语音放大器设计实验报告

..模拟电子技术课程设计语音放大器__伍慧兰__2015550828__15通信工程1班指导罗光明目录TOC\o"1-3"\h\u8998一、设计目的16780二、知识点和设计内容230250三、设计方案216062四、实验原理与参考电路412312〔一实验原理图如图1-248446〔二实验原理4196771>前置放大器495292>有源带通滤波器5166823>功率放大器64988五、实验的主要元器件710886〔一元器件清单731255〔二部分器件的使用介绍8208051>LM324芯片8118532>TDA2030引脚图与应用电路参数124846六、实验步骤1318319〔一电路仿真实验1316657〔二硬件实物实验2044861>前置放大器的焊接与调试2081022>有源带通滤波器224984七、实验中的问题提出与解决方法2518270八、注意事项2632716九、实验感想275011参考资料28语音放大器设计设计目的1、了解语音识别知识；2、掌握集成运算放大器的工作原理及其应用；3、掌握低频小信号放大电路、带通滤波器和功放电路的设计方法；4、培养应用现代工具对模拟电子系统进行仿真测试、制作调试、故障检查及分析的能力；5、培养市场素质、工艺素质、自主学习能力、分析问题解决问题的能力以及团队精神；6、培养文献查阅与综述和撰写课程设计报告的能力。知识点和设计内容本实验的知识点为分立元件放大器或集成运放、有源滤波器、集成功率放大器；涉及电子电路各个模块之间的联合调试技术。设计方案语音放大器设计的基本设计思路分析可知本语音放大器应包括输入电路、前置放大器、有源带通滤波器、功率放大器、扬声器等几部分组成,如图1-1所示。输入输入电路前置放大带通滤波功率放大图1-1语音放大电路原理框图前置放大器可采用集成运算放大器,有源带通滤波器可采用LPF和HPF串联构成,功率放大电路选用集成功放。设计的性能指标通常语音信号非常微弱,需要经过放大、滤波、功率放大后才能驱动扬声器发声。假设语音信号为峰峰值不大于10mV频率范围100Hz~3kHz的正弦波,要求驱动8Ω1W的扬声器。具体性能指标如下：1、前置放大器：输入信号Uid10mV；输入阻抗Ri≥100kΩ2、有源带通滤波器：通带100Hz~3kHz；增益Au=13、功放：最大不失真输出功率Pomax≥1W；负载阻抗RL=8Ω4、输出功率连续可调；直流输出电压50mV；静态电源电流100mA5、电源电压：+5V,+12V,-12V实验原理与参考电路实验原理图如图1-2图1-2实验原理图实验原理前置放大器在测量用的放大电路中,一般传感器送来的直流或低频信号,经放大后多用单端方式传输。典型情况下,音频信号的最大幅度可能仅有若干毫伏,共模噪声可能高达几伏。所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度致关重要,放大器本身的共模抑制比特性也相当重要。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗,高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。图1-3是前置放大电路的原理图图1-3前置放大电路的原理图前置放大电路的仿真效果图见图1-11,1-12,1-13,1-14,1-15。有源带通滤波器有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。按通带的性能可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。用低通滤波器和高通滤波器串接起来也可以组成带通滤波器。图1-4为有源带通滤波器的原理图图1-4有源带通滤波器原理图功率放大器功率放大的主要作用是向负荷提供功率,要求输出功率尽可能大,转换效率尽可能高,非线性失真尽可能小。功率放大器的形式很多,有OCL互补对称功率放大电路,OTL功率放大电路,BTL桥式推挽功率放大电路和变压器耦合功率放大电路等。这些电路各有优点,可以根据设计要求和设备条件综合考虑选用。本次在语音放大器的设计中本人选用五端功放TDA2030应用的电路。图1-5是功率放大器的原理图图1-5功率放大器原理图实验的主要元器件元器件清单实验所需的元器件清单如表1-1表1-1语音放大器器件清单编号物资名称型号或规格

