音调控制电路(-2016南京师范大学电赛校赛D题)

12016 年 南 京 师 范 大 学 电 子设 计 竞 赛音调控制电路（D 题）参赛组别： 大二 参赛组号： 32 队员：张研、施明堃、刘事成 2目录一、设计任务和功能要求 .3二、摘要 .5三、设计原理概述 .5四、电路方案论证 .7五、电路参数计算及系统参数协调 .9六、系统原理总图 .13七、仿真与测试 .14八、元器件清单 .22九、参考文献 .223音调控制电路 （ D 题）一、 设计任务和功能要求1、任务设计制作一个音响系统中的音调控制器。音调控制器的输入音频信号范围不小于 50Hz20kHz，输入信号幅度为 250mV。音调控制器能对低音频和高音频的增益进行提升或衰减，中音频的增益保持 0dB 不变，其幅频特性曲线如图 1 所示。图 1 音调控制器的幅频特性曲线2、要求1基本要求（1）输入信号频率为 0=1kHz 时，增益为 0dB，误差不大于 1dB（输入 250mV 时，对应输出幅度不超过 280mV223mV） 。（2）输入信号频率为 LX=100Hz 时，增益为 dB（输入 250mV 时，对应输出幅度 1000mV63mV）连续可调，波形无明显失真。 （3）输入信号频率为 HX=10kHz 时，增益为 dB（输入 250mV 时，对应输出幅度 1000mV63mV）连续可调，波形无明显失真。2发挥部分（1）输入信号频率为 L1=40Hz 时，增益为 dB（输入 250mV 时，对应输出幅度 2500mV25mV）连续可调，波形无明显失真。 （2）输入信号频率为 H2=25kHz 时，增益为 dB（输入 250mV 时，对应输出幅度 2500mV25mV）连续可调，波形无明显失真。（3）输入信号频率为 L2=400Hz 时，增益为 0dB，误差不大于 dB（输入 250mV 时，对应输出幅度输入 250mV 时，对应输出幅度不超过 353mV fAu /dBfL1 fLX fL2 f0 fH1 fHX fH2 (40Hz) (100Hz) (400Hz) (1kHz) (2.5kHz) (10kHz) (25kHz)2012-12-206dB/倍频程04177mV） 。（4）输入信号频率为 H1=2.5kHz 时，增益为 0dB，误差不大于 dB（输入 250mV 时，对应输出幅度不超过 353mV177mV） 。（5）其他。3、说明1工作电源可用成品，也可自制，电源电压自选。2设计报告正文中应包括方案比较与选择、电路设计、转折频率计算、增益调整范围计算及主要的测试结果等。4、评分标准表 1项 目 主要内容 分数系统方案和方案比较 比较与选择方案描述 2理论分析与计算 转折频率计算及分析增益调整范围及误差分析 9电路图及有关设计文件 电路设计 8测试方案与测试结果分析 测试方案及测试条件测试结果完整性测试结果分析8设计报告结构及规范性 摘要设计报告正文的结构图表的规范性3设计报告总分 30基本要求 实际制作完成情况 50完成第（1）项 10完成第（2）项 10完成第（3）项 10完成第（4）项 10其他 10发挥部分总分 505二、摘要音调的控制不像音量控制,它只对某一段频率的信号进行提升或衰减,不影响其它频段信号的输出,而音量是对整个音频信号频率范围进行同步控制。关键词：音调控制电路、频率特性、音频信号、高频信号、输入信号、退耦电容、低音调、衰减、提升、负反馈。三、设计原理概述音调控制电路是利用电子线路的频率特性原理为目的，改变信号中高、低频成分的比重，适合调节音色改善音质，通过对声音某部分频率信号进行提升或进行衰减，不影响其他频段。音调控制电路大致可分为三大类：（1）衰减式音调控制电路；（2） （晶体管、运放）负反馈音调调控电路；（3）衰减-负反馈混合式音调控制电路。电路一般使用高音、低音两个调节电位器；但在少数控制电路中，也有一个电位器兼做高低音音调控制电路。这里所说的提升和衰减，仍然是相对于中音频而言的。所谓提升，就是比中音频的衰弱要小一些。所谓衰弱。就是比中音频的衰弱要大一些。一个良好的音频控制电路，要有足够的高、低音频调节范围，但又同时要求高、低音频从最强到最弱的整个调节过程里，中音信号不发生明显的幅度变化，以保证音质大致不变。如图 2-1 是音频控制器的幅频特性曲线，其中 L1表示低音频转折频率这里为 40Hz，L2 （等于 10L1）表示低音频区的中音频转折频率，H1 表示高音频区的中音频转折频率，H2（等于 10H1）表示高音频转折频率，这里为 25kHz。