实验五音响放大器的设计

东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电路与电子线路实验2 第 5 次实验实验名称： 音响放大器的设计 院（系）： 吴健雄学院 专业： 姓名： 学号： 实 验 室: 实验组别： 同组人员： 实验时间： 评估成绩： 审视教师： 一、 实验目的1、理解实验过程：学习、设计、实现、分析、总结。2、系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基本上，运用Multisim软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。3、通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。二、 实验内容设计一种音响放大器，规定实现话筒扩音、音量控制、混音功能、音调可调（选作）等功能。1、基本规定功能规定：话筒扩音、音量控制、混音功能额定功率：0.5W(失真度THD10%)负载阻抗：8频率响应：fL50Hz，fH20kHz输入阻抗：20k话音输入敏捷度：5mV2、提高规定音调控制特性：1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有12dB的调节范畴。3、发挥部分可自行设计实现某些附加功能。三、 电路设计1、项目分析1）话音放大器 话放的输入音源采用驻极体话筒； 话放增益一般为510倍左右，可采用同相放大器实现； 由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k，因此话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)。其输入阻抗应远不小于话筒的输出阻抗。2）混合前置放大器 混合前置放大器的作用是将放大后的话音信号与Line In（输出MP3作为背景音乐信号源）信号混合放大，起到了混音的功能； 使用加法器实现信号的合成。3）功率放大 功率放大的作用是给音响放大器的负载提供一定的输出功率； 当负载一定期，但愿输出的功率尽量的大，输出信号的线性失真尽量的小，效率尽量的高； 常用形式有OTL电路和OCL电路等。4） 电路构造框图5） 电路增益分派（1）输出功率：（2）负载：（3）相应输出电压：由公式得：（4）电压增益：已知输入电压，则电压增益（5）措施倍数分派：A=10A=4A=1A=102、 电路原理图1）话音放大器话音放大器由如图所示电路构成，即由A1构成的同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路。电路满足条件：故其放大倍数为：电路中的所有电容的作用都是滤波。2） 混合前置放大器如图所示的是混合前置放大器，它的作用是将mp3输出的声音信号与话音信号混合放大。它是一种反相加法器电路，输出电压与输入电压之间的关系为：式中，为话音放大器的输出信号，为mp3的输出信号。电位器的作用是对输入的mp3信号进行衰减。电路中的所有电容都用于滤除输入、输出信号中的低频段干扰信号。3） 音调控制器如图所示的是音调控制器，它的作用是控制、调节音响放大器输出频率的高下，控制曲线如下图所示：由图可见，音调控制器只对低音频或高音频的增益进行提高或衰减，中音频增益保持不变，因此音调控制器的电路由低通滤波器与高通滤波器共同构成。音调控制器电路图中的上面部分是低通滤波器，上面的电位器是低音电位器，可用于调节低频信号的增益；下面部分是高通滤波器，下面的电位器就是高音电位器，可用于调节高频信号的增益。在音频范畴的低频部分，电容相称于开路，因此有效的反馈是由和构成的。运放起反相放大器的作用，它的电压增益借助于低音电位器在如下范畴内可变：随着频率的增长，逐渐旁路掉，懂得后者最后被短路而对响应没有影响为止。在最大低音提高或克制的状况下，开始起作用的频率近似等于：在音频的高频端，电容器相称于短路，因此增益就由高音电位器控制。如果满足的条件，可以证明，高频增益的变化范畴是：低于频率如下，高音控制逐渐失去对响应的影响，这个频率近似为：根据上述四个公式，令，可计算得到如电路图中所示的参数。4） 功放电路由于Multisim中没有LM386，因此使用Proteus进行仿真。功放电路采用LM386的典型电路，该电路的电压放大倍数是20倍，可以通过调节输入信号背面接的电位器来变化放大倍数，当电位器接入电路的电阻为50%时，电路的电压放大倍数为10倍。3、 电路的仿真成果1） 话音放大器使用示波器进行仿真分析。如下图所示，输入信号接通道A（绿线），输出信号接通道B（黄线）。当输入信号峰峰值为4.533mV时，输出信号峰峰值为45.176mV，增益为10，符合实验规定。2） 混合前置放大器如下图所示，输入信号1接通道A（蓝线），输入信号2接通道B（黄线），输出信号接通道C（绿线）。当输入信号1与输入信号2的频率相似时，电路仿真图如图(a)所示。当输入信号1的峰峰值为-48.837mV，输入信号2峰峰值为-97.639mV时，输出信号的峰峰值为586.797mV，满足输出信号峰峰值为两路输入信号峰峰值之和的4倍。结合输入输出波形，可以看出：输出信号是两路输入信号叠加后再放大四倍得到的。图(a)当输入信号1与输入信号2的频率不同步，电路仿真图如图(b)所示。当输入信号1的峰峰值为-49.987mV，输入信号2峰峰值为-99.343mV时，输出信号的峰峰值为598.688mV，满足输出信号峰峰值为两路输入信号峰峰值之和的4倍。结合输入输出波形，可以看出：输出信号是两路输入信号叠加后再放大四倍得到的。图(b)3） 音调控制器使用波特图仪进行仿真分析。如下图(a)、图(b)所示，调节低音电位器，得到当频率为125Hz时，增益可调范畴是-12.38212.378dB，且此时调节高音电位器，对低频和中频信号的增益几乎不产生影响。曲线中点：1kHz, 0dB图(a)图(b)如下图(c)、图(d)所示，调节高音电位器，得到当频率为8kHz时，增益可调范畴是-11.29111.496dB，且此时调节低音电位器，对高频和中频信号的增益几乎不产生影响。