實(shí)驗(yàn)五_音響放大器的設(shè)計(jì)說明

1、東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 電路與電子線路實(shí)驗(yàn)2 第 5 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 音響放大器的設(shè)計(jì) 院（系）： 吳健雄學(xué)院 專業(yè)： ： 學(xué)號： 實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 評定成績： 審閱教師： 1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解實(shí)驗(yàn)過程：學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、分析、總結(jié)。2、系統(tǒng)、綜合地應(yīng)用已學(xué)到的模擬電路、數(shù)字電路的知識，在單元電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用Multisim軟件工具設(shè)計(jì)出具有一定工程意義和實(shí)用價(jià)值的電子電路。3、通過設(shè)計(jì)、調(diào)試等環(huán)節(jié)，增強(qiáng)獨(dú)立分析與解決問題的能力。2、 實(shí)驗(yàn)容設(shè)計(jì)一個(gè)音響放大器，要現(xiàn)話筒擴(kuò)音、音量控制、混音功能、音調(diào)可調(diào)（選作）等功能。1、基本

2、要求功能要求：話筒擴(kuò)音、音量控制、混音功能額定功率：0.5W(失真度THD10%)負(fù)載阻抗：8頻率響應(yīng)：fL50Hz，fH20kHz輸入阻抗：20k話音輸入靈敏度：5mV2、提高要求音調(diào)控制特性：1kHz處增益為0dB，125Hz和8kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)圍。3、發(fā)揮部分可自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一些附加功能。3、 電路設(shè)計(jì)1、項(xiàng)目分析1）話音放大器 話放的輸入音源采用駐極體話筒； 話放增益一般為510倍左右，可采用同相放大器實(shí)現(xiàn)； 由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20k，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達(dá)到10kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻

3、抗。2）混合前置放大器 混合前置放大器的作用是將放大后的話音信號與Line In（輸出MP3作為背景音樂信號源）信號混合放大，起到了混音的功能； 使用加法器實(shí)現(xiàn)信號的合成。3）功率放大 功率放大的作用是給音響放大器的負(fù)載提供一定的輸出功率； 當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能的大，輸出信號的線性失真盡可能的小，效率盡可能的高； 常用形式有OTL電路和OCL電路等。4） 電路結(jié)構(gòu)框圖5） 電路增益分配（1）輸出功率：（2）負(fù)載：（3）對應(yīng)輸出電壓：由公式得：（4）電壓增益：已知輸入電壓，則電壓增益（5）方法倍數(shù)分配：A=10A=4A=1A=102、 電路原理圖1）話音放大器話音放大器由如圖所示電

4、路組成，即由A1組成的同相放大器，具有很高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話筒放大器電路。電路滿足條件：故其放大倍數(shù)為：電路中的所有電容的作用都是濾波。2） 混合前置放大器如圖所示的是混合前置放大器，它的作用是將mp3輸出的聲音信號與話音信號混合放大。它是一個(gè)反相加法器電路，輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為：式中，為話音放大器的輸出信號，為mp3的輸出信號。電位器的作用是對輸入的mp3信號進(jìn)行衰減。電路中的所有電容都用于濾除輸入、輸出信號中的低頻段干擾信號。3） 音調(diào)控制器如圖所示的是音調(diào)控制器，它的作用是控制、調(diào)節(jié)音響放大器輸出頻率的高低，控制曲線如下圖所示：由圖可見，音調(diào)控制器只對低音頻或高

5、音頻的增益進(jìn)行提升或衰減，中音頻增益保持不變，所以音調(diào)控制器的電路由低通濾波器與高通濾波器共同組成。音調(diào)控制器電路圖中的上面部分是低通濾波器，上面的電位器是低音電位器，可用于調(diào)節(jié)低頻信號的增益；下面部分是高通濾波器，下面的電位器就是高音電位器，可用于調(diào)節(jié)高頻信號的增益。在音頻圍的低頻部分，電容相當(dāng)于開路，因此有效的反饋是由和組成的。運(yùn)放起反相放大器的作用，它的電壓增益借助于低音電位器在如下圍可變：隨著頻率的增加，逐漸旁路掉，知道后者最終被短路而對響應(yīng)沒有影響為止。在最大低音提升或抑制的情況下，開始起作用的頻率近似等于：在音頻的高頻端，電容器相當(dāng)于短路，因此增益就由高音電位器控制。如果滿足的條件

6、，可以證明，高頻增益的變化圍是：低于頻率以下，高音控制逐漸失去對響應(yīng)的影響，這個(gè)頻率近似為：根據(jù)上述四個(gè)公式，令，可計(jì)算得到如電路圖中所示的參數(shù)。4） 功放電路因?yàn)镸ultisim中沒有LM386，所以使用Proteus進(jìn)行仿真。功放電路采用LM386的典型電路，該電路的電壓放大倍數(shù)是20倍，可以通過調(diào)節(jié)輸入信號后面接的電位器來改變放大倍數(shù)，當(dāng)電位器接入電路的電阻為50%時(shí)，電路的電壓放大倍數(shù)為10倍。3、 電路的仿真結(jié)果1） 話音放大器使用示波器進(jìn)行仿真分析。如下圖所示，輸入信號接通道A（綠線），輸出信號接通道B（黃線）。當(dāng)輸入信號峰峰值為4.533mV時(shí)，輸出信號峰峰值為45.176mV，