图 2-1 音频控制器的幅频特性曲线以 0=1kHz 为音调的中音频，其增益为 0dB；L1 低音转折频率（截止频率） ，其增益为17dB；L2 低音频区中音转折频率，其增益为3dB；H1 高音6频区中音频率转折频率，其增益为3dB；H2 高音转折频率（截止频率） ，其增益为17dB。可见音频调节电路只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持 0dB 不变。因此音调控制电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。图 2-2 音调控制电路系统框图如图 2-2，输入信号为高频信号时进入高音频控制电路进行衰减和提升；输入信号为低频信号时，进入低音频控制电路进行衰减和提升；所有需要电源供电的元器件在接入电源之前需要接入去耦电容以去除电源噪声影响，去耦电容是电路中装设在元件的电源端的电容，此电容可以提供较稳定的电源，同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声，间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。供电电源 去耦电路高音频控制电路低音频控制电路信号输入端 信号输出端7四、电路方案论证1、音调控制电路方案 1 ：负反馈音调控制电路如图 3-1.1 所示。该电路调试方便、信噪比高，因为工作在深度负反馈状态下，放大倍数极低，可改善信号失真，不同于衰减式音调电路，其曲线斜率基本不变而只改变转折频率。对高低电频的调节量大于15dB,对 1kHz 附近的中频信号幅度影响较小，变化量小于 3dB，这样可保证调节音量时响度基本不变，使用时为避免前级电路对音调调节的影响，接入的前级电路的输入阻抗必须尽可能的小，应与本级电路输入阻抗相互匹配。R118k R218k54%RV150kC10.2uF C20.uFR380k45%RV250kR410k 32 184U1:ATL072R568k+12-12C370pFC41uF C51uFVi Vo图 3-1.1 负反馈音调控制电路方案 2：如图 3-2 为衰减式音调控制电路，C1、C2、RV1 构成高音调节器，R1、R2、C3、C4、RV2 构成低音调节器。组成音调电路的元件值必须满足下列关系：（1） R1R2； （2） RV1 和 RV2的阻值远大于 R1、R2； （3） 与有关电阻相比，C1、C2 的容抗在高频时足够小，在中、低频时足够大；而 C3、C4 的容抗则在高、中频时足够小，在低频时足够大。C1、C2 能让高频信号通过，但不让中、低频信号通过；而 C3、C4 则让高、中频信号都通过，但不让低频信号通过。只有满足上述条件，衰减式音调控制电路才有足够的调节范围，并且RV1、RV2 分别只对高音、低音起调节作用，调节时中音的增益基本不变，其值约等于 R2/R1。R1与 R2的比值越大，高、低音的调节范围就越宽，但此时中音的衰减也越大。改变 R1或 R2后，如要保持原来的控制特性，有关电容器的容量也要作相应改变，所以噪声和失真大一些。810%RV120kC10.2uFC20.uF R110k50%RV31k C31nFC41nF R210kR310kVIVo图 3-2 衰减式音调控制电路方案 3：如图 3-3 为衰减-负反馈混合式音调控制电路，这种电路具有衰减式和负反馈式音调控制电路的优点，即失真小并且控制范围很宽，是前两种电路的一种综合和改进，具有更好的实用性。R1()R1()R118k R218k46%RV120kC10.2uF C20.uFR370k0%RV220kR410k 32 184U1:ATL072R568k+12-12C370pFC420pFU1:A(OP)图 3-3 衰减-负反馈混合式音调控制电路方案 4：如图 3-4 为 LM4610 构成的高品质音调均衡集成电路，LM4610 具有集成度高，外围元件少，电路简洁;功能完善，性能优异;低失真，高讯噪比等特点。但是价格昂贵，在本次设计中此种方案不予以考虑。图 3-4 LM4610 构成的高品质音调均衡集成电路9经过比较方案 1、方案 2 与方案 3，虽然方案 3 具有方案 1 和方案 2 的优点，但是在本次设计中，因为不需要较宽的控制范围，使用方案 1 便可以符合设计要求所以在此使用方案 1。五、电路参数计算及系统参数协调图 4-1 负反馈音调控制电路1.当 0 时如图 4-2，当 RV1在最左边时，对应于低频提升最大；如图 4-3，当 RV2最右端时，对于低频信号衰减最大。