實驗5音頻放大器

1、東南大學(xué)電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電路與電子線路實驗II 第 5 次實驗實驗名稱：音頻放大器設(shè)計 院 （系）： 吳院 專 業(yè)： 信息 姓 名： 學(xué) 號： 實 驗 室: 金智樓502 實驗組別： 3 同組人員： 實驗時間： 2013年 6月 9 日 評定成績： 審閱教師： 實驗五 音響放大器設(shè)計【實驗內(nèi)容】設(shè)計一個音響放大器，性能指標(biāo)要求為：功能要求 話筒擴音、音量控制、混音功能、音調(diào)可調(diào)(選作)額定功率0.5W(失真度THD10%)負(fù)載阻抗10頻率響應(yīng)fL50HzfH20kHz輸入阻抗20k話音輸入靈敏度5mV音調(diào)控制特性(擴展)1kHz處增益為0dB，125Hz和8kHz處有

2、±12dB的調(diào)節(jié)范圍1. 基本要求功能要求 話筒擴音、音量控制、混音功能額定功率0.5W(失真度THD10%)負(fù)載阻抗10頻率響應(yīng)fL50HzfH20kHz輸入阻抗20k話音輸入靈敏度5mV2. 提高要求音調(diào)控制特性1kHz處增益為0dB，125Hz和8kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍。3. 發(fā)揮部分可自行設(shè)計實現(xiàn)一些附加功能【實驗?zāi)康摹?. 了解實驗過程：學(xué)習(xí)、設(shè)計、實現(xiàn)、分析、總結(jié)。2. 系統(tǒng)、綜合地應(yīng)用已學(xué)到的模擬電路、數(shù)字電路的知識，在單元電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用multisim軟件工具設(shè)計出具有一定工程意義和實用價值的電子電路。3. 通過設(shè)計、調(diào)試等環(huán)節(jié)，增強獨立分析

3、與解決問題的能力。【報告要求】1. 實驗要求：(1) 根據(jù)實驗內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)及實驗室現(xiàn)有條件，自選方案設(shè)計出原理圖，分析工作原理，計算元件參數(shù)。 總體方案l 方案設(shè)計音響放大器主要由話音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器和功率放大器四部分組成。l 增益分配設(shè)計時先確定整機電路的級數(shù)，再根據(jù)各級的功能及級數(shù)指標(biāo)要求分配各級電壓增益，然后分別計算各級電路的參數(shù)，通常從功放級開始向前級逐級計算。本題需要設(shè)計的電路為話音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器和功率放大器。a. 音響放大器參數(shù)：輸出功率：0.5W負(fù)載： 8對應(yīng)輸出電壓： Line In：設(shè)為100mV（可以用電位器衰減）放大倍數(shù)分配可如下圖

4、所示： 單元電路設(shè)計l 話音放大器話放增益一般為510倍左右，可采用同相放大器實現(xiàn)。由于話筒的輸出信號一般只有5mV左右，而輸出阻抗達(dá)到20k。(亦有低輸出阻抗的話筒如20、200等)，所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(最高頻率達(dá)到10kHz)。其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。語音放大器可采用集成運放組成的同相放大器構(gòu)成，具體電路下圖所示：圖中，話音放大器的增益為：所以，為達(dá)到10倍的電壓增益，Rf/R1應(yīng)取到9，根據(jù)實驗室所有電阻可取R1為3K，那么Rf即可用22K和5K的電阻串聯(lián)為27K電阻，或者用100K電位計，電位計占位較大搭建實際電路不方便，所以選擇電阻串聯(lián)為宜。為了不讓

5、高頻干擾信號通過電路，可利用電容通高頻阻低頻特性，在輸入端串接電容，抗干擾用，吸收干擾信號，讓高頻干擾基本不進(jìn)入運放，計算的時候電容不參與運算。l 混合前置放大器混合前置放大器的作用是將放大后的話音信號與Line In（輸出MP3作為背景音樂信號源）信號混合放大，起到了混音的功能?？刹捎梅聪嗉臃ㄆ鲗崿F(xiàn)，具體電路下圖所示：從圖中可以看出，輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為： 式中，Vi1為話筒放大器的輸出信號，Vi2為放音機的輸出信號。另外，圖中的是平衡電阻，大小為/。為使混合前置放大器電壓增益為4，則要求Rf/R1=4，同時R1=R2，所以可以選擇Rf=40K可用100K電位計實現(xiàn)，那么R1=R2

