模電實(shí)驗(yàn)報(bào)告_語音放大器

1、08212032 程仕湘 語音放大器北京交通大學(xué)電工電子教學(xué)基地實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)課程： 模擬電路技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 語音放大器 班級： 自動化0802 學(xué)號: 08212032 姓名: 程仕湘小組組員: 劉加奇 吳昊實(shí)驗(yàn)日期： 2010年6月 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?一) 通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的市場素質(zhì)、工藝素質(zhì)、自主學(xué)習(xí)的能力、分析問題解決問題的 能力以及團(tuán)隊(duì)精神(二) 通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)回顧所學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，掌握低頻小信號放大 電路和功放電路的設(shè)計(jì)方法二、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求(一) 原理框圖語音放大電路由“麥克”、“前置放大器”、“有源帶通濾波器”、“功率放大器”、“揚(yáng)聲器”幾部分構(gòu)成。如下圖

2、所示，并且可以采用前幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，作適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)的要求。1. 前置放大電路前置放大電路可以采用差分放大電路經(jīng)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，也可采用集成運(yùn)放構(gòu)成的同相比例運(yùn)算放大電路。典型情況下，信號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題。因此前置放大器應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號放大電路。2. 有源濾波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。有源濾波電路的種類有低通，高通，帶通，帶阻濾波器，本實(shí)驗(yàn)著重討論帶通濾波器，濾除各種噪聲信號，而使正常的語音信號通過

3、。3. 功率放大電路功率放大電路的主要作用是向負(fù)載提供功率，使信號能夠驅(qū)動負(fù)載（喇叭）。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。(二) 性能指標(biāo)：各基本單元電路的設(shè)計(jì)條件分別為：1. 前置放大器輸入信號：Uid£5mv輸入阻抗：Ri>100kW。2. 有源帶通濾波器帶通頻率范圍：300Hz3kHz增益：Au13. 功率放大器最大不失真輸出功率：Pom³1W 負(fù)載阻抗：RL=8W 電源電壓：+5 V，+12V，-12V4. 輸出功率連續(xù)可調(diào) 直流輸出電壓：£50mV（輸出開路時(shí)） 靜態(tài)電源電流：£100mA（輸出短路時(shí)） 三、 實(shí)

4、驗(yàn)原理與參考電路(一) 前置放大電路前置放大電路可以采用教材中差分放大電路經(jīng)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，也可以采用集成運(yùn)放構(gòu)成測量用小信號放大電路。 方案一：集成運(yùn)放構(gòu)成前置放大電路時(shí)，為提高輸入電阻和共模抑制性能，減小輸出噪聲，必須采用同相放大電路結(jié)構(gòu)，為盡量保證不失真放大，宜采用兩級運(yùn)放電路。這兩級運(yùn)放放的芯片可以采用單片雙運(yùn)放LM324。 。圖二 LM324組成的前置放大電路Au1=1+R2/R3=1+1010 Au2=1+R6/R5=1+1010Au=Au1*Au2101000我們經(jīng)測試：當(dāng)輸入信號Uid=5mv時(shí)，輸出信號Uod=554.6mvAu=110,滿足條件。我們在輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻R=10

5、0k,測得Us=5mv,Ui=3.500mv根據(jù)公式Ri=Ui/(Us-Ui)*R=233k滿足要求輸入阻抗大于100k方案二：集成運(yùn)放構(gòu)成前置放大電路時(shí)，為提高輸入電阻和共模抑制性能，減小輸出噪聲，必須采用同相放大電路結(jié)構(gòu)，為盡量保證不失真放大，宜采用兩級運(yùn)放電路。這兩級運(yùn)放的芯片可以采用單片雙運(yùn)放NE5532。圖三 單片雙運(yùn)放NE5532放大電路 電路簡易說明：該電路具有輸入阻抗高，電壓增益容易調(diào)節(jié)。圖中的R2用于調(diào)節(jié)電路增益，該級增益為80。R9、R10用于調(diào)節(jié)輸入阻抗，起平衡作用。R2、R8起調(diào)節(jié)增益的作用。調(diào)試中為得到理想的放大倍數(shù)，將R6短路，R8實(shí)際用一個(gè)100k左右的定值電阻代