〔或代用规格单位数量1集成运放LM324块12集成功放TDA2030块13电解电容220uF/25V只24电解电容22uF/25V只25瓷片电容220nF〔224只16瓷片电容150nF〔154只27瓷片电容100nF〔104只28瓷片电容22nF〔103只29可调电阻10k1/8W只110色环电阻1.2M1/8W只111色环电阻120k1/8W只112色环电阻110k1/8W只113色环电阻20k1/8W只114色环电阻10k1/8W只215色环电阻9k1/8W只116色环电阻2.4k1/8W只217色环电阻1k1/8W只118色环电阻900Ω1/8W只119色环电阻100Ω1/8W只220色环电阻1Ω1/8W只121扬声器8Ω2W只1本实验在实验前由于部分器件实验室没有提供,所以采取了性能和量值都相差不大的元器件来替代,比如9K的色环电阻未提供,实验采取1K的色环电阻替换。部分器件的使用介绍LM324芯片LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。其芯片引脚图如图1-6所示。它每一组运算放大器可用图1-7所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中"+"、"-"为两个信号输入端,"V+"、"V-"为正、负电源端,"Vo"为输出端。两个信号输入端中,Vi-<->为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+<+>为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图1-6LM324芯片引脚图图1-7运算放大器端口图基于本实验,需知的一部分关于LM324芯片的知识：运放类型:低功率放大器数目:4带宽:1.2MHz针脚数:14工作温度范围:0°Cto+70°C芯片引脚的功能：反相交流放大器电路如图1-8。此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电,由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。图1-8反相交流放大器原理图

放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值,Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。同相交流放大器电路如图1-9。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。图1-9同向交流放大器原理图

电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器,以选出各个不同频段的信号,在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率,在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1,品质因数,3dB带宽B=1/〔п*R3*C也可根据设计确定的Q、fo、Ao值,去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/〔2пfoAoC,R2=Q/〔〔2Q2-Ao*2пfoC,R3=2Q/〔2пfoC。上式中,当fo=1KHz时,C取0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大,图1-10是LM324芯片有源带通滤波器的原理图图1-10有源带通滤波器原理图

此电路亦可使用单电源,只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。本实验采用LM324,实现前置放大与有源带通滤波的功能。TDA2030引脚图与应用电路参数TDA2030是最常用到的音频功率放大电路,其芯片引脚示意图如图1-11下面是TDA2030管脚功能：

