語(yǔ)音放大電路模電課程設(shè)計(jì)

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）語(yǔ)音放大電路院（系）名稱專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師起止時(shí) 間： 2016.7.4 2016.7.154纟乂診殳尊本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 在電子電路中，輸入信號(hào)常常受各種因素的影響而含有一些不必要的干擾， 或者輸入信號(hào)是不同頻率信號(hào)混合在一起的信號(hào)，對(duì)前者應(yīng)設(shè)法將不必要的成份 衰減到足夠小，而后者應(yīng)設(shè)法將需要的信號(hào)提取出來(lái)。而且隨著社會(huì)的發(fā)展，在 我們的日常生活中也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題：如在檢修各種機(jī)器設(shè)備的時(shí)候， 我們要根據(jù)故障設(shè)備的異常聲來(lái)尋找故障，這種異常的聲響的頻譜覆蓋面往往很 廣，這時(shí)我們需要一種語(yǔ)音放大電路來(lái)解決以上問(wèn)題。本次設(shè)計(jì)一種語(yǔ)音放大電路，

2、是基于集成功率放大器TDA2030基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的具有語(yǔ)音放大功能的語(yǔ)音放大電路。主要實(shí)現(xiàn)將有用信號(hào)放大，抑制干擾信號(hào) 的功能，實(shí)際上就是一個(gè)能識(shí)別不同頻率的小信號(hào)放大系統(tǒng)。 它由前置放大電路、 有源帶通濾波器和功率放大器組成。能放大由人發(fā)出的300Hz-3kHz頻率段的音頻信號(hào)。由于聲波在傳播中會(huì)產(chǎn)生反射、折射和干涉等現(xiàn)象，所以到達(dá)話筒的信 號(hào)比人從聲帶中發(fā)出來(lái)的聲音要小。由于聲音在空氣中傳播產(chǎn)生諧波失真，諧波 失真是指聲音回放中增加了原信號(hào)沒(méi)有的高次諧波成分而導(dǎo)致的失真，則要在語(yǔ) 音放大器中設(shè)計(jì)濾波器，提高輸出信號(hào)的高保真性能。本系統(tǒng)采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。在保證功能的前提下

3、控制器件 成本。采用單面印制電路板對(duì)整體電路進(jìn)行合理的布線，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。各 輸出信號(hào)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求且穩(wěn)定工作。關(guān)鍵詞：前置放大；帶通濾波；功率放大器目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第1章緒論1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.1語(yǔ)音放大電路的發(fā)展概況 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2本文研究?jī)?nèi)容1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第2章語(yǔ)音

4、放大電路總體設(shè)計(jì)方案 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 語(yǔ)音放大電路設(shè)計(jì)方案論證 2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第3章語(yǔ)音放大電路設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 3.1語(yǔ)音放大電路設(shè)計(jì) 4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.1.1前置放大電路設(shè)計(jì) 43.1

5、.2有源帶通濾波電路設(shè)計(jì) 43.1.3功率放大電路設(shè)計(jì) 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.2元器件型號(hào)選擇6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.3參數(shù)計(jì)算6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.4語(yǔ)音放大電路總體電路圖 7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第4章 語(yǔ)音放大電路仿真與調(diào)試 8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document Mult

6、isim 仿真與調(diào)試 8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.2仿真結(jié)果分析11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 第5章語(yǔ)音放大電路實(shí)物制作 12 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 5.1語(yǔ)音放大電路焊接 12 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 5.2語(yǔ)音放大電路作品13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第6章作品測(cè)試與數(shù)據(jù)分析 14 HYP

7、ERLINK l bookmark44 o Current Document 第7章總結(jié)15 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 參考文獻(xiàn)16附錄I17附錄II18本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 第1章緒論1.1語(yǔ)音放大電路的發(fā)展概況進(jìn)入21世紀(jì)以后，各種便攜式的電子設(shè)備成為了電子設(shè)備的一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。 從作為通信工具的手機(jī)，到作為娛樂(lè)設(shè)備的MP3播放器，已經(jīng)成為差不多人人具備的便攜式電子設(shè)備。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機(jī)，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設(shè)備的一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個(gè)音頻放大器；。 都希望能夠有較長(zhǎng)的

