音频功率放大电路实验报告

..学生序号6专业：学生序号6专业：____日期：地点：课程名称：电路与模拟电子技术实验指导张冶沁成绩：__________________实验名称：音频功率放大电路实验类型：电路实验同组学生____________一、实验目的和要求〔必填 二、实验内容和原理〔必填三、主要仪器设备〔必填 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析〔必填七、讨论、心得一、实验目的和要求1、理解音频功率放大电路的工作原理。2、学习手工焊接和电路布局组装方法。3、提高电子电路的综合调试能力。4、通过myDAQ来分析理论数据和实际数据之间的关系。二、实验内容和原理音频功率放大电路,也即音响系统放大器,用于对音频信号的处理和放大。按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分。作为音响系统中的放大设备,它接受的信号源有多种形式,通常有话筒输出、唱机输出、录音输出和调谐器输出。它们的输出信号差异很大,因此,音频功放电路中设置前置放大级以适应不同信号源的输入。为了满足听众对频响的要求和弥补扬声器系统的频率响应不足,设置了音调控制放大器,希望能对高音、低音部分的频率特性进行调节。为了充分地推动扬声器,通常音响系统中的功率放大器能输出数十瓦以上功率,而高级音响系统的功放最大输出功率可达几百瓦以上。扩音机的整机电路如下图所示,按其构成,可分为前置放大级,音调控制级和功率放大级三部分。三、主要仪器设备1、示波器、信号发生器、稳压电源。2、空电路板,电烙铁等工具。3、μA741、电阻电容等元件。四、操作方法和实验步骤1.静态调试2.动态调试3.空载测量整机指标4.加载测量整机指标5.听音试验〔选做6.用myDQA调试前置放大级、音调控制级,比较用Multisim仿真和用myDAQ得到的结果进行分析比较。五、实验数据记录和处理1.静态测试静态电压VO1VO2VO3实测值000动态调试〔电压为有效值节点电压实测值放大倍数实测值Vi=Vi110.2mV前置放大级Av16.10Vo1=Vi262.2mV音调控制级Av21.00Vo2=Vi362.2mV功率放大级Av332.80Vo3=Vo2.04V整机Av200.06空载测量整机指标整机电压增益Av200.06最大不失真输出电压Vomax12.94V峰值输入灵敏度Vimax62.79mV峰值噪声电压VN8.90mV峰峰值下限截止频率fL45Hz上限截止频率fH10.22kHz高低音控制特性当f=100HzVOVOAVOB低音净提升量低音净衰减量2.36V6.10V563mV8.25dB-12.45dB当f=10kHzVOVOAVOB高音净提升量高音净衰减量1.63V6.03V477mV11.36dB-10.67dB六、实验结果与分析前置放大电路如右采用了LM741运放组成电压串联负反馈同相输入比例放大器。电路中C2用于消除自激振荡,视为开路,理论闭环电压放大倍数为试验测得6.10倍,非常吻合。前置级输入电阻为Ri=R1=100kΩ,输出电阻Ro=0音调控制级如右其中RP1和RP2是分别调节低音和高音的两个电位器,调节RP1和RP2两个电位器以改变反馈系数,从而改变放大器的幅频特性,以达到音调控制作用。理论电压放大倍数为当RP1和RP2均打到中间位置时,由于反馈网络参数对称,易知Zf=Zi,即Avf2=-1,实验测得值为-1.00,非常吻合。功率放大级如右本实验电路的功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式。功放级电路中,电容C15、C16用作电源滤波。D2和D2为防止输出端的瞬时过电压损坏芯片的保护二极管。R11、C10为输出端校正网络以补偿感性负载,其作用是把扬声器的电感性负载补偿接近纯电阻性,避免自激和过电压。理论电压放大倍数为实测值为32.80倍,已非常接近理论值。而RP3的作用是调节电位器分压值作为功放级输入,起到音量调节作用。整机指标实测整机电压增益为200.06倍,理论值为203.44倍,非常接近。噪声电压很小,表明电路抗干扰能力强,这也是由于使用了低噪声前置级。空载最大不失真输出电压为12.94V,受到了外加工作电压15V的限制,实际上测量最大不失真输出功率可以验证元件参数,但出于安全考虑没有带载测量。