6、替即可，R3 用50k的定值電阻代替。在輸出端加100k的電位器，使輸出聲音大小可調(diào)。方案三：測量放大器（差動放大器）圖四 差動放大器Rid=2R A21= Uo2-Uo1 / Ui = 1+2R2/R1 A3=R4/R3 Auo = A21* A3三種方案的電路實(shí)現(xiàn)都很簡單，失真不大，也可滿足實(shí)驗(yàn)要求。其輸入阻抗可用萬用表測出。但后兩者溫度漂移較大。本次實(shí)驗(yàn)我們選用方案一。(二) 有源帶通濾波電路由于聲音頻率在3003000Hz之間，所以本實(shí)驗(yàn)需要二階帶通有源濾波器。圖五 濾波器參考電路電路簡易說明：此電路是寬帶通濾波器,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

7、器的LPF和HPF串接起來以實(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,因此用做此處的音頻帶通濾波器。數(shù)據(jù)確定：（這次選用在濾波器實(shí)驗(yàn)中的另一方案）本實(shí)驗(yàn)所用濾波器為一高通濾波器與一低通濾波器級聯(lián)所得，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)得高通濾波器的fL=300Hz, 低通濾波器的fH=3kHz,Au=1,由濾波器截頻公式f0=1 / 2RC 高通： Q=1/2 C1=C2=100n F R2=R3=5.1K R1=2R4 =30K 經(jīng)過實(shí)際調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)不變，滿足條件 低通： Q=1/2 C3=C4=10nF R5=R6=4.7K； R7=2R8=30K即可 經(jīng)過實(shí)際調(diào)

8、節(jié)數(shù)據(jù)不變，滿足要求。輸入500mV、1000Hz左右的正弦波信號，在示波器上觀察輸出，調(diào)試使增益約為2.3。調(diào)節(jié)頻率，觀察達(dá)到0.707Vp_p的頻率值，調(diào)節(jié)使頻率為300Hz和3kHz，在誤差允許范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。(三) 功率放大電路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，而且所用外圍元件少，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。它的內(nèi)部電路一般也由前置級，中間級，輸出級和偏置電路等組成，與電壓放大器不同的是其輸出功率大、效率高。而且集成功放的內(nèi)部電路中還常設(shè)有過流、過壓及過熱保護(hù)電路，以保證其在大功率狀

9、態(tài)下能夠安全可靠地工作。方案一：TDA2003圖六 TDA2003功放電路Cx =1/2R1f0Rx = 20R2RL = 1.64方案二：LM386當(dāng) R開路時(shí)增益最小，R短路時(shí)增益最大。因?yàn)長M386很容易燒壞，故不采用。RL = 8圖七 LM386功放電路方案三：TDA2030我們采用此方案，根據(jù)計(jì)算和仿真結(jié)果可知，增益約為十倍左右。直流輸出電壓為30mv,靜態(tài)電源電流為85mA。滿足條件： 直流輸出電壓：£50mV（輸出開路時(shí)） 靜態(tài)電源電流：£100mA（輸出短路時(shí)）四、 實(shí)驗(yàn)的整體電路圖將本實(shí)驗(yàn)中要采用的LM324放大電路、RC有源濾波器、TDA2030按順序級

10、聯(lián)即可。如下所示：圖八 整體電路圖五、 實(shí)驗(yàn)步驟 (一) 電路設(shè)計(jì)步驟 1. 確定整體方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定各單元電路的方案， 采用集成電路器件設(shè)計(jì)，根據(jù)公式計(jì)算電路的元件參數(shù)。2. 系統(tǒng)總原理圖各單元電路圖和整體電路圖（見上）。 (二) 安裝焊接調(diào)試按照電路原理圖焊接電路板，一級一級地焊。焊接時(shí)應(yīng)注意安全，同時(shí)要保證焊接的質(zhì)量。最后引出五根導(dǎo)線（分別作為+12V、-12V、地線、喇叭的接口）。1. 前置放大器的組裝與調(diào)試1) 靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激振蕩。2) 動態(tài)調(diào)試：測量電路的帶寬、輸入電阻等指標(biāo)。2. 有源濾波器的組裝與調(diào)試1) 靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消除自激振蕩。2) 動態(tài)調(diào)試：測量電路的

