音調控制電路與集成擴音電路設計報告

1、科研/科技實踐設計報告 題目：音調控制電路與集成擴音電路 校 名： 福州大學至誠學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 09級1班 姓 名： 學 號： 210992044 指導教師： 陳建國 目錄一、實驗目的.1二、元器件清單1三、實驗要求2四、設計任務分析.2五、方案論證2六、設計總原理圖和實物圖.6七、數(shù)據(jù)整理.7八、心得體會.7一、實驗目的1、 掌握電路的工作原理和設計方法；2、 熟悉集成功放的基本特點；3、 學習音調控制電路與集成擴音電路的測試方法和分析。二、元器件清單 元器件名稱備注直流穩(wěn)壓電源晶體管毫伏表雙蹤示波器數(shù)字頻率計電烙鐵松香錫條LM324一片LA4102一片電位器4

2、70K 2個10K 1個電阻8 1個200 1個1K 1個10K 5個13K 1個47K 3個68K 1個極性電容10uF 2個33 uF 1個100 uF 2個220 uF 2個470 uF 1個無極性電容0.01 uF 2個0.15 uF 1個51pF 1個510 pF 1個560 pF 1個三、實驗要求 設計一個對話筒輸出型號具有放大能力的擴音電路。設計要求：功率P01W;負載阻抗RL=8；在通頻帶內滿功率情況下非線性失真系數(shù)THD3%；具有音調控制功能?？捎脙芍浑娢黄鞣謩e調節(jié)高音和低音。當輸入信號為1KHz時輸出為0dB；當輸入信號為100Hz正弦波時，調節(jié)低音電位器可使輸出功率變化&

3、#177;12dB；當輸入信號 為10KHz調節(jié)高音電位器可使輸出功率變化±12dB；輸出功率大小連續(xù)可調，即用電位器可調音量大?。活l率響應（flfh）為40Hz10KHz輸入信號源為低阻話筒（20），輸出電壓為5mV；輸入阻抗Rl20K。四、設計任務分析音調控制電路話筒放大器功率放大 五、方案論證確定整機電路級數(shù)，分配各級電壓增益。話筒輸入信號較弱，根據(jù)設計任務，輸入信號為5mV時，輸出功率最大值為1w。因此，電力系統(tǒng)總電壓增益AU=(P_0 R_L )/U_i=556（55dB）。由于時間電路中會有損耗，應留有余量，故取AU=600（55.6dB）。下面進行增益分配：音量控制級在

4、f=1kHz時，增益為1（0dB）,但實際電路有可能衰減，取AU2=0.8（-2dB）。集成功效電路增益應較大，取AU3=100（40dB）。話筒方法級，采用集成運放電路構成。增益為 AU1=AU/AU3AU2=7.5（17.5dB） （2）電路論證分析 1）功率放大電路 常用 音頻集成功放有LA4100系列、TDA2030、SF404等。本次采用LA4102，其典型輸出功率為1.4w，閉環(huán)增益問45dB，P_0=250mW時,THD=0.5，可滿足其要求。 2) 音調控制器 音調控制器是控制、調節(jié)音響放大器輸出頻率高低的電路，其控制曲線如下圖：圖中 f_0=1KHz為中音頻率，要求增益AU0

5、=0dB；f_L為低音轉折頻率，一般為幾十赫茲； f_L2=10fL1為中音轉折頻率；fH1為中音轉折頻率f_H2=10f_H1為高音頻轉折頻率，一般為幾十千赫茲。從圖可見，音調控制器只對低或高音頻進行提升火衰減，中音頻增益保持不變，音調控制器用低通濾波器和高通濾波器共同組成。采用集成運放構成音調控制器設C1=C2C3，在中低音頻區(qū)，C3可視為開路，在高音音頻區(qū)，C1 C2 可視為短路。當ffo時，音調控制器低頻等效電路如圖所示，其中圖所示為Rrp1的滑壁最左端，對應于低音頻提升最大的情況圖所示為Rrp1的滑壁在最右端，對應于低頻衰減最大的情況。圖實質上是一個一介有源低通濾波器，七頻率特性為A

