基于Simulink的音响放大器仿真研究毕业设计

目录摘要 dB9.5dB-2dB28dB图2-1各级电压增益分配图2.2话筒放大器和混合放大器设计如图2-2所示电路由话筒放大和前置混合放大两级电路组成。其中选用高输入阻抗的集成运算放大器UA741CP，并采用同相端输入。由图2-1所示的增益分配，可知话放级，取，。混响前置放大器的电路由运放UA741CP组成，这是一个反向加法器电路，输出电压的表达式为〔式2-1〕图2-2话筒放大器与混合前置放大器电路设计2.3音调控制器设计2.3.1音调控制器的组成和音调调节的根本原理根据反响式音调控制器的框图要求，由RC网络和放大器组成的闭环系统，放大器要求，，所以采用集成运算放大器较好，其电路组成如图2-3所示。图2-3音调控制和音调调节原理图图中RC网络由～，，，～组成，通常，，，。2.3.2音调控制器的根本原理音调控制器是以中品〔1kHz〕增益〔0dB〕为根底，对地音频和高音频区的增益进行提升和衰减。中频时，，相当于短路，开路，很大相当于开路，其中频〔相当于0dB〕。低音频区，开路，当调至最左端时低频提升最大，其等效电路分别如图2-4〔a〕和2-4〔b〕所示。图2-4〔a〕音调控制器低频等效电路〔低频衰减〕高音频区，可视为短路，起等效电路图如图2-5所示。图〔a〕中，，组成星形连接，图〔b〕为星形变换为△连接后的等效电路。电阻关系为〔式2-2〕〔式2-3〕〔式2-4〕图2-4〔b〕音调控制器低频等效电路〔低频提升〕图2-5〔a〕音调控制器高频等效电路〔星形等效电路〕图2-5〔b〕音调控制器高频等效电路〔△形等效电路〕假设取，那么。当调至最右端和最左端时，分别对应高频衰减、提升最大的情况。图2-6〔a〕和2-6〔b〕分别为其等效电路图，图中因，阻性大，可视为开路。图2-6〔a〕高频调节等效电路〔高频衰减〕图2-6〔b〕高频调节等效电路〔高频提升〕放大器→0放大器→0RC网络放大器→0→0图2-7〔a〕反响式音调控制器框图图2-7〔b〕反响式音调控制频响曲线示意图低频等效电路图2-4〔a〕中电路电压放大配属的数学表达式为〔式2-5〕其中〔式2-6〕或〔式2-7〕=2π=〔〕/〔〕或=〔〕/〔2π〕其模值为〔式2-8〕参照图2-7〔b〕曲线，当时可以视为开路，此时有〔相当于-20dB〕〔式2-9〕当时，因，由式〔式2-8〕得，比上升3dB。当时，，比中频增益低3dB。在和之间变化时，因为，且时，可近似认为电压增益以每倍频程6dB的斜率〔6dB/oct〕变化。同理，可分析出图2-4〔b〕电路电压放大倍数的数学表达式，其模值为〔式2-10〕当时，开路，有〔相当于20dB〕〔取〕。当时，，比下降了3dB。而当时，有，比中频上升3dB。在和之间变化时其增益近似按-6dB/oct斜率变化。高频等效电路2-6〔a〕可分析出电路电压放大倍数的数学表达式为〔式2-11〕其中〔式2-12〕或〔式2-13〕〔式2-14〕或〔式2-15〕其模值〔式2-16〕由式〔4〕知，当时，模值为比中频〔〕下降3dB。当时，有，比中频下降17dB。当在和间变化，因，且，可近似认为增益以-6dB/otc斜率变化。同理可分析出图2-6〔b〕中电路的电压放大倍数的模值是将式〔4〕根号内分子分母调换，其频响曲线对称于水平轴〔0dB〕上下。且在和间变化时，近似以6dB/oct斜率变化。实际应用是常取，,,分别在,间变化时其增益近似按变化，因此设计时，可近似按和考虑。RC网络各元件参数选择，首先根据音调控制特性要求，和处的增益及调节范围，求出和。〔式2-16〕〔式2-16〕〔式2-16〕〔式2-16〕再由音调控制器电压放大配属模值要满足〔式2-16〕并综合考虑各电阻的选取原那么综合考虑，一般，，取几至几十千欧，取及至几百千欧，取〔或〕，那么选〔或〕。取。因，，选，，选。集成运算放大器选择高输入阻抗、低输出阻抗，考虑到到话放级、混放级，为减少种类和数量，选集成运放芯片UA741。因为采用单电源供电，所以要设置偏置电阻，。2.4功率放大电路设计+9V由于采用集成功率放大器，电路设计变得十分简单，只要查阅手册便可得到功放块外围电路的元件值。设计如图2-8所示。+9V330uF330uF++330uF100uF×++330uF100uF×214+910+91010uF＋+LA4102131210uF＋+LA410213126_31+6_31+820Ω54470uF820Ω54470uF+8Ω+8Ω47uF47pF47uF47pF4470pF图2-8功率放大器原理图