通频带宽测得为45Hz~10.22kHz,人耳能感受到的频率为20Hz~20kHz,因此截止频率上限偏低,频率响应缺乏充足的高音部分。低音、高音的净提升量和净衰减量均接近实验参考值±10dB。听音试验整机测试完成后,将功放级输出端连在实验室的音箱上,用音乐播放器通过音频线连接前置放大级作为输入,在音箱上成功播放了庞麦郎的新歌《阻止你哭泣》,调节RP1对低音有明显的控制作用,调节RP2对高音有明显的控制作用,而调节RP3对整体音量起决定性作用。七、讨论、心得本次实验做了两周,而且亲自动手焊电路板,感受颇多。首先第一次焊电路板感到十分新奇,一开始也有点紧张,还好在细心操作下未曾伤到手或引起跳闸之类的事故。第一次焊好的电路板有一处电容接线错误的地方,能在上电之前及时发现,实在是万幸,究其原因是没有把电路原理图和电路板上的位置正确对应,这一点应该积累经验。电路焊接本身的一个问题在于我过分追求美观,把焊锡面做得比较圆滑,后来了解到,其实应该用更少量的焊锡,防止虚焊,也方便改接,毕竟实用性最重要。第二次课的功放电路测试基本还算顺利,听音实验也很成功,尤其是通过自己焊接的电路板在音箱上放出了歌曲,感到很有成就感,同时还理解到了音频设备之间阻抗匹配的重要性,以及低音、高音增益的原理,明白了调节均衡的意义所在,我自己是个吉他手,演出的时候也接触过不少音频设备,现在多少能够理解各种音频器件的工作原理和重要参数了,相信对我的演艺副业也有一定帮助。另外我们小组组织了一次myDAQ使用学习,特意借用了图书馆三楼的研究空间,花了一个小时左右完成了入门并成功调试出了真实波形和仿真波形同时显示。现场图片会打包和实验报告上传至ftp。整理本次实验数据,将实测值与理论估算值相比较并加以分析。答：见实验报告正文2.分析实验中出现的异常现象。答：没有特别异常的现象,唯一一点不寻常的现象的某些功放级电路板通电后发现无法放大信号,或者直流稳压源电压被降下来了,这是由于功放级存在质量问题,内部被烧坏或者一开始就不符合出厂标准,但这也是可以解释的,所以实际上还是没出现不能解释的异常。3.引起噪声、自激、失真现象的原因是什么？答：引起噪声的原因有电源干扰噪声、接地回路噪声、设备内部噪声等,而放大电路较为灵敏,在很高的放大倍数下,很小的干扰也可能被放大得很明显；自激现象是由于环路增益大于1,反馈前后信号的相位差在360°以上,也就是形成了正反馈,较小的噪声信号不断自我加强,从而引起自激振荡；4.在音频功率放大电路实验中,扩音机的整机电路按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率输出级三部分。5.在Pspice软件中仿真中,常用ACSweep、DCSweep、Transient对电路扫描分析,简述三种扫描方式用于分析什么参数？请以扩音机放大电路为例说明。答：ACSweep用于分析电路的频率特性,在扩音机电路中可以分析其通频带宽；DCSweep用于分析直流通路中的电压传输特性,在扩音机电路中没用,因为各级之间都是以电容耦合,直流信号加不进去；Transient瞬态分析用于分析特定频率和输入下,输出电压随时间变化的关系,可以观察输出波形是否失真,因此在扩音机电路中可以找到最大不失真输出电压,也可以用于观察负载上的电流、电压或功率。6.音频功放电路中各个电位器的作用分别是什么？答：RP1控制低音增益,RP2控制高音增益,RP3控制整机音量。各级电路放大倍数的理论值分别是多少？答：前置放大级为6.1倍,音调控制级为1倍〔反相,功率输出级为33.35倍,整机为203.44倍〔反相8.C1、C2作用？分别是什么电容？使用时注意事项。答：C1是电解电容,起到耦合作用,容量较大,在接入电路的时候必须接对极性,在通频带内看做短路,对直流视作开路；C2是瓷片电容,起到消除自激振荡的作用,容量较小,通频带内视作开路。9.静态时输出端有电压什么原因,怎样处理？答：一般是由于元件内部参数不对称造成的失调电压,一般较小,在输入信号大的情况下可以忽略,但若要处理,可以预先输入电压用于平衡失调电压,在此基础上认为是"零输入"。或者更换更精密的运放。放大倍数出现异常,应该怎样检查？如何改正？