6、=10K。加電容用以隔斷直流電，讓交流電或脈動信號通過，使相信的放大器直流工作點互不影響，耦合電容C1、C2采用10F的極性電容。l 音調(diào)控制器音調(diào)控制電路主要有三種：（1）衰減式RC音調(diào)控制電路，其調(diào)節(jié)范圍較寬，但容易產(chǎn)生失真；（2）反饋型電路，其調(diào)節(jié)范圍小一些，但失真??；（3）混合式音調(diào)控制電路，其電路較復(fù)雜，多用于高級收錄機中。為了使電路簡單、信號失真小，我們采用反饋型音調(diào)控制電路，其電路的原理圖如圖所示：圖中，Z1和Zf是由RC組成的網(wǎng)絡(luò)。因為集成運放A的開環(huán)增益很大，所以：當(dāng)信號頻率不同時，Z1和Zf的阻抗值也不統(tǒng)，所以隨頻率的變化而變化。假設(shè)Z1和Zf包含的RC元件不同，可以組成四

7、種不同形式的電路，如下圖所示：在圖（a）中，可以得到低音提升；在圖（b）中，可以得到高音提升；在圖（c）中，可以得到高音衰減；在圖（d）中，可以得到低音衰減；如果將上圖所示的四種電路形式組合在一起，得到反饋型音調(diào)控制電路，如下圖所示：根據(jù)音響放大器的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，要使頻率響應(yīng)fL50Hz，fH20kHz，1kHz處增益為0dB，125Hz和8kHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，現(xiàn)取PR1=10K，根據(jù)公式：可以求得C2+C1=130nF，那么可取兩個標(biāo)稱電容22nF和100nF并聯(lián)即可。另外，根據(jù)公式：可以求得R1=R2=R3=3K。由于±12dB對應(yīng)增益為4和1/4，取PR2

8、=100K，所以可以求得R4為3K，那么C3=6.8nF，可取標(biāo)稱值為4.7nF和2.2nF的電容并聯(lián)獲得。由于在低音時，音調(diào)控制電路輸入阻抗近似為R1，所以級間耦合電容可取。l 功率放大器功率放大器的作用是給音響放大器的負(fù)載提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時，希望輸出的功率盡可能的大，輸出信號的線性失真盡可能的小，效率盡可能的高。常用形式有OTL電路和OCL電路，集成運算放大器和晶體管組成的功率放大器，以及專用集成電路功率放大器。器件選用LM386，由于LM386有多種型可選，考慮到我們實驗的要求，器件型號可選擇LM386N-4，最大偏置電壓18V，典型輸出功率1W，功放級的增益30倍左右，工

9、作電壓Vs采用6V。參考LM386的數(shù)據(jù)手冊，選用LM386的經(jīng)典功放電路：調(diào)節(jié)10K電位計，使得電壓增益為10即可。(2) 利用EDA軟件進(jìn)行仿真，并優(yōu)化設(shè)計（對仿真結(jié)果進(jìn)行分析）。仿真電路圖及波形：n 話音放大器話放電路的multisim仿真電路圖如下：輸入信號為5mV、1KHz的正弦波，利用示波器觀察波形：可以看出，測量的峰峰值輸出電壓為輸入電壓的10倍，符合話放電路的增益要求。n 混合前置放大器混和前置電路的multisim仿真電路圖如下圖所示：利用兩個信號發(fā)生器分別輸入兩個信號，一個為50mV,1KHz，另外一個為100mV,1KHz，利用示波器測量得到如下波形：可以看出，放大了4倍