6、 =(U_0 ) /(U_1 ) =-(R_RP1+R_2)/R_1 *(1+jww_2 )/(1+jww_1 )w_1=1/(R_RP1 C_2 )或f_L1=1/(2R_RP1 C_2 ) （5.2.7）w_2=(R_RP1+R_2)/(R_RP1 R_2 C_2 )或f_L2=(R_RP1+R_2)/(2R_RP1 R_2 C_2 ) （5.2.8）F<fl1是，C2可視為開路，運放的反相輸入端為虛地，因運放輸入電流i=0，R4影響可忽略，此時電壓增益為 A_UL=(R_RP1+R_2)/R_1 （5.2.9）當f=fl1，由式（5.2.8）得 A _U1=-(R_RP1+R_2)

7、/R_1 *(1+0.1j)/(1+j) 模為 A_U1=(R_RP1+R_2)/(2R_1 )=A_U1(2) （5.2.10）此時電壓增益相對AuL下降了3dB。F=fL2，有式（5.2.7）得A _U1=-(R_RP1+R_2)/R_1 *(1+1j)/(1+10j)模為 A_U2=(R_RP1+R_2)/R_1 *2/10=0.14A_UL此時電壓增益AuL下降到17dB。fl1<flx<fl2范圍內，電壓增益衰減速率為-20dB/十倍頻。 同樣可得出圖所示電路表達式，其增益相對于中頻為衰減量。音調控制器工作在低音頻是，頻幅特性如圖5.2.13（a）所示。在高音頻段如圖5.

8、2.10左半部虛線所示。 當f>fo時，音調控制器高音頻等效電路如圖所示。在高音頻段，C1C2可視為短路，R4與R1 R2組成星形連結，為分析方便，將其轉化成三角形連結后的等效電路、電路如圖所示。 電阻關系式為 R_a=R_1+R_4+(R_1 R_4)R_2 R_b=R_2+R_4+(R_2 R_4)R_1 R_c=R_1+R_2+(R_1 R_2)R_4 若取R_1=R_2=R_4，則 R_a=R_b=R_c=3R_1=3R_2=3R_4 （5.2.11）這時高頻等效電路如圖所示。圖所示為Rrp2的滑臂在最右端時對應于高音頻提升最大的情況。圖5.2.14（b）所示為Rrp2的滑臂在最

9、左端時，對應于高音頻衰減最大的情況。該電路為一階有源高通濾波器，其頻率特性為 A =U _0/U _i =-R_b/R_a *(1+jww_3 )/(1+jww_4 ) w_3=1/(R_a+R_3)C_3 )或f_H1=1/(2(R_a +R_(3) C_3 ) （5.2.12） w_4=1/(R_3 C_3 )或f_H2=1/(2R_3 C_3 ) （5.2.13）通過與低頻等效電路相同的方法分析，可得到以下關系式： f<f_H1時，C3可視為開路，A_U0=1 f=f_H1時， A_U3=2 A_U0=1.4 f=f_H2時， A_U4=10(2 A_U0 )=7.1 f>f

10、_H2時，C3可視為短路，電壓增益為 A_UH=（R_a+R_3）/R_3 （5.2.14）Fh1<fHx<fH2范圍內，電壓提升速率為20dB/十倍頻，音調控制器高頻時幅頻特性如圖5.2.10中右半部虛線所示。 實際應用中，通常是給出低頻區(qū)flx和高頻區(qū)fhx處得提升量或衰減量x（dB），再根據(jù)下式求出轉折頻率fl2（fl1）和fh1（fh2），即f_L2=f_Lx*2(x/6) （5.2.15） f_H1=f_Lx/2(x/6) （5.2.16）3）話筒放大器，根據(jù)增益分配，采用集成運放電路改變未接電阻改變外接電阻課方便實現(xiàn)增益調整。與音調控制器共采用一塊LM324即可滿足除功