Vi VoR118k R218k0%RV150k C20.uFR380k +1232 184U2:ANE532C61uFC71uF-12图 4-2 低频提升10Vi VoR118k R218k10%RV150kC20.uFR380k +1232 184U2:ANE532C61uFC71uF-12图 4-3 低频衰减对图 4-2 进行分析,所示电路图是一个一阶有源低通滤波器,器增益函数表达式为:其中: (1)、当 L1 时，C2 可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R4的影响可以忽略，此时电压增益:此时电压增益相对 AVL下降 3dB。（2） 、在当 =L1时，因为 L2=10L1，故可由式（4-1）得：取模后得：此时电压增益 AVL相对下降 3dB。（3） 、在 =L2时，由式（4-1）得取模后得：此时电压增益 AVL相对下降 17dB。同理可以得出图 4-3 所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。2.当 0 时11C1、C2 可视为短路，作为高通滤波器，音调控制器的高频等效电路为图 4-4 所示。R4 与 R1、R2 组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图 4-5所示。其中，若取 R1=R2=R3，则 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R3,当 RV2的滑臂到最左端时，对应于高频提升最大的情况等效电路见图 4-6；RV2 的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况，等效电路见图 4-7。R118k R218kR380k45%RV250kR410k R568k+12-12C3370pFC41uF C51uF32 184U2:ANE532Vi Vo图 4-4 音频控制器高频等效电路R1()R1()0%RV220kR410k 32 184U1:ATL072R568k+12-12C370pFU1:A(OP)R110k R210kR610k图 4-5 图 4-4 的等效电路12RV2(1)RV2(1)0%RV220kR410k32 184U1:ATL072R568k+12-12C3370pFU1:A(OP)R110k图 4-6 高频提升R1()R1() R410k32 184U1:ATL072R568k+12-12C3370pFU1:A(OP)R110kR210k图 4-7 高频衰减图 4-6 所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为：式中，(1)、当 H1（3）时，C3 视为开路，此时电压增益 AV0=1(0dB) 。(2)、在 =H1时,因 H2=10H1由式（4-12）得：此时电压增益 AV3相对于 AV0提升了 3dB。(3)、在 =H2时, 因 H2=10H1由式（4-12）得：13此时电压增益 AV4相对于 AV0提升了 17dB。(4)、当 =H2时，C3 视为短路，此时电压增益:同理可以得出 4-7 所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。在实际应用中，通常先提出对低频区 LX处和高频区 HX处的提升量或衰减量 x(dB)，再根据下式求转折频率 2L(或 1L)和 1H(或 2H),即已知 LX=100Hz，HX=10kHz，x=12dB，由式(4-18)、(4-19)得到转折频率 2L及 1H；计算过程为：由式（4-4）得:其中，RP1、R1、R2 一般取几千欧姆至几千欧姆。现取RP1=500k，R1=R2=47k，由（4-2）得：取标称值 0.01F，即 C1=C2=0.01F。由式（4-9） （4-10） （4-11）得：R4=R1=R2=47k, 则Ra=3R4=141k，R3=Ra/10=14.1k ，取标称值 13k。由式（4-14）得:取标称值 470pF。取 RP1=RP2=500k，级间耦合与隔直电容C4=C5=10F。经过参数计算得到满足设计要求的电路图如图 4-8 所示。六、系统原理总图1450%RV150kR110k+12C1470pF-12R247k51%RV250kC30.1uFR347k R447kC20.1uFC410uFC510uFC4(1) C4(1)C5(2)32 184 U1:ATL072C610uFC70.1uFC810uFC90.1uF图 4-8 系统原理总图七、仿真与测试1、仿真经图 4-8 的接线，当两个电位器都调到中点时，其频率特性曲线如图 6-1.1。图 6-1.1 两电位器在中点时电路频率特性曲线当高频电位器调在中点，低频电位器在最左端时，其频率特性曲线为图 6-1.2。