8、使用壽命。它的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到 最高的效率。高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設(shè)備中需要，在大功率的電子設(shè)備中也需要。因?yàn)?，功率越大，效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善，高保真音響設(shè)備逐 漸開(kāi)始興起。在這些設(shè)備中，往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時(shí)，低失真、 高效率的語(yǔ)音放大器就成為其中的關(guān)鍵部件。1.2本文研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容為設(shè)計(jì)一款既能放大語(yǔ)音信號(hào)又能降低外來(lái)噪聲的儀器。能識(shí)別不同頻率范圍的小信號(hào)放大系統(tǒng)。使用集成運(yùn)放的放大功能將其放大成比較大的電壓信號(hào)， 以作為后一級(jí)的輸入信號(hào)電壓，保證后級(jí)電路的正常工作。前置放大級(jí)輸出的放大了的 電壓信號(hào)作為

9、功率放大級(jí)的輸入信號(hào)，經(jīng)此級(jí)電路之后得到的輸出應(yīng)具有較高的功率， 能驅(qū)動(dòng)本實(shí)驗(yàn)中的負(fù)載一一4Q/5W的喇叭，將從輸入級(jí)輸入的聲音信號(hào)不失真地進(jìn)行 放大。技術(shù)要求：1、采用全部或部分分立元件設(shè)計(jì)一種語(yǔ)音放大電路。2、額定輸出功率Po 5W。3、負(fù)載阻抗Rl =41。4、頻率響應(yīng) 300Hz-3KHz。5、利用Multisim （或EWB ）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。第2章語(yǔ)音放大電路總體設(shè)計(jì)方案2.1語(yǔ)音放大電路設(shè)計(jì)方案論證（1）前置放大器方案1：同相放大器：采用兩個(gè)同相放大電路的簡(jiǎn)單串聯(lián)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。差分輸入 信號(hào)從兩個(gè)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

10、高的輸入電阻。方案2:利用遲滯比較器單元和充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分器構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) 鋸齒波的產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)節(jié)積分器充放電時(shí)間常數(shù)的差值來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波和方波的頻率，通 過(guò)對(duì)遲滯比較器反饋電阻的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)遲滯比較器的門限電壓的調(diào)節(jié)進(jìn)而調(diào)節(jié)鋸齒波 的電壓幅值，通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)方波電壓幅值。比較兩種設(shè)計(jì)方案，與方案1相比，方案2用運(yùn)算放大器組成遲滯比較器就能滿足 鋸齒波電路在1kHz以下的頻率區(qū)間工作的性能要求。其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、可靠性更高、 制作成本低廉、調(diào)試更加方便。所以選擇方案 2。（2）有源帶通濾波電路方案1:單運(yùn)放有源濾波電路：這種濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi) 的信號(hào)通過(guò)，而

11、比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。典型的 帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)改成高通而成。方案2:寬帶帶通濾波器：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串接起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)通帶響應(yīng)。比較兩種設(shè)計(jì)方案，與方案1相比，方案2構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截 止頻率易于調(diào)整，因此多用做測(cè)量信號(hào)噪聲比的音頻帶通濾波器。我要設(shè)計(jì)的語(yǔ)音放大 電路是需要有源帶通濾波器。因此可以參考二階有源低通濾波器（LPF）或二階有源高通濾波器（HPF）電路來(lái)設(shè)計(jì)。因此選擇方案 2。（3）功率放大器電路方案1:芯片LM301

12、組成功率放大器電路，LM301的外形和引腳的排列如圖 2.1 所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電 源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳 7和地之間接旁路電容，通常取 10 卩 F o圖2.1芯片LM301組成功率放大器電路方案2:利用芯片TDA2030電路進(jìn)行功率放大，由前級(jí)輸入的信號(hào)通過(guò)電容進(jìn)入 第三級(jí)功放中起到了一定的濾直流的作用。安裝的電位器可以調(diào)節(jié)增益，兩個(gè)二極管起 到保護(hù)芯片的作用，電阻和電容可以防止自激。比較兩種設(shè)計(jì)方案，方案1 LM301當(dāng)R開(kāi)路時(shí)增益最小，R短路時(shí)增益最大。在 調(diào)節(jié)時(shí)，LM301很容易燒壞。方案2可以做到保護(hù)