11、帶寬、電壓增益等指標(biāo)。3. 功率放大電路的組裝與調(diào)試靜態(tài)調(diào)試：不接輸入，觀察輸出有無振蕩來進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試。(三) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)1. 前置輸入對地短路，測量輸出噪聲電壓。2. 輸入頻率為1KHz的正弦信號，改變Ui幅值，用示波器觀察Uo的波形，記錄輸出最大不失真幅值及所對應(yīng)ui的變化范圍。3. 測量上限截止頻率、下限截止頻率和電壓放大倍數(shù)等指標(biāo)。(四) 試聽系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)與各項(xiàng)指標(biāo)測試完畢之后，輸入mp3音樂信號，用揚(yáng)聲器代替RL，從揚(yáng)聲器中即可傳出美妙的音樂聲。接入麥克后，輸出語音。從效果看，應(yīng)該是音質(zhì)清楚、無雜音、音量大，電路運(yùn)行穩(wěn)定為最佳設(shè)計(jì)。六、 測量結(jié)果1. 各級電路的電壓增益； 第一級前置放大

12、器： 輸入U(xiǎn)i =100mV 輸出Uo =10V 放大倍數(shù)Au=100第二級帶通濾波器： 輸入U(xiǎn)i =1.060V 輸出Uo =1.094V 放大倍數(shù)Au=1第三級功率放大器： 輸入U(xiǎn)i =212.5mV 輸出Uo =1.625V 放大倍數(shù)Au=8 2. 帶通濾波器的通頻帶；295Hz(703.1mV)3kHz(703.1mV) BW=2700Hz 3. 功率放大器的最大輸出功率以及靜態(tài)電源電流。最大輸出功率：Po,max=5W左右 直流輸出電壓：U=30mV 靜 態(tài) 電 流: I=85mA七、 實(shí)驗(yàn)中所遇到的問題及解決方案(一) 地線的連接。這個(gè)問題我們認(rèn)為應(yīng)該是最容易被同學(xué)們忽略然而又至關(guān)

13、重要的一點(diǎn)。我們在焊接好電路之后，進(jìn)行調(diào)試時(shí)，電路板的接地和示波器導(dǎo)線的接地應(yīng)該統(tǒng)一接到實(shí)驗(yàn)箱上，這樣才能使整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)統(tǒng)一的參考點(diǎn)，要不然就會出現(xiàn)波形的失真，甚至是正半周期波形的完全丟失。這個(gè)問題很隱蔽，我們在改變了很多方案后最終想到了這個(gè)問題，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)在沒有統(tǒng)一接地的情況下，正電源與電路板地的電壓差為24V。而采用了上述方法后，問題得到了很好的解決，我們也順利調(diào)試出了波形。(二) 系統(tǒng)的調(diào)試。在實(shí)驗(yàn)中，我們在一定要注意將電路劃分為一個(gè)一個(gè)的模塊，焊好一塊調(diào)試一塊，再焊好一塊再連起來調(diào)試，直到最后。同時(shí)要留出每一級的輸入線與輸出線，最好做好標(biāo)記，以免聯(lián)調(diào)時(shí)連接錯(cuò)誤。八、 注意事項(xiàng)(一)