11、放外的所有電路功能，電路簡單，價格低廉。4.方案實現(xiàn)（1）功放電路設計 查閱手冊 ，可選擇外圍元器件。LA4102功放集成電路的內部電路中有電壓串聯(lián)負反饋環(huán)節(jié)，內部電路反饋電阻R11為20K，只要改變外接反饋電阻，即可改變集成功放增益。該電路竭誠電壓串聯(lián)負反饋組態(tài)，外接反饋電阻Rf可由下式計算，即 A_U4=1+R_11/R_f R_11/R_f =100Rf取200。Cf起隔直作用，使電路組成交流電壓串聯(lián)負反饋電路，Cf取33uF。Cb起相位補償作用，用于消除高頻自激振蕩，一般取幾十皮法，Cb取51pF。Cc為OTL電路輸出電容，兩端充電電壓為Vcc/2的幾百微法電容。Cc取耐壓25V，47

12、0uF電解電容。Cd為反饋電容，用于消除自激振蕩，一般取幾十皮法至幾百皮法，Cd取560pF。Ch為自舉電容，使集成電路內部輸出復合管的導通電流不隨輸出電壓升高而減小。Ch取耐壓25V220uF電解電容。C43 C44 用于消除紋波，一般取幾十微法至幾百微法。C43取100uF電解電容。 C42起電源退耦濾波作用，用于消除低頻自激振蕩，C42取100uF電解電容。 如輸出波形出現(xiàn)高頻自激振蕩，可在13腳與14腳間加0.15uF電容器C45.P_om=1W,此時輸出電壓U_om=(P_om R_L )=2.83。單電源OTL電路電源電壓取VCC/2=(1.21.5)UOM,電源電壓取VCC=9V

13、。2）音調控制器設計 音調控制器由運放及外圍電路組成。根據(jù)題意，f_Hx=100Hz處有±12dB調節(jié)范圍，即f_Hx=100Hz，x=12dB，代入（5.2.15），可得 f_L2=f_Lx*2(x/6)=100Hz*2(12/6)=400Hz則 f_L1=f_L210=40Hz又 f_Hx=10kHz，x=12dB代入式（5.2.16），可得 f_H1=f_Hx2(x/6) =10kHz2(12/6) =2.5kHz 則 f_H2=10f_H1=25kHz由式（5.2.9）與設計任務知 A_UL=(R_RP31+R_32)/R_31 20Db R_31，R_32，R_RP31不能

14、取得太大，否則運放漂移電流影響不能忽略不計，同時也不能太小，否則流過電流將超出運放電流輸出能力，一般取幾千至幾百歐。取R_RP31=470k，R_31=R_32=47k，取值是否正確，代入式（5.2.9）進行驗算。 A_UL=(R_RP31+R_32)/R_31 =(470+47)/47=11（20.8dB）滿足設計要求。 由式（5.2.8）求得C32值，即 f_L1=1/(2R_RP31 C_32 ) C32=1/(2R_RP31 f_L1 )=0.008F取標稱值0.01 F，C31=C32=0.01 F。 由式（5.2.14）與設計任務得 A_UH=(R_a+R_33)/R_33 10

15、R_33R_a/10=14.1k 取標稱值R_33=13k。2話筒放大器設計 話筒放大器由A1及外圍電路組成，耦合隔直電容C11=C13取10Uf, Rrp11為話筒發(fā)達后音量調節(jié)電位器，取10k。根據(jù)級間增益分配Au1=7.5，該電路為同相輸入放大器。電壓放大倍數(shù) Au1=1+R12/R11=7.取R11=10k，代入算得R12=65，這時Au1=7.8.該電路為單電源供電交流放大器，在電源與同相輸入端及同相輸入端與地之間，接入R13 R14電阻電壓給集成運放提供合適的偏壓。R13=R14=10K，C12取10uF。六、設計總原理圖和實物圖1、總原理圖2、實物圖 七、數(shù)據(jù)整理低音衰減f(HZ

16、)20501005001K5K10K15K20KU(mv)376564987263231965217573458285875低音提升f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)2162249127733008324351705687158285875高音衰減f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)70511281786286726321974188018801786中間f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)70511281880282032435217573458285875高音提升f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)7051128192732433384681594001010510434八、心得體會 通過這次設計，我從中獲得了很多的東西。讓我更進一步