第3章主要元器件介绍3.1集成元算放大器UA741物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以发觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。以下即为运算放大器UA741的内部等值电路图，如图3-1所示图3-1运算放大器UA741的内部等值电路图741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。741运算放大器的外型与接脚配置分别如图3-2和图3-3所示。图3-2UA741运算放大器外型图 图3-3741放大器管脚图741运算放大器使用时需于7、4脚位供给一对同等大小的正负电源电压＋Vdc与－Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压＋Vdc或小于负电源电压－Vdc，输入电压差经放大后假设大于外接电源电压＋Vdc至－Vdc之范围，其值会等于＋Vdc或－Vdc，故一般运算放大器输出电压均具有如图3-4之特性曲线，输出电压于到达＋Vdc和－Vdc后会呈现饱和现象。图3-4放大器输出入电压关系图741运算放大器之根本动作如图3-5所示，假设在非反相输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；假设以相同电压信号在反相输入端输入，那么会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性之信号输出。而当对放大器两输入端同时输入电压时，那么是以非反相输入端电压值(V1)减去反相输入端电压值(V2)，可于输出端得到(V1－V2)经过倍率放大后之输出。图3-5放大器根本输出入关系图3.2集成功率放大器LA4102LA4102集成功放的内部电路如图3-6，LA4102集成功放电路具有集成功放典型电路的结构,它由输入级、中间级和输出级三局部所组成。其中T1、T2为差动输入级。T3、R4、R5及T5组成分压网络，一方面为T1提供静态偏置电压，另一方面为T5、T6组成的镜像恒流源提供参考电流。T4、T7组成两级电压放大器，具有较高的电压增益。T8、T14组成的PNP型复合管与T12、T13组成的NPN型复合管共同构成互补对称推挽输出电路。R9、T9-T11为电平移动电路，给末级功放提供适宜的静态偏置。R11接于输出端和T2的基极之间，构成很深的直流负反响，可以稳定静态工作点，提高共模抑制比。此集成功放采用单电源供电方式接成OTL电路形式，也可以采用正负双电源供电方式〔③脚接负电源〕接成OCL电路形式。LA4100-LA4102功率集成外电路引线图如图3-7。LA4102为双列直插式结构，它共有14个外引线，每边有7个。靠近散热片一端有圆槽指示的为1端，1端为输出端，3端为公共端，4、5端接消振电容，6脚为放大器的反相输入端，在应用电路中与输出端连成反响电路，9脚为放大器的同相输入端，在应用电路中为信号输入端，10脚为纹波抑制，应用电路中接有大电容，12脚向外提供电源端，13脚为自举电路的端点，14脚为电源。图3-6LA4102集成功放内部电路图3-7LA4102外引脚图

第4章建模与仿真4.1Matlab简介MATLAB是矩阵实验室〔MatrixLaboratory〕的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大局部。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创立用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的根本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也参加了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。目前MATLAB产品族可以用来进行：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等工作。4.2Simulink简介Simulink于20世纪90年代初由MathWorks公司开发，是MATLAB环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。从字面上看，Simulink一词有两层含义，Simu说明它可用于系统仿真；link说明它能够进行系统连接。在该软件环境下，用户可以在屏幕上调用现成的模块，并将它们适当连接起来构成系统的模型，即所谓的可视化建模。建模完成以后，以该模块为对象运行Simulink中的仿真程序，可以对模型进行仿真，并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。Simulink模块库内容十分丰富，出包括输入信号源〔Soueces〕模块库、输出接收〔Sinks〕模块库、连续系统〔Continuous〕模块库、离散系统〔Discrete〕模块库、数学运算〔MathOperations〕模块库等许多标准模块外，用户还可以自定义和创立模块。系统的模型建立之后，选择仿真参数和数值算法，便可以启动仿真程序对系统进行仿真，这种操作可以用Simulink菜单，也可以用MATLAB命令实现。菜单方式对于交互式运行特别方便，而命令方式对于运行一批仿真时很有用。在仿真过程中，用户可也设置不能同的输出方式来观察仿真结果。例如，使用Sinks模块库中的Scope模块或者其他县市模块来观察有关信号的变化曲线，也可以将结果存放在MATLAB工作空间中，供以后出路和使用。根据仿真结果，用户可以调整系统参数，观察分析仿真结果的变化，从而获得更加理想的仿真结果。系统仿真一般分为三个步骤，即建模仿真、实验仿真和仿真分析。1.仿真建模仿真建模师根据实际系统建立仿真模型的过程，它是整个仿真过程中的一个关键步骤，因此仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果及其仿真结构的真实性和可靠性。2.实验仿真仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中，通常需要屡次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号反响，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。3.仿真分析仿真分析是一个仿真流程的最后步骤。在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多关于系统性能的信息，但是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统性能的一个总体评价。4.3模型建立及各个模块参数设置4.3.1仿真模型的整体设计音响放大器的原理图如图4-1所示图4-1音响放大器原理电路图这里先对模型从整体上做一个介绍，本文主要运用Simulink中两个常用的模块库：Simulink常用模块库〔Simulink〕和simscape模块库。在simulink模块库中我们可以找到需要的元件，如sinks中的scope〔示波器〕，sources中的信号源等；simscape模块库中我们可以找到resistor〔电阻〕，COMSNAND〔与非门〕等一系列元件。我们可以新建一个model文件，将需要的原件参加所建的model文件中，并且将各个元件按照电路图连接起来，组成最后simulink中的电路图如图4-2所示。