7、增益為10，符合實(shí)驗(yàn)要求。2） 混合前置放大器如下圖所示，輸入信號1接通道A（藍(lán)線），輸入信號2接通道B（黃線），輸出信號接通道C（綠線）。當(dāng)輸入信號1與輸入信號2的頻率相同時(shí)，電路仿真圖如圖(a)所示。當(dāng)輸入信號1的峰峰值為-48.837mV，輸入信號2峰峰值為-97.639mV時(shí)，輸出信號的峰峰值為586.797mV，滿足輸出信號峰峰值為兩路輸入信號峰峰值之和的4倍。結(jié)合輸入輸出波形，可以看出：輸出信號是兩路輸入信號疊加后再放大四倍得到的。圖(a)當(dāng)輸入信號1與輸入信號2的頻率不同時(shí)，電路仿真圖如圖(b)所示。當(dāng)輸入信號1的峰峰值為-49.987mV，輸入信號2峰峰值為-99.343mV時(shí)

8、，輸出信號的峰峰值為598.688mV，滿足輸出信號峰峰值為兩路輸入信號峰峰值之和的4倍。結(jié)合輸入輸出波形，可以看出：輸出信號是兩路輸入信號疊加后再放大四倍得到的。圖(b)3） 音調(diào)控制器使用波特圖儀進(jìn)行仿真分析。如下圖(a)、圖(b)所示，調(diào)節(jié)低音電位器，得到當(dāng)頻率為125Hz時(shí)，增益可調(diào)圍是-12.38212.378dB，且此時(shí)調(diào)節(jié)高音電位器，對低頻和中頻信號的增益幾乎不產(chǎn)生影響。曲線中點(diǎn)：1kHz, 0dB圖(a)圖(b)如下圖(c)、圖(d)所示，調(diào)節(jié)高音電位器，得到當(dāng)頻率為8kHz時(shí)，增益可調(diào)圍是-11.29111.496dB，且此時(shí)調(diào)節(jié)低音電位器，對高頻和中頻信號的增益幾乎不產(chǎn)生影

9、響。圖(c)圖(d)此外，由圖(a)、圖(b)、圖(c)、圖(d)可以看出，無論是調(diào)節(jié)高音電位器還是低音電位器，1kHz的信號的增益始終約等于0dB。綜上所述，音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)基本符合實(shí)驗(yàn)要求。4） 功放電路由于功放電路的設(shè)計(jì)是直接采用LM386的典型電路，比較有保障，所以省略了仿真過程。四、硬件電路功能與指標(biāo)，測試數(shù)據(jù)與誤差分析1、硬件實(shí)物圖（照片形式）：話音放大器混合前置放大器音調(diào)控制器功放電路2、按照設(shè)計(jì)要求對調(diào)試好的硬件電路進(jìn)行測試，記錄測試數(shù)據(jù)，分析電路性能指標(biāo)。1）額定功率： 音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值時(shí)的最大功率稱為額定功率。其表達(dá)式為： 式中，為額定負(fù)載阻抗；(有效值)為

10、兩端的最大不失真電壓。常用來選定電源電壓VCC, 測量的條件為：信號發(fā)生器的輸出信號(音響放大器的輸入信號)的頻率，電壓，音調(diào)控制器的兩個(gè)電位器置于中間位置，音量控制電位器置于最大值，用示波器觀測及的波形。實(shí)際搭建電路，用示波器觀察輸入輸出信號如下圖所示：由上圖可以看出，最大不失真電壓，因此電壓有效值為：，根據(jù)公式計(jì)算得：，這顯然大于要求的，因此設(shè)計(jì)是合理的。2）頻率響應(yīng)：測量方法： 音響放大器的輸入端接(等于5mV)，兩個(gè)電位器都置于最左端，使信號發(fā)生器的輸出頻率從20Hz至50kHz變化(保持vi=5mV不變)，測出負(fù)載電阻上對應(yīng)的輸出電壓，用半對數(shù)坐標(biāo)紙繪出頻率響應(yīng)曲線，并在曲線上標(biāo)注與

11、的值。 直接用掃頻儀進(jìn)行測量。3）輸入阻抗： 在電源輸出端串聯(lián)一個(gè)的電阻作為，測得，則輸入阻抗為100k，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要求的20k，因此設(shè)計(jì)合理。4） 輸入靈敏度：測量方法：將音調(diào)控制器的兩個(gè)電位器調(diào)節(jié)到中間位置，音量控制電位器調(diào)到最大值，使從零開始逐漸增大，直到達(dá)到額定功率值時(shí)所對應(yīng)的輸入電壓值即為輸入靈敏度。由圖可知，輸入靈敏度峰峰值為4.40mV，小于題目要求的5mV，故滿足實(shí)驗(yàn)要求。5）噪聲電壓：音響放大器的輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載上的電壓稱為噪聲電壓。測量方法：將音調(diào)控制器的兩個(gè)電位器調(diào)節(jié)到中間位置，音量控制電位器調(diào)到最大值，輸入端對地短路，用示波器觀測輸出負(fù)載端的電壓波形，用交流毫伏表測量