15图 6-1.2 低频电位器在最左端时的幅频特性曲线当高频电位器保持中点时，低频电位器调到最右端时的频率特性如图 6-1.3。图 6-1.3 低频电位器在最右端时幅频特性曲线当低频电位器调至中点，高频电位器调至最左端时，频率特性曲线如图 6-1.4。图 6-1.4 高频电位器在最左端时的频率特性曲线当低频电位器保持中点，高频电位器调至最右端时，频率特性曲线如图 6-161.5。图 6-1.5 高频电位器在最右端时频率特性曲线2、测试音调特性测试方法 1测频法：输入幅度 Uim恒定的正弦波信号，改变输入信号的频率 （通过调节信号发生器输出频率）来观测其输出幅度 Uom ()，当 Uom ()达到预定幅值时，此时信号发生器输出的频率读数值即为给定增益处的频率 。音调特性测试方法 2测幅法：输入信号 Uim幅值的正弦波信号，调节输入信号的频率 （通过调节信号发生器输出频率）至给定的频率，测量出的输出幅度 Uom即为给定频率处的 Uom ()。这里使用测试采用测幅法。测试内容及步骤如下： （1）按图 4-8 连接电路，注意正负电源、地的正确连接。使 RP1、RP2 可调电阻器滑臂均置中间位置。（2）分别输入信号频率为 40Hz、100Hz 、400Hz、1kHz、2.5kHz、10kHz、25kHz 和其他频率的正弦波幅度为 250mV，转动两个电位器，观察输出信号幅值的的最大值与最小值并记录在表 6-2，并绘出频率特性曲线，如图 6-2.1。表 6-2 音调控制特性测量数据表（Uim=250mv）测量频率点 实测电压范围实测增益范围理论电压范围 理论增益范围L1（40Hz） 1.72V22mV16.25-21.1dB2500（1769）mV25(35)mV20(17)dBLX（100Hz） 885mV68.8mV10.98-11.2dB1000mV63mV 12dBL2（400Hz） 312mV232mV1.92-0.65dB353mV 177mV 0（3）dB0（1kHz） 272mV232mV0.73-0.65dB不超过 280mV223mV 0（1）dBH1（2.5kHz 352mV 2. 97- 353mV 177mV 0（3）dB17） 184mV 2.66dBHX（10kHz） 960mV68mV11.69-11.31dB1000mV63mV 12dBH2（25kHz） 2.4V24mV18.06-20.35dB2500（1769）mV25(35)mV20(17)dB1（20Hz） 2.4V24.88mV19.65-20.04dB2500mV25mV 20dB2（40kHz） 2.6V26.4mV20.34-19.53dB2500mV25mV 20dB图 6-3.1 40Hz 时最小值图 3-1.2 40Hz 时最大值图 6-3.3 100Hz 时最小值18图 6-3.4 100Hz 时最大值图 6-3.5 400Hz 时最小值图 6-3.6 400Hz 时最大值19图 6-3.7 1kHz 时最小值图 6-3.8 1kHz 时最大值图 6-3.9 2.5kHz 时最小值20图 6-3.10 2.5kHz 时最大值图 6-3.11 10kHz 时最小值图 6-3.12 10kHz 时最大值21图 6-3.13 25Hz 时最小值图 6-3.14 25kHz 时最大值图 6-3.15 20Hz 时最小值22图 6-3.16 20Hz 时最大值图 6-3.17 40Hz 时最小值图 6-3.18 40Hz 时最大值八、元器件清单表 7 元器件清单表序号 品名 型号/规格 数量 备注10uF 4 电解电容103 2471 11 电容104 247k /1/4W 3 RJ2 电阻10k /1/4W 1 RJ3 电位器 500k 2 旋钮式234 集成运放 NE5532 1 TL0725 电路板 洞洞板 若干 面包板6 插槽 8 脚 1XH2.54-3P 17 接插件XH2.54-2P 2插接线 若干8 导线飞线 若干九、参考文献1、康华光;电子技术基础模拟部分;华中科技大学电子技术课程组编;第六版; 北京;高等教育出版社;2013.122、康华光;电子技术基础数字部分;华中科技大学电子技术课程组编;第六版; 北京;高等教育出版社;2013.123、赵建华 雷志勇;电子技术课程设计;北京;中国电力出版社;2012.24、胡快发;音调控制电路的频率特性及设计J;LABORATORY SCIENCE;2007年第 6 期;2007.125、幸坤涛; 音调控制电路剖析J; 家庭电子;2003 年 03 期;2003.66、张墅;常用音调控制电路解析与设计;2009.6