音调控制电路与集成扩音电路设计报告

1、科研/科技实践设计报告 题目：音调控制电路与集成扩音电路 校 名： 福州大学至诚学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 09级1班 姓 名： 学 号： 210992044 指导教师： 陈建国 目录一、实验目的.1二、元器件清单1三、实验要求2四、设计任务分析.2五、方案论证2六、设计总原理图和实物图.6七、数据整理.7八、心得体会.7一、实验目的1、 掌握电路的工作原理和设计方法；2、 熟悉集成功放的基本特点；3、 学习音调控制电路与集成扩音电路的测试方法和分析。二、元器件清单 元器件名称备注直流稳压电源晶体管毫伏表双踪示波器数字频率计电烙铁松香锡条LM324一片LA4102一片电位器4

2、70K 2个10K 1个电阻8 1个200 1个1K 1个10K 5个13K 1个47K 3个68K 1个极性电容10uF 2个33 uF 1个100 uF 2个220 uF 2个470 uF 1个无极性电容0.01 uF 2个0.15 uF 1个51pF 1个510 pF 1个560 pF 1个三、实验要求 设计一个对话筒输出型号具有放大能力的扩音电路。设计要求：功率P01W;负载阻抗RL=8；在通频带内满功率情况下非线性失真系数THD3%；具有音调控制功能。可用两只电位器分别调节高音和低音。当输入信号为1KHz时输出为0dB；当输入信号为100Hz正弦波时，调节低音电位器可使输出功率变化&

3、#177;12dB；当输入信号 为10KHz调节高音电位器可使输出功率变化±12dB；输出功率大小连续可调，即用电位器可调音量大小；频率响应（flfh）为40Hz10KHz输入信号源为低阻话筒（20），输出电压为5mV；输入阻抗Rl20K。四、设计任务分析音调控制电路话筒放大器功率放大 五、方案论证确定整机电路级数，分配各级电压增益。话筒输入信号较弱，根据设计任务，输入信号为5mV时，输出功率最大值为1w。因此，电力系统总电压增益AU=(P_0 R_L )/U_i=556（55dB）。由于时间电路中会有损耗，应留有余量，故取AU=600（55.6dB）。下面进行增益分配：音量控制级在

4、f=1kHz时，增益为1（0dB）,但实际电路有可能衰减，取AU2=0.8（-2dB）。集成功效电路增益应较大，取AU3=100（40dB）。话筒方法级，采用集成运放电路构成。增益为 AU1=AU/AU3AU2=7.5（17.5dB） （2）电路论证分析 1）功率放大电路 常用 音频集成功放有LA4100系列、TDA2030、SF404等。本次采用LA4102，其典型输出功率为1.4w，闭环增益问45dB，P_0=250mW时,THD=0.5，可满足其要求。 2) 音调控制器 音调控制器是控制、调节音响放大器输出频率高低的电路，其控制曲线如下图：图中 f_0=1KHz为中音频率，要求增益AU0

5、=0dB；f_L为低音转折频率，一般为几十赫兹； f_L2=10fL1为中音转折频率；fH1为中音转折频率f_H2=10f_H1为高音频转折频率，一般为几十千赫兹。从图可见，音调控制器只对低或高音频进行提升火衰减，中音频增益保持不变，音调控制器用低通滤波器和高通滤波器共同组成。采用集成运放构成音调控制器设C1=C2C3，在中低音频区，C3可视为开路，在高音音频区，C1 C2 可视为短路。当ffo时，音调控制器低频等效电路如图所示，其中图所示为Rrp1的滑壁最左端，对应于低音频提升最大的情况图所示为Rrp1的滑壁在最右端，对应于低频衰减最大的情况。图实质上是一个一介有源低通滤波器，七频率特性为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可视为开路，运放的反相输入端为虚地，因运放输入电流i=0，R4影响可忽略，此时电压增益为 A_UL=(R_RP1+R_2)/R_1 （5.2.9）当f=fl1，由式（5.2.8）得 A _U1=-(R_RP1+R_2)

7、/R_1 *(1+0.1j)/(1+j) 模为 A_U1=(R_RP1+R_2)/(2R_1 )=A_U1(2) （5.2.10）此时电压增益相对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)模为 A_U2=(R_RP1+R_2)/R_1 *2/10=0.14A_UL此时电压增益AuL下降到17dB。fl1<flx<fl2范围内，电压增益衰减速率为-20dB/十倍频。 同样可得出图所示电路表达式，其增益相对于中频为衰减量。音调控制器工作在低音频是，频幅特性如图5.2.13（a）所示。在高音频段如图5.