13、電路的作用，故采取方案 2。2.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析如圖2.2所示，語(yǔ)音放大電路由前置放大電路，有源帶通濾波電路和功率放大電路 三部分組成。由輸出的語(yǔ)音信號(hào)作為電路的輸入信號(hào)，由前置放大電路將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行 放大，再由濾波電路濾除小于30Hz大于3KHz的語(yǔ)音信號(hào)，最后由功率放大電路進(jìn)行功 率放大。語(yǔ)音信號(hào)前置放大帶通濾波功率放大圖2.2總體設(shè)計(jì)方框圖第3章語(yǔ)音放大電路設(shè)計(jì)3.1語(yǔ)音放大電路設(shè)計(jì)3.1.1前置放大電路設(shè)計(jì)如圖3.1所示，前置放大電路由2個(gè)同向放大電路組成。該電路具有輸入阻抗高, 電壓增益容易調(diào)節(jié)，輸出不包含共模信號(hào)，提高輸入電阻和共模抑制比性能，減小輸出 噪聲等優(yōu)點(diǎn)，本電路主

14、要起放大電壓幅度的作用。為盡量保證不失真放大，采用兩級(jí)運(yùn)放電路。圖3.1前置放大電路原理圖3.1.2有源帶通濾波電路設(shè)計(jì)由有源器件和RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器稱為有源濾波器。按照濾波器工作頻帶的不 同，可分為低通、高通、帶通和帶阻四種濾波器。根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)，語(yǔ)音濾波器應(yīng) 該是一個(gè)二階有源帶通濾波器，其頻率范圍應(yīng)在300 Hz3 kHz之間。寬帶通濾波器， 在滿足LPF的通帶截止頻率高于HPF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(lái)可以實(shí)現(xiàn)Butterworth通帶響應(yīng)。用該方法構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較 寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用于測(cè)量信號(hào)噪聲比的音頻帶通濾波器。如圖3

15、.2所示。圖3.2有源濾波電路圖3.1.3功率放大電路設(shè)計(jì)如圖3.3所示，功率放大電路可以由分立元件組成，也可由線性集成功率放大器組 成。集成功率放大器克服了晶體管分立元件功率放大器的諸多缺點(diǎn)，其性能優(yōu)良，穩(wěn)定 可靠。功率放大電路主要起放大電流的作用。其中TDA2030為集成功放器件，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。XSC1圖3.3功率放大電路圖3.2元器件型號(hào)選擇在前置放大電路部分，運(yùn)算放大器使用LM324。通過(guò)第二級(jí)放大電路中的電位器來(lái) 調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)。這個(gè)電路非常簡(jiǎn)單，而且原理清晰。通過(guò)仿真可知，輸出很完整，基 本上沒(méi)有噪聲。在帶通濾波部分，使用LM324，當(dāng)?shù)?/p>

16、通濾波器的截止頻率大于高通濾波 器的截止頻率時(shí)，將二階低通濾波器和二階高通濾波器串聯(lián)，就可得到通帶較寬的二階 帶通濾波器。功率方大部分采用 TDA2030集成功率放大器，TDA2030是TDA2002的 改進(jìn)型，其輸出功率更大，電路特點(diǎn)及內(nèi)設(shè)的各保護(hù)電路與TDA2002相同。它適用于收音機(jī)及其它設(shè)備中作音頻放大。3.3參數(shù)計(jì)算前置放大電路使用運(yùn)算放大器 LM324 o通過(guò)第二級(jí)放大電路中的電位器來(lái)調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)。這個(gè)電路非常簡(jiǎn)單，而且原理清晰。通過(guò)仿真可知，輸出很完整沒(méi)有噪聲。在第一級(jí)放大電路中：在第二級(jí)放大電路中：所以總的放大倍數(shù)為：帶通濾波電路，高通部分:Au1 =1 + 密=1 R1+

