試過程中改動過滑動變阻器組織，調整了放大倍數(shù)，所以實際測得放大倍數(shù)與仿真結果不同。放大效果：我們用mutisim軟件里的麥克和喇叭進行仿真，能聽到理想的聲音放大效果。實物測量時，輸入正弦信號，調信號頻率?？梢郧逦穆牭椒糯筝敵雎曇綦S頻率而改變，形成美妙的音樂，而且聲音干凈，幾乎沒有噪音。直接對麥克說話，喇叭卻不能發(fā)出聲音，對麥克吹氣貨輕敲麥克，喇叭有聲音發(fā)出。用手機播放音樂，將手機緊挨麥克，音樂得到放大，但是存在噪聲。因為實驗時間太緊張，我們沒有來得及研究駐極體麥克的偏置電壓電路，直接將其串接在電路中，沒加偏置電壓是造成不能發(fā)聲的直接原因。八、元件清單。元件清單型號數(shù)量型號數(shù)量電容100nF 3電阻1M1電容0.1uF1電阻100k2電容0.022uF1電阻3.74k3電容 0.01uF 1電阻1k2電容22uF2電阻7.5k1電容220uF2電阻1002電容 220nF 1電阻20k1LM324AD1電阻11TDA20301滑動電阻10k1散熱片1滑動電阻1k1芯片座1單聯(lián)板1駐極體話筒1排針若干喇叭81W1導線若干九、設計過程的體會、創(chuàng)新點以及建議?！靖吆汀颗c上次穩(wěn)壓電源的設計相比較，音頻放大器的設計電路更加復雜，因此設計過程更為艱辛，尤其是在調試過程中出現(xiàn)了很多意想不到的問題，但是我們就是在這樣犯錯、查錯與糾錯的過程中收獲了知識，提高了技能。首先，我們先設計電路，進行仿真，讓我進一步熟悉Multisim軟件的使用。Multisim仿真軟件中的波特圖繪制功能，能幫助我們直觀的看到濾波器的幅度響應，用它來測量通頻帶簡捷方便。我們還用Multisim中的麥克錄音然后經(jīng)設計好的音頻放大電路放大，真實的感受設計成果。通過仿真，能夠幫助我們排除很多錯誤，輕易調試參數(shù)，優(yōu)化設計效果。焊接之前，我們先進行電路規(guī)劃布局，因為我們采用的是拖焊，合理的電路規(guī)劃能讓我們的焊接效果簡潔整齊，也便于后來查找電路錯誤。這次焊接過程中，我們最大的錯誤就是一次完成整個電路的焊接，造成后來的調試過程很麻煩，還因此燒毀了一些元件。我們不應該看到電路仿真結果很理想，就直接焊完整個電路，仿真與實物操作是有差距的，焊接過程中稍有疏忽就會犯錯誤留下隱患，而且一處錯誤還可能會引發(fā)更多的故障。從這次電路焊接過程中，我深刻體會到，今后焊接復雜電路，一定要逐級焊接，逐級檢查電路，確保前級電路正確無誤后再進行下一部分電路的焊接，這樣既便于排查尋找錯誤，也更加安全。此外，我感到自己在電路設計方面所掌握的知識遠遠不夠，對元器件的了解甚少，在電路設計之前沒有廣泛深入的去探究相關知識。例如，因為我們在以往的實驗中的運放一直用的是LM324，這次也不加思索的選擇了LM324，但后來從同學處得知NE5532具有更好的噪聲性能，用作音頻放大時音色溫暖，保真度更高。相比起電路設計與焊接，最糾結的還是電路調試，不僅是知識與技能的考驗，更是態(tài)度與心理的考驗。仿真已經(jīng)確保了電路沒有大問題，故障往往處在一些小的細節(jié)上，我們一定要耐心與細心的檢查電路再能發(fā)現(xiàn)問題。例如帶通濾波器波形異常，我們，先改變滑動變阻器調節(jié)放大倍數(shù)，無濟于事，又用萬用表一個個去檢查帶通部分的元件是否燒毀，花了兩個半小時才發(fā)現(xiàn)是LM324壞了。無論多么麻煩，千萬不要放棄，就一定能找到結局問題的辦法?！緩埥ㄆ肌啃量嗔艘恢軙r間終于完成了語音放大器的板子，經(jīng)過測試波形和各項指標都在誤差允許范圍內(nèi)符合要求。語音放大功能只能放大吹氣和手機鈴聲，說話放大卻效果不好。但是檢查不出什么問題了，我們只能這樣交了。當然實驗過程中并不一帆風順，也是困難重重，遇到了很多問題。但是經(jīng)過我們的認真檢查，反復測試，對元件挨個排查更換，終于完成了實驗。通過這次設計實驗，我的心得主要有：在做實驗前,一定要將課本上的知識吃透,因為這是做實驗的基礎,否則，將使你在做實驗時的難度加大,浪費做實驗的寶貴時間。你要清楚各種電路接法,如果你不清楚,在做實驗時才去摸索,這將使你極大地浪費時間,使你事倍功半.做實驗時,一定要親力親為,務必要將每個步驟,每個細節(jié)弄清楚,弄明白,實驗后,還要復習,思考,這樣,你的印象才深刻,記得才牢固,否則,過后不久你就會忘得一干二凈,這還不如不做.課程知識的主要是偏重于理論的學習，而實驗給了我們自己動手實踐的機會，因此實驗非常重要。剛開始做實驗的時候，由于自己的理論知識基礎不好，在實驗過程遇到了許多的難題，也使我感到理論知識的重要性。但是我并沒有氣壘，在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，自己看書，獨立思考，最終解決問題，從而也就加深我對課本理論知識的理解，達到了“雙贏”的效果。實驗中我學會了各種放大電路的性能的驗證；用Multisim軟件，來仿真一些實際的電學儀器，實驗過程中培養(yǎng)了我在實踐中研究問題，分析問題和解決問題的能力以及培養(yǎng)了良好的工程素質和科學道德，例如團隊精神、交流能力、獨立思考、測試前沿信息的捕獲能力等；提高了自己動手能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的作風，增強創(chuàng)新意識。本學期實驗一共做了多個放大實驗，包括：晶體管共射極單管放大器，負反饋放大器，集成運算放大器指標的測試，通過這些實驗，對各指標的測試，讓我深刻體會到實驗前的理論知識準備，也就是要事前了解將要做的實驗的有關材料，如：實驗要求，實驗內(nèi)容，實驗步驟等的重要性，最重要的是要記錄什么數(shù)據(jù)和怎樣做數(shù)據(jù)處理，等等。雖然做實驗時，老師會講解一下實驗步驟和怎樣記錄數(shù)據(jù)，但是如果自己沒有一些基礎知識，那時是很難做得下去的。在這次實驗中，使模擬電子技術這門課的一些理論知識與實踐相結合，更加深刻了我對模擬電子技術這門課的認識，鞏固了我的理論知識。經(jīng)過這次的測試技術實驗,我個人得到了不少的收獲,一方面加深了我對課本理論的認識,另一方面也提高了實驗操作能力?？傊?，我學到很多東西，加強了我的動手能力，并且培養(yǎng)了我的獨立思考能力。【翟晗】較之上一次設計實驗，語音放大器的電路更為復雜，設計難度更大！但