語音放大電路設計

1、 學號：20115042024 本科課程設計學 院 物理電子工程學院 專 業(yè) 電子信息工程 年 級 2011級 姓 名 李德淮 課程名稱 模擬電子技術基礎 課程設計題目 語音放大器設計 指導教師 馬建忠 成 績 2013 年 6月19日課程設計成績評定書設計題目語音放大器設計姓 名李德淮學號20115042024專業(yè)電子信息工程班級11級電子信息工程本科班指導教師馬建忠聯(lián)系電公地點理科樓604設計任務1 設計并制作一個由集成運算放大器組成的語音放大電路。該電路能識別不同頻率范圍的小信號放大系統(tǒng)；2 前置放大器輸入信號：10mV ，輸入阻抗：100k，共模抑制比：60

2、dB；3 有源帶通濾波器頻率范圍為：300 Hz3.4 KHz；4 功率放大器最大不失真輸出功率:5，負載阻抗:=4；5 輸出功率連續(xù)可調直流輸出電壓50mV 靜態(tài)輸出電流100mA。指導教師評語成 績： 指導教師（簽字）： 201 年 月 日學院意見：學院院長（簽名）： 201 年 月 日目 錄1 課程設計目的12 課程設計內容及要求12.1 設計內容12.2 設計要求23 語音放大電路設計方案33.1 設計思路33.2 工作原理及硬件框圖33.3 硬件電路原理圖74 安裝調試94.1 前置放大電路的調試94.2 有源濾波器的調試94.3 功放的調試94.4 系統(tǒng)調節(jié)測出直流105 性能測試

3、106 設計總結和體會117 實驗器材 12參考文獻12語音放大電路設計1 課程設計目的(1) 掌握集成運算放大器的工作原理及其應用；(2) 掌握低頻小信號放大電路和功放電路的設計方法；(3) 了解語音識別知識；(4) 掌握有源濾波器的參數(shù)計算及其設計方法。2 課程設計內容及要求2.1 設計內容設計一個語音放大電路，該電路由三部分組成，分別為前置放大電路、濾波電路和功率放大電路。前置放大電路即為測量小信號放大電路，它的作用是不失真的放大語音信號，可以由兩部分組成：一部分是語音輸入級，另一部分是電壓放大電路。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，在典型情

4、況下，有用信號的最大幅度可能僅有若干毫伏，而共模噪聲可能高到幾伏，故放大器輸入漂移和噪聲等到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。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。所以要還要用到濾波電路。濾波電路是用有源器件與RC網(wǎng)絡組成的濾波電路。需要讓一定頻率段的信號通過，而阻止不需要的信號段。這個頻率段就是電路的帶寬BW。功率放大電路主要作用的向負載提供足夠大的功率，要求輸出功率盡可能高，即給負載RL（揚聲器）提供一定的輸出功率，而效率盡可

5、能高。集成功放基本都工作在接近乙類（B類）的甲乙類（AB類）狀態(tài)，靜態(tài)電流大都工作在10-50mA以內，因此靜態(tài)功耗很小，但動態(tài)功耗很大，且隨輸出信號的大小而變化。2.2 設計要求 （1）前置放大電路因為在通常情況下有用的輸入信號很小，又要使放大器本身的共模抑制特性較好，精度較高，所以要求輸入信號： 10mV, 輸入阻抗： 100K共模抑制比： 60dB. (2) 濾波電路人耳能聽到的聲音頻率范圍為20HZ20kHZ,而一般語音范圍位于300HZ3.4KHZ之間。所以有源帶通濾波電路的帶通范圍為300HZ 3.4KHZ。 (3) 功率放大電路負載阻抗（即揚聲器的阻抗）RL=4 輸出功率 5W電

6、源電壓：V = +12V(4）輸出功率連續(xù)可調(輸入短路時)直流輸出電壓50mV靜態(tài)電源電流100mA3 語音放大電路設計方案3.1 設計思路因為語音放大電路要求不僅能放大聲音而且還要大大降低噪聲的干擾，所以由語音信息輸入、前置放大電路、濾波電路、功率放大電路四部分組成?？梢园押笕糠址謩e設計完成，仿真成功后連接在一起，整體電路仿真符合要求，則整體設計完成。電路的原理框圖如下：信號輸入前置放大器有源帯通濾波器功率放大器輸出圖1 放大電路工作原理圖3.2 工作原理及硬件框圖3.2.1 語音信息輸入話筒是一種常用的語音輸入設備，它能將人的聲音轉化成微小的電壓信號輸出，其峰值最大為幾十毫伏。3.2.

