语音放大器设计实验报告.docx
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语音放大器设计实验报告
模拟电子技术课程设计
语
音
放
大
器
：
伍慧兰
学号：
2015550828
班级：
15通信工程1班
指导老师：
罗光明
语音放大器设计
一、设计目的
1、了解语音识别知识；
2、掌握集成运算放大器的工作原理及其应用；
3、掌握低频小信号放大电路、带通滤波器和功放电路的设计方法；
4、培养应用现代工具对模拟电子系统进行仿真测试、制作调试、故障检查及分析的能力；
5、培养市场素质、工艺素质、自主学习能力、分析问题解决问题的能力以及团队精神；
6、培养文献查阅与综述和撰写课程设计报告的能力。
二、知识点和设计内容
本实验的知识点为分立元件放大器或集成运放、有源滤波器、集成功率放大器；涉及电子电路各个模块之间的联合调试技术。
三、设计方案
语音放大器设计的基本设计思路
分析可知本语音放大器应包括输入电路、前置放大器、有源带通滤波器、功率放大器、扬声器等几部分组成，如图1-1所示。
前置放大器可采用集成运算放大器，有源带通滤波器可采用LPF和HPF串联构成，功率放大电路选用集成功放。
设计的性能指标
通常语音信号非常微弱，需要经过放大、滤波、功率放大后才能驱动扬声器发声。
假设语音信号为峰峰值不大于10mV频率范围100Hz~3kHz的正弦波，要求驱动8Ω1W的扬声器。
具体性能指标如下：
1、前置放大器：
输入信号Uid10mV；输入阻抗Ri≥100kΩ
2、有源带通滤波器：
通带100Hz~3kHz；增益Au=1
3、功放：
最大不失真输出功率Pomax≥1W；负载阻抗RL=8Ω
4、输出功率连续可调；直流输出电压50mV；静态电源电流100mA
5、电源电压：
+5V，+12V，-12V
四、实验原理与参考电路
（一）实验原理图如图1-2
图1-2实验原理图
（二）实验原理
1）前置放大器
在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输。
典型情况下，音频信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，共模噪声可能高达几伏。
所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度致关重要，放大器本身的共模抑制比特性也相当重要。
因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗，高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。
图1-3是前置放大电路的原理图
图1-3前置放大电路的原理图
前置放大电路的仿真效果图见图1-11,1-12,1-13，1-14，1-15。
2）有源带通滤波器
有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。
按通带的性能可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
用低通滤波器和高通滤波器串接起来也可以组成带通滤波器。
图1-4为有源带通滤波器的原理图
图1-4有源带通滤波器原理图
3）功率放大器
功率放大的主要作用是向负荷提供功率，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。
功率放大器的形式很多,有OCL互补对称功率放大电路，OTL功率放大电路，BTL桥式推挽功率放大电路和变压器耦合功率放大电路等。
这些电路各有优点，可以根据设计要求和设备条件综合考虑选用。
本次在语音放大器的设计中本人选用五端功放TDA2030应用的电路。
图1-5是功率放大器的原理图
图1-5功率放大器原理图
五、实验的主要元器件
（一）元器件清单
实验所需的元器件清单如表1-1
表1-1语音放大器器件清单
编号
物资名称
型号或规格（或代用规格）
单位
数量
1
集成运放
LM324
块
1
2
集成功放
TDA2030
块
1
3
电解电容
220uF/25V
只
2
4
电解电容
22uF/25V
只
2
5
瓷片电容
220nF（224）
只
1
6
瓷片电容
150nF（154）
只
2
7
瓷片电容
100nF（104）
只
2
8
瓷片电容
22nF（103）
只
2
9
可调电阻
10k1/8W
只
1
10
色环电阻
1.2M1/8W
只
1
11
色环电阻
120k1/8W
只
1
12
色环电阻
110k1/8W
只
1
13
色环电阻
20k1/8W
只
1
14
色环电阻
10k1/8W
只
2
15
色环电阻
9k1/8W
只
1
16
色环电阻
2.4k1/8W
只
2
17
色环电阻
1k1/8W
只
1
18
色环电阻
900Ω1/8W
只
1
19
色环电阻
100Ω1/8W
只
2
20
色环电阻
1Ω1/8W
只
1
21
扬声器
8Ω2W
只
1
本实验在实验前由于部分器件实验室没有提供，所以采取了性能和量值都相差不大的元器件来替代，比如9K的色环电阻未提供，实验采取1K的色环电阻替换。
（二）部分器件的使用介绍
1）LM324芯片
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。
其芯片引脚图如图1-6所示。
它每一组运算放大器可用图1-7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
图1-6LM324芯片引脚图
图1-7运算放大器端口图
基于本实验，需知的一部分关于LM324芯片的知识：
运放类型:
低功率
放大器数目:
4
带宽:
1.2MHz
针脚数:
14
工作温度范围:
0°Cto+70°C
芯片引脚的功能：
1.反相交流放大器
电路如图1-8。
此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。
电路无需调试。
放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。
图1-8反相交流放大器原理图
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图中所给数值，Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
2.同相交流放大器
电路如图1-9。
同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。