10、，符合設(shè)計要求。n 音調(diào)控制器音調(diào)控制電路的multisim仿真電路圖如下圖所示：利用multisim中的波特圖儀來測量125Hz時和8KHz時的幅頻特性，得到如下結(jié)果：Ø 當(dāng)在125Hz時：當(dāng)電位計調(diào)到最小為0K時：可以看出增益約為12dB。當(dāng)電位計調(diào)到最大為10K時：可以看出增益約為-12dB。所以，滿足在125Hz時有±12dB的增益。Ø 當(dāng)在8KHz時：當(dāng)電位計調(diào)到最小為0K時：可以看出增益約為12dB。當(dāng)電位計調(diào)到最大為100K時：可以看出增益約為-12dB。所以，滿足在8KHz時有±12dB的增益。n 功率放大器由于multisim中沒有LM

11、386，所以利用proteus仿真功率放大電路圖如下圖所示：輸入600mV的正弦波，利用示波器測得的波形結(jié)果，調(diào)節(jié)電位計知道為電壓放大10倍，符合設(shè)計要求。利用EDA軟件模仿出的結(jié)果，經(jīng)過微調(diào)，達(dá)到設(shè)計要求，每一級的電壓增益和波形都正確、不失真。(3) 實際搭試所設(shè)計電路，使之達(dá)到設(shè)計要求（實物圖要有圖片）。根據(jù)仿真電路搭建實物電路如下圖所示：功放電路音調(diào)電路混合前置電路話放電路由于，測試時發(fā)現(xiàn)后級對前級有影響，所以在混合前置電路和音調(diào)電路間加了射隨電路，在音調(diào)電路與功放電路間加一個射隨電路。在上圖最下方為兩個射隨電路。由于有嘯叫，所以在Vcc和地間加一個10F的電容去除嘯叫，同時，在地和VE

12、E之間加大電容為3300F，過濾噪聲，是音質(zhì)變好。分級測量：當(dāng)在話放電路輸入端加上5mV，1KHz的正弦波信號時，在話放輸出端測量波形如圖，為第一級輸出波形：可以看出，輸出非端電壓峰峰值為51.6mV，放大了近似為10倍。當(dāng)在line in處輸入100mV，1KHz的正弦波信號時，信號再經(jīng)過混合前置電路時，在其輸出端測量波形，為第二級輸出波形：可以看出經(jīng)過第二級后的輸出電壓峰峰值為640mV，由于輸入為第一級的51.6mV加上line in的100mV，約為150mV，所以放大倍數(shù)約為4倍，符合要求。繼續(xù)測量第三極的輸出波形：可以看出，第二級輸出波形（第三級輸入波形）與第三級輸出波形只有相移而

13、峰峰值并未改變，符合設(shè)計要求。此時，測量第四級輸出端波形：通過以上兩圖可以看出第四級功放電路放大10倍。每一級的增益和波形都符合設(shè)計要求，總計放大400倍。(4) 按照設(shè)計要求對調(diào)試好的硬件電路進(jìn)行測試，記錄測試波形及數(shù)據(jù)，分析電路性能指標(biāo)。 額定功率： 利用信號發(fā)生器做輸入信號，分別輸入5mV和100mV的正弦波，利用示波器測量輸出端的波形如下圖所示：電壓峰峰值為6.56V，所以輸出功率為：Po=Vo2/R=(3.28V)2/8=1.34W理論功率應(yīng)為：P=V2/R=(3.0V)2/8=1.13W誤差為18.5%。 輸入靈敏度：輸入信號波形如下圖所示：輸入信號為5。30mV，所以，輸入靈敏度為5.30mV。 諧波失真度：波形失真度要用橫河表或福祿克表測量，本實驗沒有測量精確值，不過從輸出波形來看波形不失真，失真近似為零。（5）整機信號試聽效果， 話音擴音：話音字句清晰，無斷續(xù)，雜聲較小。 Mp3音樂試聽： 音樂不是真，可調(diào)音量音調(diào)，噪聲很小。 混音功能： 混音可以實現(xiàn)，而且互不影響。 音調(diào)控制（提高）： 可調(diào)高調(diào)低，對低頻和高頻均可?？偨Y(jié)：通過此次實驗的設(shè)計以及調(diào)試，掌握了音響放大器的基本設(shè)計方法和設(shè)計原理，對幾種基本電路有了更深刻的認(rèn)識和印象，并且掌握了一定的多級放大電路設(shè)計和調(diào)試的經(jīng)驗。但是，