答：首先分级排查是哪一级或哪几级的放大倍数出了问题,在示波器上观察是不适因为电压已经失真,若并非失真,当确定某一级的放大倍数有误,应检查信号输入端电阻和负反馈回路电阻的阻值之比是否正确,电阻元件是否损坏,根据情况更换正确阻值的完好元件。11.如何测量音频功放电路的输入灵敏度和噪声电压？〔测量方法？什么仪器测？电位器位置？答：RP1和RP2打到中间位置,RP3打到最右端,将示波器的CH1和CH2分别接到功放电路的输入和输出端,用信号发生器产生正弦波到输入端,从零开始增大输入信号,在示波器上观察输出电压是否失真,当达到失真边界时,记录输入电压,即为功放电路的输入灵敏度；维持电位器状态,将输入端对地短路,测量输出信号,在示波器上观察峰峰值〔不可用平均值,此时的电压即为噪声电压。12.如何测量音频功放电路的高音的净提升量？〔测量方法？计算表达式答：先将RP1、RP2电位器调至中间位置,调节输入信号〔f=1kHz,使输出电压为最大输出电压的10％左右〔0.5V左右,测出VO。将低音电位器RP1调到中间位置,使高音电位器RP2调至C端,测出VOC。则高音净提升量为〔单位为分贝：13.电子电路调试应遵循哪些基本原则？答：先静态,后动态；先分级,后整机；插拔关闭电源。比较Multisim、myDAQ、pspice之间的联系和区别,用仿真软件对实际电路设计的促进作用,通过myDQA比较理论数据和实际数据之间的区别和联系。〔重点分析>答：本学期在仿真中主要使用multisim和pspice,由于课程要求,多数情况下使用了pspice,但我个人认为两者都有其优缺点。最大的感受之一是Multisim的元件库比pspice更全,市场上的芯片有时在pspice中找不到,而multisim有,而且pspice中即使找得到器件,也要分为有仿真模型和无仿真模型的,很令人困扰,multisim中这些元件的仿真模型还非常精确；在对电路的仿真分析中,它们都具有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、直流扫描分析、温度分析、参数分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析的功能,然而Multisim还可以对电路进行失真分析、直流/交流灵敏度分析、零点/极点分析、交流传递函数分析、RF<射频>电路仿真、自定义类型仿真,虽然我暂时还不会用；multisim还有一个亮点是出色的虚拟仪表,这些仪表和现实中的仪表几乎一样,可以实时观察电路运行状态,在一些有电位器或函数发生器的电路中尤为方便；总的来说,multisim的功能更容易上手。Pspice的功能其实比较复杂,也更严谨。比如在电路中如果有接线错误,multisim可以继续仿真,但得出的是错误的结果,pspice则会禁止仿真,并在图中提示错误的位置以便更改；pspice最方便的功能之一在于静态工作点可以直接在电路中显示,而无需像multisim一样逐点查看；multisim最大的一个问题在于,当在放大电路中使用参数扫描增大输入信号的时候,输出信号会无限制地线性增大,这虽然是理想的情况,但却不符合现实,pspice给出的图线则是比较符合现实的情况,也正是利用这一点,pspice可以无需通过肉眼判断波形失真,仅凭对输出电压和输入电压比值作图即可判定拐点。myDAQ是个奇妙的仪器,它的出现甚至可以让我们在风景优美的野外做电路实验。myDAQ通常需要和multisim配套使用,在multisim中把ELVISmx中的虚拟仪表同电路相连,只要电脑驱动识别了myDAQ,就可以在仪表中同时显示仿真得到的波形和myDAQ连接真实电路得到的波形,并进行对比。有一点区别在于真实数据的曲线通过采样获取,如果信号频率继续增大,若采样频率跟不上,到一定程度就无法很好地刻画真实数据,而采样频率和USB性能有关,也因此,真实数据的点比仿真数据更加"离散"。对于功放电路的前两级,我们用myDAQ测定的数据往往不是特别稳定,但其均值基本和理论值接近,从后面的图片可以看到比仿真值略大了一点,这是因为手动调节电位器的时候难以保证放大倍数恰好符合理论值要求,和真实实验是一样的道理。Multisim仿真本次我选用multisim的原因有三：pspice中找不到TDA2030,而multisim有现成的为了和myDAQ对接方便,索性直接用multisim仿真整机Pspice的使用我已经很熟了,我认为两者都能很好地完成这次的仿真