图4-2音响放大器模型电路图在以上模型中各个元件参数设置如下：固定电阻参数选择表4-1音响放大器固定电阻参数R19.1kohmR282kohmR3、R4、R5、R8、R9、R14、R1510kohmR615kohmR730kohmR10、R11、R1243kohmR1313kohmR16820ohm滑动变阻器参数选择表4-2音响放大器滑动变阻器参数、10kohm、470kohm电容参数选择表4-3音响放大器电容参数C14.7uFC2、C3、C4、C5、C6、C7、C11、C1910uFC8、C90.01uFC10、C17470pFC1247uFC13、C14、C15100uFC16470uFC1847pFC20330uFC21220uF直流电压源参数选择表4-4音响放大器直流电压源参数VCC9V信号源参数选择表4-5音响放大器信号源参数话筒信号源〔正弦信号〕5〔幅度〕拾音信号源〔正弦信号〕50〔幅度〕4.3.2根本模块的介绍设置完以上元件的参数就可以进行子系统的设计，接下来列出子系统UA741和LA4102的电路图和参数设置。UA741的子系统外观图和内部原理电路图分别如图4-3〔a〕和图4-3〔b〕所示。图4-3〔a〕UA741子系统外观图图4-3〔b〕UA741内部电路原理图UA741中元件参数设置如下：1.电阻参数设置表4-6UA741内部电阻参数R-125ohmR-250ohmR-3、R-61kohmR-450kohmR-539kohmR-74.5kohmR-87.5kohmR-105kohmR-1150ohmR-1250kohm2.三极管参数设置图中PNP三级管以及NPN三极管参数设置均保存默认值。LA4102的子系统外观图和内部原理电路图分别如图4-4〔a〕和图4-4〔b〕所示。图4-4〔a〕LA4102子系统外观图图4-4〔b〕LA4102内部电路原理图LA4102中元件参数设置如下：电阻参数设置表4-7LA4102内部电阻参数R-1、R-1120kohmR-2、R-35.1kohmR-48.8kohmR-510kohmR-6、R-10、R-12100ohmR-7150ohmR-83ohmR-9510kohm2.三极管参数设置图中PNP三级管以及NPN三极管参数设置均保存默认值。4.4实验过程及结果分析设置好输入信号后，可以对信号开始观察。首先可以通过示波器观察到话筒输入信号的波形如图4-5〔a〕所示。图4-5〔a〕话筒输入信号波形当滑动变阻器划片分别置于20%、50%、80%时的信号波形图分别如图4-5〔b〕、图4-5〔c〕和图4-5〔d〕所示。图4-5〔b〕滑动变阻器置于20%处时的话放输出信号波形图4-5〔c〕滑动变阻器置于50%处时的话放输出信号波形图4-5〔d〕滑动变阻器置于80%处时的话放输出信号波形有上边四幅图片的比照可以看出，调剂滑动变阻器的阻值就可以到达调节输出信号强度〔幅度〕的作用，即可以到达控制音量大小的作用。混放级和功放级也同样可以到达这样的仿真效果，由于两者均要考虑两路输入信号的改变问题，故不再一一列出波形。现仅列出拾音输入信号的的波形和到达预期目标的扬声器输出信号的波形，分别如图4-6和4-7所示。图4-6拾音输入信号波形图4-7扬声器输出信号波形仿真结果分析：通过仿真的波形可以看出，此次设计仿真的音响放大器各项指标均到达预期的结果，通过调节滑动变阻器的阻值也可以看出信号强弱的变化，说明此次仿真是成功的。总结本文从各个方面阐述了利用simulink进行仿真的步骤和方法，并用音响放大器这个实例说明了simulink仿真的可行性，通过simulink进行仿真可以真实的了解该器件的工作原理，并且可以对有故障的器件进行模拟查出故障所在兵顺利排除故障，也可以为大家学习一切器件提供帮助，甚至可以在仿真一些产品的结构用于检测生产的可行性。它的主要优点就在于可以仿真出各种元器件，从而节省了本钱，节省了资源。本文通过对音响放大器的仿真，就可以得到一些很珍贵的资料从而为生产出质量以及功能更加完善的音响放大器提供有力的技术支持和有用的信息支持。

致谢时光飞逝，岁月如梭，四年的本科学习就要结束了，我庆幸自己是郑州大学物理工程学院一员，我在这里学到了知识，学会了做人，我在期盼、兴奋、冲动中走过了这不同寻常的四年，四年中，我学到了许多专业知识，