8、2.10左半部虚线所示。 当f>fo时，音调控制器高音频等效电路如图所示。在高音频段，C1C2可视为短路，R4与R1 R2组成星形连结，为分析方便，将其转化成三角形连结后的等效电路、电路如图所示。 电阻关系式为 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，则 R_a=R_b=R_c=3R_1=3R_2=3R_4 （5.2.11）这时高频等效电路如图所示。图所示为Rrp2的滑臂在最右端时对应于高音频提升最大的情况。图5.2.14（b）所示为Rrp2的滑臂在最

9、左端时，对应于高音频衰减最大的情况。该电路为一阶有源高通滤波器，其频率特性为 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）通过与低频等效电路相同的方法分析，可得到以下关系式： f<f_H1时，C3可视为开路，A_U0=1 f=f_H1时， A_U3=2 A_U0=1.4 f=f_H2时， A_U4=10(2 A_U0 )=7.1 f>f

10、_H2时，C3可视为短路，电压增益为 A_UH=（R_a+R_3）/R_3 （5.2.14）Fh1<fHx<fH2范围内，电压提升速率为20dB/十倍频，音调控制器高频时幅频特性如图5.2.10中右半部虚线所示。 实际应用中，通常是给出低频区flx和高频区fhx处得提升量或衰减量x（dB），再根据下式求出转折频率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）话筒放大器，根据增益分配，采用集成运放电路改变未接电阻改变外接电阻课方便实现增益调整。与音调控制器共采用一块LM324即可满足除功

11、放外的所有电路功能，电路简单，价格低廉。4.方案实现（1）功放电路设计 查阅手册 ，可选择外围元器件。LA4102功放集成电路的内部电路中有电压串联负反馈环节，内部电路反馈电阻R11为20K，只要改变外接反馈电阻，即可改变集成功放增益。该电路竭诚电压串联负反馈组态，外接反馈电阻Rf可由下式计算，即 A_U4=1+R_11/R_f R_11/R_f =100Rf取200。Cf起隔直作用，使电路组成交流电压串联负反馈电路，Cf取33uF。Cb起相位补偿作用，用于消除高频自激振荡，一般取几十皮法，Cb取51pF。Cc为OTL电路输出电容，两端充电电压为Vcc/2的几百微法电容。Cc取耐压25V，47

12、0uF电解电容。Cd为反馈电容，用于消除自激振荡，一般取几十皮法至几百皮法，Cd取560pF。Ch为自举电容，使集成电路内部输出复合管的导通电流不随输出电压升高而减小。Ch取耐压25V220uF电解电容。C43 C44 用于消除纹波，一般取几十微法至几百微法。C43取100uF电解电容。 C42起电源退耦滤波作用，用于消除低频自激振荡，C42取100uF电解电容。 如输出波形出现高频自激振荡，可在13脚与14脚间加0.15uF电容器C45.P_om=1W,此时输出电压U_om=(P_om R_L )=2.83。单电源OTL电路电源电压取VCC/2=(1.21.5)UOM,电源电压取VCC=9V

13、。2）音调控制器设计 音调控制器由运放及外围电路组成。根据题意，f_Hx=100Hz处有±12dB调节范围，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则 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 则 f_H2=10f_H1=25kHz由式（5.2.9）与设计任务知 A_UL=(R_RP31+R_32)/R_31 20Db R_31，R_32，R_RP31不能

14、取得太大，否则运放漂移电流影响不能忽略不计，同时也不能太小，否则流过电流将超出运放电流输出能力，一般取几千至几百欧。取R_RP31=470k，R_31=R_32=47k，取值是否正确，代入式（5.2.9）进行验算。 A_UL=(R_RP31+R_32)/R_31 =(470+47)/47=11（20.8dB）满足设计要求。 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取标称值0.01 F，C31=C32=0.01 F。 由式（5.2.14）与设计任务得 A_UH=(R_a+R_33)/R_33 10

15、R_33R_a/10=14.1k 取标称值R_33=13k。2话筒放大器设计 话筒放大器由A1及外围电路组成，耦合隔直电容C11=C13取10Uf, Rrp11为话筒发达后音量调节电位器，取10k。根据级间增益分配Au1=7.5，该电路为同相输入放大器。电压放大倍数 Au1=1+R12/R11=7.取R11=10k，代入算得R12=65，这时Au1=7.8.该电路为单电源供电交流放大器，在电源与同相输入端及同相输入端与地之间，接入R13 R14电阻电压给集成运放提供合适的偏压。R13=R14=10K，C12取10uF。六、设计总原理图和实物图1、总原理图2、实物图 七、数据整理低音衰减f(HZ

16、)20501005001K5K10K15K20KU(mv)376564987263231965217573458285875低音提升f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)2162249127733008324351705687158285875高音衰减f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)70511281786286726321974188018801786中间f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)70511281880282032435217573458285875高音提升f(HZ)20501005001K5K10K15K20KU(mv)7051128192732433384681594001010510434八、心得体会 通过这次设计，我从中获得了很多的东西。让我更进一步