17、10 q 10Rw1Au2=1 +q1100R4Aui = Aui XAu2 Q 101000令 Ci = C2 = 0.1 F2加Ri = R2 乂 = 3.7K Q22WnR2 = 2Ri = 7.4KQRbAu = 1 += 1RiRb _ cRa =Rb = 10 QRa = 1K Q3.4語(yǔ)音放大電路總體電路圖語(yǔ)音放大器是一個(gè)典型的多級(jí)放大器，如圖 3.4所示，前置放大電路主要完成對(duì)小 信號(hào)的放大，一般要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，頻帶要求要寬，噪聲要小。有源濾波 器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)高低音的調(diào)整。功率放大級(jí)主要決定了輸出功率的大小，非線性 失真系數(shù)等指標(biāo)，要求效率高，失真盡可能小，輸

18、出功率高。圖3.4語(yǔ)音放大電路總體電路圖第4章語(yǔ)音放大電路仿真與調(diào)試4.1 Multisim仿真與調(diào)試應(yīng)用Multisim 12.0仿真軟件對(duì)各部分電路進(jìn)行仿真測(cè)試，便于在電路實(shí)物制作之前 及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，改正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、調(diào)試電路。利用仿真軟件對(duì)前置放大電路進(jìn)行仿真。 如圖4.1所示，在其輸入端加上1kHz，幅 度10mV的正弦波，在示波器上可觀察到，輸出電壓為幅度為 6V。由此可知Au=600。 輸出波形基本完整。由于加入了可調(diào)元件，該增益將會(huì)在后續(xù)調(diào)試中發(fā)生變化。T反向傑存交流直謊1E常自動(dòng)I5 Wiv普通函數(shù)發(fā)生器-XFG1無(wú)夕隔撥500 us/DiwB信號(hào)塚頁(yè)占空比：偏昂邊沿:因聖囚B

19、3R孩腰：t抽儻移稻）二o時(shí)基標(biāo)虞X軸位移格）：0圖4.1前置放大電路仿真結(jié)果1kHa50%10nVpQ設(shè)置上升你降時(shí)問(wèn)IB時(shí)間通禎if-S1 ms0-501 rnsi t2tiaooos0.000 V通道AY軸儉移（格）：0利用仿真軟件對(duì)帶通濾波電路進(jìn)行仿真。如圖 4.2所示，在輸入端輸入5V，1KHz 的正弦波。示波器上得到兩條正弦波，一條為輸入端輸入的電壓為 5V的正弦波，另一 條為輸出端所得到電壓約為5V的正弦波，所得到U。與Ui近似相等為5V則有Auf約等于 1，故滿足要求。7J71 皮器-K5C15 Y伽L畑50%5Vp0VG1H通S106 660 ms-5.071VIMGGOms

20、-5,071V0.000 s0.000 Vo.aoov通道E時(shí)基通頑A棕圜soa us伽w：5 V/DivX軸位移（格）I o軸位移舲）：o1訶潮|晞II “丨T|se 女潮而I直蔬-T1 一 口囹圍 T2-T1Eli S bExt0V正常自麗無(wú)J：邊沿:圖4.2帶通濾波電路仿真結(jié)果如圖4.3所示對(duì)功率放大電路進(jìn)行電路仿真。在輸入端輸入電壓為5mv頻率為1kHz 的正弦波，依次調(diào)節(jié)電路中的電位器，使波形最大不失真，可得輸出兩條正弦波形，一 條為輸入端正弦波，電壓為5mv。另一條為輸出端正弦波電壓約為100mv,所以由公式 計(jì)算得出Auf -20，而且輸出波形完整、不失真滿足電路所需要求。而且此

21、部分電路加 入了多個(gè)可調(diào)點(diǎn)，因此以上數(shù)據(jù)在后續(xù)調(diào)試中也將變化?？潭龋?w/Div刻虞:50刖口邊沿：a B Ext丫軸位移（格）：| Y軸僮移搐）二0水平：|0V圖4.3功率放大仿真結(jié)果整體電路圖仿真如圖4.5所示，在輸入端輸入5mv, 1kHz的正弦波，如圖4.4所示。 調(diào)節(jié)電路使得輸出電壓為5v。此時(shí)輸出功率約為6.2W，所以滿足要求。圖4.4輸入正弦波圖4.5整體電路仿真結(jié)果4.2仿真結(jié)果分析根據(jù)仿真結(jié)果前置放大電路的輸入為 10mV輸出6V，增益可調(diào)滿足為集成運(yùn)算放 大器供電的要求。根據(jù)仿真結(jié)果帶通濾波的輸入、輸出電壓基本相等增益近似等于1，波形輸出穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。一般的性能需求是指