1脚是正相输入端

2脚是反向输入端

3脚是负电源输入端

4脚是功率输出端

5脚是正电源输入端。图1-11TDA2030引脚图实验步骤电路仿真实验用Multisim软件对电路进行仿真,测量电路中的电压电流,完善电路图,仿真实验具体步骤如下：根据原理图1-2设计仿真电路图；在三级电路的输出处放置示波器和电压表,监测各级输出的波形以及示数；在连接好仿真电路图的前提下,测试各级的输出特性和示数,并做好记录计算各级关于本实验所要求的性能指标点,将理论值与实际测量值进行对比,分析原理图是否符合实验的测试要求；具体的测试结果如下：前置放大器由伏安表XMM1工作时的电压可知,VS的有效值为3.535mV。测试结果如图1-13、1-14、1-15所示,图1-12为仿真电路的全局测试图；图1-12仿真运行的全局结果图图1-13电压表测量结果图示波器测量的值为输入信号的峰值,从图1-4中可以看出输入信号的峰值为4.905Mv,实际输入的信号峰值为5Mv,说明示波器的测量存在一定的误差。图1-14示波器测量结果图图1-15前置放大器输出电压测试结果图理论计算：由仿真原理电路图1-2可知,电压放大倍数Au=V1/VS=R3R6/R1R4=〔1200×9/<120×0.1=900。实际测量：实际测量的前置放大器的输出电压为3.042V,输入电压为3.535mV,计算得到放大倍数为：Au=3.042/0.003535=860.537理论的输入阻抗为Ri≥100kΩ,由图1-2分析可得前置放大器的输入阻抗为：120.1kΩ,基本与本实验的指标参数相等,满足实验的要求。有源滤波器由图1-16〔1中示波器的波形测量可知,有源滤波器的输出波形的周期为335.227us,则频率为f=1/335.227=2983.05Hz<3kHz。图1-16〔1有源滤波器输出电压波形图由图1-2可知,电路首先经过高通滤波电路进行滤波,滤波频率f1=ω/2π,ω=1/RC,则f1=1/〔2πRC=1/〔2×3.14×10×103×150×10-9=106.157Hz〔约为100Hz,设此时的输出电压为V2。其次,电路经过低通滤波电路,其滤波频率f2=ω/2π,ω=1/RC,则f2=1/〔2πRC=1/〔2×3.14×2400×22×10-9=3015.827Hz〔约为3kHz。可以实现带通滤波,通带为100Hz～3kHz。由图1-16和图1-17中的测量值可知,有源滤波器的输出电压峰值为4.280V,有效值为3.038V,前置放大器的输出电压为3.042V,计算可得二者的比值3.038/3.042=0.998≈1；且也即本实验的有源带通滤波器的放大倍数几乎为1,满足实验要求；图1-16有源滤波器输出电压波形-测量电压峰值图图1-17电压表测量输出电压图功率放大器当变阻器阻值x=950Ω时,A=〔1900+950/1000=2.85,V2=3.038V,由图1-18,1-19知,V3=4.29V〔有效值,A=4.14/3.038≈1.36。此时输出功率P=4.292/<8*2>≈1.15>1W,基本满足设计要求。图1-18功率放大器输出波形图图1-19功率放大器输出电压测量结果图硬件实物实验前置放大器的焊接与调试焊接:根据图1-3前置放大器的原理图在电路板上进行布局与焊接；<2>动态调试：连接电路的各个输入输出以及电源与地,观测示波器的波形,得到如图1-20的波形图,图1-21是经过调整后所得的波形图,此时函数发生器和电源供给器的示数图1-22所示；图1-20前置放大器输出波形图图1-21经过调整后的前置放大器的输出波形图图1-22函数发生器与电源示数图有源带通滤波器〔1焊接：根据图1-4有源带通滤波器原理图进行焊接〔2动态调试：①输出电压的测量以及输出波形的观测,测试结果如图1-23,此时函数发生器和电源供给器的示数如图1-24所示图1-22有源带通滤波器输出波形图1-23函数发生器与电源示数图功率放大器〔1焊接：根据图1-5功率放大器原理图进行焊接〔2调试：观察输出端有无振荡,如有振荡,采取措施以消除振荡。按照要求连接电路以及供电和接地,观察所得波形是否满足要求,如不满足,通过电位器调节以满足要求。波形图如图1-24所示；图1-24功率放大器输出波形图实物图实物图如图1-25,1-26,1-27图1-25实物图1〔反面图1-26实物图2〔反面图1-27实物图3〔正面实验中的问题提出与解决方法1>前置放大器调试过程问题研究：放大器的输出波形产生了交越失真如图1-21,1-22；问题原因：输入的信号太小,并且原理电路中的放大倍数大,会产生失真解决方案：增大输入的电压,测量此时的输出波形经验教训：在原理电路设计时进行参数分析,选择合适的元器件的,用心完成仿真实验,在仿真实验阶段进行深刻地分析,及时改正元器件的参数以保证实验能顺利进行；2分段测试放大效果没有问题,但在总的测试过程中不能无失真放大问题探究:第一、二级放大与功率放大间级联没有产生阻抗匹配；问题原因：在实际焊接过程中使用的全是固定电阻；解决方案:我们将第一级放大电路及功率放大电路的反馈中的电阻换成了电位器,可以通过改变两个电阻值的大小来改变级联之间的匹配问题经验教训：仿真与实际实验之间还是有不少差别的,我么要随机应变,找出规律,慢慢调试。3>输出信号扬声器不能播出正常放大声音,掺杂着噪音问题探究：功放TDA2030增益过大；问题原因：由于前部分电路设计致使TDA2030增益相对过大,以及输入电压太小解决方案：不改变已经焊接、调试成功的电路,通过减小功率放大反馈电路中电位器的阻值来减小增益；经验教训：最大的不一定是最好的,要想得到好的音质,就必须要舍弃一些增益。注意事项〔1在使用集成运放和功放时,一定要明白管脚,尤其是正负电源不可接错,否则容易将其损坏；〔2应使用大功率负载,否则很容易将负载烧坏；〔3焊接集成功放时,芯片会发热,希望可以加上散热；〔4各级应分开焊、分开测,最后统调；〔5电路板上裸露的元器件管脚不能太长,容