图(c)图(d)此外，由图(a)、图(b)、图(c)、图(d)可以看出，无论是调节高音电位器还是低音电位器，1kHz的信号的增益始终约等于0dB。综上所述，音调控制器的设计基本符合实验规定。4） 功放电路由于功放电路的设计是直接采用LM386的典型电路，比较有保障，因此省略了仿真过程。四、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析1、硬件实物图（照片形式）：话音放大器混合前置放大器音调控制器功放电路2、按照设计规定对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。1）额定功率： 音响放大器输出失真度不不小于某一数值时的最大功率称为额定功率。其体现式为： 式中，为额定负载阻抗；(有效值)为两端的最大不失真电压。常用来选定电源电压VCC, 测量的条件为：信号发生器的输出信号(音响放大器的输入信号)的频率，电压，音调控制器的两个电位器置于中间位置，音量控制电位器置于最大值，用示波器观测及的波形。实际搭建电路，用示波器观测输入输出信号如下图所示：由上图可以看出，最大不失真电压，因此电压有效值为：，根据公式计算得：，这显然不小于规定的，因此设计是合理的。2）频率响应：测量措施： 音响放大器的输入端接(等于5mV)，两个电位器都置于最左端，使信号发生器的输出频率从20Hz至50kHz变化(保持vi=5mV不变)，测出负载电阻上相应的输出电压，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注与的值。 直接用扫频仪进行测量。3）输入阻抗： 在电源输出端串联一种的电阻作为，测得，则输入阻抗为100k，远远不小于规定的20k，因此设计合理。4） 输入敏捷度：测量措施：将音调控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，使从零开始逐渐增大，直达到到额定功率值时所相应的输入电压值即为输入敏捷度。由图可知，输入敏捷度峰峰值为4.40mV，不不小于题目规定的5mV，故满足实验规定。5）噪声电压：音响放大器的输入为零时，输出负载上的电压称为噪声电压。测量措施：将音调控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，输入端对地短路，用示波器观测输出负载端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。6） 整机效率：整机效率的计算公式为：式中，为输出的额定功率；为输出额定功率时所消耗的电源功率。在输出额定功率的状况下，将电流表串入VCC支路中，测得总电流I=0.5A，又有Vcc=7.5V，代入公式计算得：7）音调控制特性（扩展）： 所有的音调控制器的输入信号峰峰值均为100mV: 当时，调节两个电位器，输出信号的峰峰值不会产生太大变化。由图可知，电压增益，略不小于实验规定的0dB（1倍），基本达到实验规定。 当时，下图(a)所示是最大增益状况，图(b)所示是最小增益状况。图(a)图(b)由图(a)可知，放大时，最大输出电压，最大电压增益，略不不小于实验规定的12dB（4倍），基本达到实验规定。由图(b)可知，缩小时，最小输出电压，最小电压增益，不小于实验规定的-12dB（0.25倍），有一定误差。 当时，下图(c)所示是最大增益状况，图(d)所示是最小增益状况。图(c)图(d)由图(c)可知，放大时，最大输出电压，最大电压增益，略不不小于实验规定的12dB（4倍），基本达到实验规定。由图(d)可知，缩小时，最小输出电压，最小电压增益，不小于实验规定的-12dB（0.25倍），有一定误差。综上：音调控制器实现了对低音频或高音频的增益进行提高或衰减，中音频增益保持不变，但是对于低频或高频增益的提高或衰减的范畴与规定的存在一定误差，特别是在对信号进行衰减时，这阐明在参数选择上仍存在局限性。8）整机信号试听效果：（1）话音扩音：声音清晰，音量大小也可以调节。（2）Mp3音乐试听：多种音乐播放效果都相称不错，且实现了音量和音调的可调。（3）混音功能：混音的效果较好，音乐播放时对着话筒发言声音可以听见的同步又不会完全盖过音乐，两个信号大小调节较好，又很清晰。（4）音调控制（提高）：对高音和低音的放大调节效果明显，缩小调节则效果不是特别明显。3、 浮现故障问题及解决措施总结：（1）浮现的故障及排除措施1） 分模块调试电路均已通过，但两级电路连接在一起时产生失真。解决措施是在两级电路之间接一种射极跟随器。本次实验中共加了两个射极跟随器，分别加在混合前置放大器与音调控制器之间、音调控制器与功放电路之间。2） 输入交流信号时，输出信号产生了某些毛刺，解决措施是在每一级输出后串联一种小电容，滤除毛刺。3） 在每一级输出串联一种电容后，后一级输出信号会上下移动，即有电容充放电的过程，解决措施是将输出后串联的电容换小一点。4） 话筒接入电路后会产生啸叫，这一般是话筒外壳接地不善引起的，解决措施是在话筒输入和地之间接一种的电容。5） 功放电路的低频自激比较明显，解决措施是在功放电源和地之间接一种的滤波电容。（2） 体会与总结通过本次实验，我经历了一次完整的实验过程：学习、设计、实现、分析、总结，每一种环节都是十分重要的。我学会了如何系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基本上，运用Multisim软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。本次实验的四个模块电路，其中前两个是模电理论课上学习过的内容，直接应用并加以少量改善就可以了；尚有两个则是通过自己查找资料进行学习后进行设计的，这提高了我自主学习和设计电路的能力。此外，通过设计、调试等环节，我还增强了独立分析与解决问题的能力。实际搭建电路时遇到了许多问题，几乎每一种模块电路的单独调试都出了或大或小的问题，模块电路间的联合调试也出了某些故障，但所幸通过我们对于电路的理解，以及上网查找资料，我们最后把这些问题都一一解决了。这对我的独立分析和解决问题的能力是一次极好的锻炼。最后是有关实验的合理布局和布线的问题。模电实验对于布局和布线的规定是比较严格的，我们从搭建电路的一开始就注意了这个问题，因此最后出来成果比较抱负。