12、其有效值。6） 整機(jī)效率：整機(jī)效率的計(jì)算公式為：式中，為輸出的額定功率；為輸出額定功率時(shí)所消耗的電源功率。在輸出額定功率的情況下，將電流表串入VCC支路中，測得總電流I=0.5A，又有Vcc=7.5V，代入公式計(jì)算得：7）音調(diào)控制特性（擴(kuò)展）： 所有的音調(diào)控制器的輸入信號峰峰值均為100mV: 當(dāng)時(shí)，調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，輸出信號的峰峰值不會產(chǎn)生太大變化。由圖可知，電壓增益，略大于實(shí)驗(yàn)要求的0dB（1倍），基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。 當(dāng)時(shí)，下圖(a)所示是最大增益情況，圖(b)所示是最小增益情況。圖(a)圖(b)由圖(a)可知，放大時(shí)，最大輸出電壓，最大電壓增益，略小于實(shí)驗(yàn)要求的12dB（4倍），基本達(dá)到實(shí)

13、驗(yàn)要求。由圖(b)可知，縮小時(shí)，最小輸出電壓，最小電壓增益，大于實(shí)驗(yàn)要求的-12dB（0.25倍），有一定誤差。 當(dāng)時(shí)，下圖(c)所示是最大增益情況，圖(d)所示是最小增益情況。圖(c)圖(d)由圖(c)可知，放大時(shí)，最大輸出電壓，最大電壓增益，略小于實(shí)驗(yàn)要求的12dB（4倍），基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。由圖(d)可知，縮小時(shí)，最小輸出電壓，最小電壓增益，大于實(shí)驗(yàn)要求的-12dB（0.25倍），有一定誤差。綜上：音調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)了對低音頻或高音頻的增益進(jìn)行提升或衰減，中音頻增益保持不變，但是對于低頻或高頻增益的提升或衰減的圍與要求的存在一定誤差，尤其是在對信號進(jìn)行衰減時(shí)，這說明在參數(shù)選擇上仍存在不足。8

14、）整機(jī)信號試聽效果：（1）話音擴(kuò)音：聲音清晰，音量大小也可以調(diào)節(jié)。（2）Mp3音樂試聽：各種音樂播放效果都相當(dāng)不錯(cuò)，且實(shí)現(xiàn)了音量和音調(diào)的可調(diào)。（3）混音功能：混音的效果很好，音樂播放時(shí)對著話筒講話聲音可以聽見的同時(shí)又不會完全蓋過音樂，兩個(gè)信號大小調(diào)節(jié)較好，又很清晰。（4）音調(diào)控制（提高）：對高音和低音的放大調(diào)節(jié)效果明顯，縮小調(diào)節(jié)則效果不是特別明顯。3、 出現(xiàn)故障問題及處理方法總結(jié)：（1）出現(xiàn)的故障及排除方法1） 分模塊調(diào)試電路均已通過，但兩級電路連接在一起時(shí)產(chǎn)生失真。解決方法是在兩級電路之間接一個(gè)射極跟隨器。本次實(shí)驗(yàn)中共加了兩個(gè)射極跟隨器，分別加在混合前置放大器與音調(diào)控制器之間、音調(diào)控制器與功

15、放電路之間。2） 輸入交流信號時(shí)，輸出信號產(chǎn)生了一些毛刺，解決方法是在每一級輸出后串聯(lián)一個(gè)小電容，濾除毛刺。3） 在每一級輸出串聯(lián)一個(gè)電容后，后一級輸出信號會上下移動，即有電容充放電的過程，解決方法是將輸出后串聯(lián)的電容換小一點(diǎn)。4） 話筒接入電路后會產(chǎn)生嘯叫，這一般是話筒外殼接地不善引起的，解決方法是在話筒輸入和地之間接一個(gè)的電容。5） 功放電路的低頻自激比較明顯，解決方法是在功放電源和地之間接一個(gè)的濾波電容。（2） 體會與總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)，我經(jīng)歷了一次完整的實(shí)驗(yàn)過程：學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、分析、總結(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是十分重要的。我學(xué)會了如何系統(tǒng)、綜合地應(yīng)用已學(xué)到的模擬電路、數(shù)字電路的知識，在單元電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用Multisim軟件工具設(shè)計(jì)出具有一定工程意義和實(shí)用價(jià)值的電子電路。本次實(shí)驗(yàn)的四個(gè)模塊電路，其中前兩個(gè)是模電理論課上學(xué)習(xí)過的容，直接應(yīng)用并加以少許改進(jìn)就可以了；還有兩個(gè)則是通過自己查找資料進(jìn)行學(xué)習(xí)后進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這提