7、2 前置放大器用兩個同相放大電路的簡單串聯(lián)組合進行設計。如圖2，它也稱為同相串聯(lián)差分放大電路。差分輸入信號從兩個放大器的同相端輸入，可以有效的消除兩輸入端的共模分量，獲得很高的共模抑制比和極高的輸入電組，這種電路常用作高輸入電阻的儀用放大電路。圖2 前置放大電路電路工作原理是：交流信號自同相端B點輸入，輸出信號經(jīng)反饋至A點。則反饋電壓為： (1)因為放大器的電壓增益，故： (2) 由式（1）（2）可得反饋電壓與輸入電壓相等，因此，電阻兩端的電位相等，且相位相同，稱為自舉電阻。流經(jīng)的電流可視為零，從而大大提高了交流放大器的輸入電阻。輸入電阻： （3）式中，F(xiàn)為反饋系數(shù): （4）按照圖2中所示的電

8、路參數(shù)，由式（3）可得輸入電阻: （5）前置放大電路電壓放大倍數(shù)為： （6）對于前置放大電路的設置，對于輸出阻抗較高的話筒，語音輸入級的放大電路可以采用上述的自舉式同相交流電壓放大器，其電路如圖2 所示。但是對于其集成芯片LM324也可以換成,其采用雙電源供電，其運放的增益帶寬積雖然不高，但這里電壓增益不高，故能達到語音放大的電路頻響要求。3.2.3 有源帶通濾波器（BPF）有源濾波電路是用有源器件與RC網(wǎng)絡組成的濾 波電路。這里需要有源帶通濾波電路。有源濾波器同無源濾波器比較，處理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振。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

9、，把相同元件壓空電壓源濾波器的LPF和HPF串接起來可以實現(xiàn)Butterworth通帶響應，如圖3所示。用該方法構成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調整，因此多用作測量信號噪聲比的音頻帶通濾波器。采用圖3所示的濾波器，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信號，整個通帶增益為8dB，運放放大器為LM324.有源帶通濾波器電路圖如下： 圖3 有源帶通濾波器示意圖 帶通濾波器A1的放大倍數(shù)計算： （7） （8）則帶通濾波器的放大倍數(shù)為： （9）對于濾波器這一級，用大家所熟悉的RC橋式振蕩電路也是一個選擇性很好的有源帶通濾波器電路。該電路在滿足R1=R2=R,C1=C2=C的條件下，Q值與

10、中心頻率分別為： （10）在這里我們采用如圖3 所示的有源帶通濾波器，其中A1、A2為LM324。3.2.4 功率放大電路功率放大電路的電路形式很多，有雙電源供電的OCL互補對稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽功放電路和變壓器耦合功放電路等。 TDA200X系列，包括TDA2003、TDA2002為單片集成功放器件。其性能優(yōu)良，功能齊全，并附加有各種保護，消噪聲電路，外接元件大大減小，僅有五個引出端，易于安裝，因此也稱為五端集成功放。 圖4 LM386功率放大電路 功率參數(shù)測試： （11） （12） （13） （14）在使用集成芯片構成集成功放的電路時，也可以用TDA200

11、3。TDA2003位單片機成功放器件，有5個引出端，外接少量元件就可以構成運放電路其輸出功率為1035W(與供電電源的大小和電路的形式有關)，并附加有各種保護、消噪聲電路。在這里采用LM386。 在使用集成功率放大器時，應注意以下幾點：（1）均應安裝適當?shù)纳崞?。?）必須在電源引腳旁加去偶電容，以防自激。（3）為防止功率放大電路對前級的影響，功放級的電源要單獨連接。（4）注意觀察穩(wěn)壓電源上電流表的指示，若電流過大，應關閉電源，檢查電路。（5）為防止功放電路對前級的影響，功放級的電源線要單獨連接，接線不要交叉，并盡可能短。3.3 硬件電路原理圖用Multisim軟件繪制整體原理圖，并進行仿真。

12、下圖為真?zhèn)€語音放大電路的仿真圖：分別由前置放大電路，有源帶通濾波器，功率放大電路等三部分組成。圖中的A1、A2為集成芯片LM324，在端輸入的是語音信號。在圖5 中，使用面包板搭建的仿真實驗電路。圖5 整體電路連接圖圖5為前置放大電路的仿真輸入、輸出波形，示波器A端與圖5中的相連接，示波器B端與第一級前置放大電路的輸出端變相連接相連接。輸入電壓為20mV,頻率為100HZ。 如圖6所示（輸入為20mV/Div，輸出為100mv/Div）。.圖6 前置電路的仿真圖7為帶通濾波電路的仿真輸入、輸出波形，示波器A端與圖(5)前置放大電路的輸出端相連接，示波器B端與帶通濾波電路的輸出（即1號線）相連接

13、。輸入電壓為80mvV頻率為1000Hz。 如圖7所示（輸入為100mV/Div，輸出為10mV/Div）。圖7 濾波電路的仿真 圖8 為前兩級電路的仿真輸入、輸出波形，示波器A端與圖5中相連接，示波器B端與圖5中負載（4）的左端相連接。輸入電壓為8mV, 頻率為4000HZ。此時在負載的輸出端幾乎沒有輸出信號，由此可看出在此頻率下，信號無法輸出。圖8 前兩級仿真效果結果圖 圖9 面包板實驗電路4 安裝調試4.1 前置放大電路的調試安裝由左到右，前一部分以LM324為中心，后部分以LM386為中心。通電前認真檢查，確定無誤后，才可調試與測試。靜態(tài)調試：調零和消除自激振蕩。動態(tài)調試：在語音信號輸