14、 在使用集成運(yùn)放和功放時(shí)，一定要搞清其管腳，更重要的是正負(fù)電源不要接錯(cuò)，否則很容易將其損壞。(二) 應(yīng)使用大功率負(fù)載，否則很容易將負(fù)載燒壞。(三) 焊接集成功放時(shí)，一定要使用散熱片。(四) 傳聲器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離揚(yáng)聲器，以免引起嘯叫。(五) 各級應(yīng)分開來焊、分開來測，最后統(tǒng)調(diào)。九、 實(shí)驗(yàn)心得 進(jìn)入大學(xué)以來，模擬電路實(shí)驗(yàn)是我們接觸到的第一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課，通過將近一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們從簡到繁，從淺到深，做了一系列的實(shí)驗(yàn)。從最初的單級低頻放大器到最后的波形發(fā)生器、語音放大器，在逐個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們不斷學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的基本素質(zhì)。所以我們的設(shè)計(jì)思想是基于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)所學(xué)，扎根于課本，再加上我們自己的一些創(chuàng)新和發(fā)揮。我們在用軟

15、件進(jìn)行仿真時(shí)，很順利地就調(diào)試出了波形，大家都興奮，可是在實(shí)際的焊接和調(diào)試時(shí)卻遇到了很多意想不到的麻煩。特別讓我們惱火的就是地線的連接問題，正如我在上面寫到的，一開始我們沒有將電路板的地和實(shí)驗(yàn)箱的地連接到一起，導(dǎo)致了電源供電時(shí)老是會有一半波形被截?cái)?。我們都還以為是工作點(diǎn)選擇不對，于是又查找資料，改進(jìn)電路，改變各級的輸入輸出電阻，改變電容值，試圖調(diào)節(jié)工作點(diǎn)，可以說能夠想到的辦法我們都想了。但是波形還是沒有得到改善。正當(dāng)我有點(diǎn)灰心的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)輸出波形的上半周期整個(gè)被削掉，于是我就想會不會是正電源沒有供上電，用萬用表一測，果然發(fā)現(xiàn)正電源電壓只有1.5V，驗(yàn)證了我的想法，于是我們仔細(xì)檢查了電路，進(jìn)行了

16、各種嘗試，包括用不同的實(shí)驗(yàn)箱供電等等，最后發(fā)現(xiàn)是接地出現(xiàn)了問題，最終把這個(gè)問題順利的解決。 第一級和第二級電路的調(diào)試比較順利，在這個(gè)過程中只是出現(xiàn)了虛焊一個(gè)連接點(diǎn)的問題，重新進(jìn)行焊接之后，同樣順利地得到了完美的波形。第三級功率放大器的調(diào)試是最復(fù)雜的更是最頭疼的開始的時(shí)候前兩級都OK但是接上第三級之后，輸出波形就完全沒有規(guī)律了，我們找問題找了很久，當(dāng)然，問題最后還是被我們解決了，這需要耐心！但是輸出的波形不是很穩(wěn)定，而且又雜波，接上麥克和喇叭之后雜音很大，經(jīng)過多方詢問、努力搜索，終于知道是自己震蕩惹得禍，然后我們就接了四個(gè)電容，成功消除震蕩！ 最終我們的作品是出來了，我們組的三個(gè)人都付出了很多，

17、而且有一位在感冒的情況下還是堅(jiān)持焊電路，很是感動！聲音成功被放大之后我們都很興奮，要是我們得了優(yōu)，那更是對我們付出的這么多的努力的極大肯定！附錄 電路元件清單名稱型號數(shù)量功能電 阻10 21 K220 K25.1 K130 K24.7K 2100 K416K2 1M1獨(dú) 石 容 電 0.01 uF20.1 uF530 pF11 uF2電解電容22uF1100uF2功率放大器LM3241功率放大運(yùn)算放大器LM3241用于濾波器運(yùn)算放大器TDA20301用于電路放大電位器10K4調(diào)節(jié)前置的增益、使聲音大小連續(xù)可調(diào)、使輸出功率連續(xù)可調(diào)麥克1用于輸入語音信號喇叭1輸出信號運(yùn)放底座2固定運(yùn)算放大器散熱片1給TDA2030散熱電路板（5連）1導(dǎo)線若干連接電