22、互相消息傳遞順利，協(xié)議分析正確，運(yùn)行時(shí)間滿足使用需要， 安全性得到完全保證。第5章語(yǔ)音放大電路實(shí)物制作5.1語(yǔ)音放大電路焊接具體電路的布線與焊接，為了防止電路分布參數(shù)影響工作狀態(tài)產(chǎn)生誤差，應(yīng)該盡量 避免飛線，盡量縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度。為了保證焊接的質(zhì)量，焊接元件時(shí)一定要先固定一個(gè)引 腳，然后調(diào)整元件的位置及高低至合適后，再焊另一個(gè)引腳。焊接蜂鳴器和電解電容時(shí) 一定要看準(zhǔn)極性，以免不能正常工作。語(yǔ)音放大電路實(shí)物布線圖如圖 5.1所示。圖5.1語(yǔ)音放大電路焊接布線圖5.2語(yǔ)音放大電路作品圖5.2語(yǔ)音放大電路實(shí)物圖第6章作品測(cè)試與數(shù)據(jù)分析安裝由左到右，前一部分以LM324為中心，后部分以TDA2030為中心

23、。通電前認(rèn) 真檢查，確定無(wú)誤后，才可調(diào)試與測(cè)試。靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激振蕩。動(dòng)態(tài)調(diào)試：（1）在兩輸入端加差模輸入電壓，測(cè)量輸出電壓，觀測(cè)與記錄輸出電壓與輸入電 壓的波形，算出差模放大倍數(shù)。（2）在兩輸出端加共模輸入電壓，測(cè)量輸入電壓，算出共模放大倍數(shù)。（3）算出共模抑制比。（4）用逐點(diǎn)法測(cè)量幅頻特性，并作出幅頻特性曲線，求出上、下限截止頻率。（5）測(cè)量差模輸入電阻。圖6. 1測(cè)試結(jié)果圖第7章總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)的題目是語(yǔ)音放大電路。語(yǔ)音放大器電路是對(duì)較弱的音頻信號(hào)進(jìn)行 篩選放大，最后輸出的電路結(jié)構(gòu)。由于是對(duì)音頻信號(hào)的放大，因此在電路中對(duì)噪聲的避 免，是比較重要的，抗干擾能力的強(qiáng)弱決定了設(shè)計(jì)的成敗

24、。此產(chǎn)品用三級(jí)電路組合，通 過(guò)層層濾波，放大，選用高性能低噪的器件，能有效減少失真，增大輸出功率。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是能在一定頻段實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音放大的電路，該電路由前置放大、有源帶通濾波以及功率放大三個(gè)單元組成，由于信號(hào)源提供的信號(hào)非常微弱，故一般在音調(diào)放大級(jí)前加一級(jí)前置放大級(jí)。在測(cè)量用的放大電路中，一般傳感器送來(lái)的直流或低 頻信號(hào)，經(jīng)放大后多以單端方式傳輸。典型情況下，信號(hào)的最大幅度可能僅有若干毫伏， 共模噪聲可能高達(dá)幾伏。放大器輸入漂移和噪聲等因素對(duì)于總的精度至關(guān)重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問(wèn)題。因此前置放大電路應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、 高共模抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路。有源濾波電路是用有源器件與 RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路，其種類有低通濾波器、高 通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器，本實(shí)驗(yàn)著重討論典型的二階有源帶通濾波器。功 率放大的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換功率盡可能高，非 線性失真盡可能小。本設(shè)計(jì)通過(guò)方案比較選出如下方案，前置放大電路采用兩個(gè)同相放大電路的簡(jiǎn)單 串聯(lián)組合，濾波器采用常用帶通濾波器，功率放大電路運(yùn)用了 TDA2030。通過(guò)Multisim 仿真軟