14、入端輸入電壓（輸入正弦電壓、幅值和頻率自選），測量輸出電壓，觀測與記錄輸出電壓與輸入電壓的波形。計算出其電壓放大倍數(shù)。4.2 有源濾波器的調試靜態(tài)調試：調零和消除自激振蕩。動態(tài)調試：在有源帶通濾波器的輸入端輸入電壓（輸入正弦電壓、幅值和頻率自選），測量輸出電壓，觀測與記錄輸出電壓與輸入電壓的波形。計算出其電壓放大倍數(shù)。4.3 功放的調試靜態(tài)調試：集成輸入對地短路，觀察輸出有無振蕩，如有振蕩，采取消除振蕩措施消除振蕩。功率參數(shù)測試：注意：測試應在輸出信號不失真的條件下進行，因此測試過程必須用示波器監(jiān)視輸出信號。（1）測量最大輸出功率.輸入f=1000Hz的正弦輸入信號，并逐漸加大輸入電壓幅度，直

15、至輸出電壓的波形出現(xiàn)臨界削波時，此時負載兩端的電壓的最大值,則其輸出功率為(9)（2）測量電源供給的平均功率.近似認為電源供給整個電路的功率即為，所以在測試同時，只要在供電回路傳入一直直流電流表提供的平均電流,即可求出，則其平均功率為8（3）計算效率如式104.4 系統(tǒng)調節(jié)測出直流經(jīng)過以上對各級放大電路的局部調試之后，可以逐步擴大到整個系統(tǒng)的聯(lián)調。（1）令輸入信號=0，測量輸出的直流輸出電壓。（2）輸入=1kHz的正弦信號，改變幅值，用示波器觀察輸出電壓波形的變化情況，記錄輸出電壓最大不失真幅度所對應的輸入電壓的變化范圍。（3）輸入為一定值的正弦信號，改變輸入信號的頻率，觀察的幅值變化情況，記

16、錄下降到0.707之內的頻率變化范圍，即為有源濾波器的帶寬BW。（4）計算總的電壓放大倍數(shù)。5 性能測試前置放大電路放大倍數(shù)的計算,濾波器放大倍數(shù)的計算=0.996mv、=9.40v、=9.91v所以前置放大器的放大倍數(shù) 濾波器的放大倍數(shù)為： 帶通濾波器通頻帶的測試： =3.18KHz , =3.80KHz濾波器的帶寬： BW=-=620Hz理論計算值：=10 =1.35 BW=620Hz理論值與實際值比較:表 1真實值與實際值的比較前置放大器的Av濾波器的Av濾波器的帶寬BW測試值9.4381.05620理論值101.351300 我們可以從表中可知： 測試值與理論值存在著一定的誤差，引起誤

17、差的原因有很多：（1）系統(tǒng)誤差，有實驗儀器自身引起的誤差；（2）讀數(shù)誤差，由于讀數(shù)時的估讀引起的誤差；（3）由于連接線路時所部的局不好，造成的實驗誤差；（4）由于儀器在工作時溫度隨時間的變化而內阻也隨著變化，造成的系統(tǒng)誤差；（5）由于人為的操作失誤造成的系統(tǒng)誤差。6 設計總結和體會（1）正所謂“夸夸其談終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W習任何知識，僅從理論上去求知，而不去實際、探索是不夠的，所以在本學期暨模電、數(shù)電剛學完之際，緊接著來一次電子電路課程設計是很及時、很必要的。這樣不僅能加深我們對電子電路的認知，而且還及時、真正的做到了學以至用。（2）這兩周的課程設計，雖然些許累，但我們充實而快樂。三人

18、一組，首先是合作。明確的分工是做好這次實驗的基礎，然后我們要分工找查資料，文獻去輔助我們的課程設計。接著是在面包板上搭建元器件和線路，由于之前沒做過，導致我們的布局線路不美觀。以及交錯，可能引起自激等效果影響實驗。調試階段，有過元器件損壞等情況。小組討論以及在馬老師的指導下，總算是最后達到了我們計劃的設計。（3）此次的語音放大器實驗中，我學會了很多的東西。真的，它不僅僅只是一次簡單的模電實驗，它從各方面提高了我的素質、知識和動手能力。 此次實驗因為時間比較緊張，加上有考試，所以沒有太多的精力去投入，我想，假如給我們更多的時間，我們相信會弄的更好。（4）前置放大電路，由于電路過于簡單，不能對電路的整體增益進行合理的調節(jié)，而且反饋電路中沒有電容，不能控制由于由于電路過于簡單，不能對電路的整體增益進行合理的調節(jié)，而且反饋電路中沒有電容，使得電壓穩(wěn)定性不好，而且進入濾波電路的直流分量過大，引起噪聲過大。（5）但是反饋電路中沒有電容，不能控制溫度漂移，兩個8.2K的電阻應該換成較大的滑動變阻器，便于調節(jié)電路中的電流。7 實驗器材表 2 實驗器材型號數(shù)量型號數(shù)量LM3862LM3241A