图1-9同向交流放大器原理图
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：
Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。
R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
3.有源带通滤波器
许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。
这种有源带通滤波器的中心频率，在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1，品质因数，3dB带宽B=1/（п*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。
R1=Q/（2пfoAoC），R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC），R3=2Q/（2пfoC）。
上式中，当fo=1KHz时，C取0.01Uf。
此电路亦可用于一般的选频放大，图1-10是LM324芯片有源带通滤波器的原理图
图1-10有源带通滤波器原理图
此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。
本实验采用LM324，实现前置放大与有源带通滤波的功能。
2）TDA2030引脚图与应用电路参数
TDA2030是最常用到的音频功率放大电路，其芯片引脚示意图如图1-11
下面是TDA2030管脚功能：
1脚是正相输入端
2脚是反向输入端
3脚是负电源输入端
4脚是功率输出端
5脚是正电源输入端。
图1-11TDA2030引脚图
六、实验步骤
（一）电路仿真实验
用Multisim软件对电路进行仿真，测量电路中的电压电流，完善电路图，仿真实验具体步骤如下：
1.根据原理图1-2设计仿真电路图；
2.在三级电路的输出处放置示波器和电压表，监测各级输出的波形以及示数；
3.在连接好仿真电路图的前提下，测试各级的输出特性和示数，并做好记录
4.计算各级关于本实验所要求的性能指标点，将理论值与实际测量值进行对比，分析原理图是否符合实验的测试要求；
具体的测试结果如下：
a.前置放大器
由伏安表XMM1工作时的电压可知，VS的有效值为3.535mV。
测试结果如图1-13、1-14、1-15所示，图1-12为仿真电路的全局测试图；
图1-12仿真运行的全局结果图
图1-13电压表测量结果图
示波器测量的值为输入信号的峰值，从图1-4中可以看出输入信号的峰值为4.905Mv,实际输入的信号峰值为5Mv,说明示波器的测量存在一定的误差。
图1-14示波器测量结果图
图1-15前置放大器输出电压测试结果图
理论计算：
由仿真原理电路图1-2可知，
电压放大倍数Au=V1/VS=R3R6/R1R4=（1200×9）/（120×0.1）=900。
实际测量：
实际测量的前置放大器的输出电压为3.042V，输入电压为3.535mV，计算得到放大倍数为：
Au=3.042/0.003535=860.537
理论的输入阻抗为Ri≥100kΩ，由图1-2分析可得前置放大器的输入阻抗为：
120.1kΩ，基本与本实验的指标参数相等，满足实验的要求。
b.有源滤波器
由图1-16
（1）中示波器的波形测量可知，有源滤波器的输出波形的周期为335.227us,则频率为f=1/335.227=2983.05Hz<3kHz。
图1-16
（1）有源滤波器输出电压波形图
由图1-2可知，电路首先经过高通滤波电路进行滤波，滤波频率f1= ω/2π，ω=1/RC，则f1=1/（2πRC）=1/（2×3.14×10×103×150×10-9）=106.157Hz（约为100Hz），设此时的输出电压为V2。
其次，电路经过低通滤波电路，其滤波频率f2=ω/2π，ω=1/RC，则f2=1/（2πRC）=1/（2×3.14×2400×22×10-9）=3015.827Hz（约为3kHz）。
可以实现带通滤波，通带为100Hz～3kHz。
由图1-16和图1-17中的测量值可知，有源滤波器的输出电压峰值为4.280V，有效值为3.038V，前置放大器的输出电压为3.042V，计算可得二者的比值3.038/3.042=0.998≈1；且也即本实验的有源带通滤波器的放大倍数几乎为1，满足实验要求；
图1-16有源滤波器输出电压波形-测量电压峰值图
图1-17电压表测量输出电压图
c.功率放大器
当变阻器阻值x=950Ω时，A=（1900+950）/1000=2.85，V2=3.038V,由图1-18,1-19知，V3=4.29V（有效值），A=4.14/3.038≈1.36。
此时输出功率P=4.292/（8*2）≈1.15>1W，基本满足设计要求。
图1-18功率放大器输出波形图
图1-19功率放大器输出电压测量结果图
（二）硬件实物实验
1）前置放大器的焊接与调试
（1）焊接:
根据图1-3前置放大器的原理图在电路板上进行布局与焊接；
（2）动态调试：
连接电路的各个输入输出以及电源与地，观测示波器的波形，得到如图1-20的波形图，图1-21是经过调整后所得的波形图，此时函数发生器和电源供给器的示数图1-22所示；
图1-20前置放大器输出波形图
图1-21经过调整后的前置放大器的输出波形图
图1-22函数发生器与电源示数图
2）有源带通滤波器
（1）焊接：
根据图1-4有源带通滤波器原理图进行焊接
（2）动态调试：
①输出电压的测量以及输出波形的观测，测试结果如图1-23，此时函数发生器和电源供给器的示数如图1-24所示
图1-22有源带通滤波器输出波形
图1-23函数发生器与电源示数图
3.功率放大器
（1）焊接：
根据图1-5功率放大器原理图进行焊接
（2）调试：
观察输出端有无振荡，如有振荡，采取措施以消除振荡。
按照要求连接电路以及供电和接地，观察所得波形是否满足要求，如不满足，通过电位器调节以满足要求。
波形图如图1-24所示；
图1-24功率放大器输出波形图
4.实物图
实物图如图1-25,1-26,1-27
图1-25实物图1（反面）
图1-26实物图2（反面）
图1-27实物图3（正面）
七、实验中的问题提出与解决方法
1）前置放大器调试过程
问题研究：
放大器的输出波形产生了交越失真如图1-21，1-22；
问题原因：
输入的信号太小，并且原理电路中的放大倍数大，会产生失真
解决方案：
增大输入的电压，测量此时的输出波形
经验教训：
在原理电路设计时进行参数分析，选择合适的元器件的，用心完成仿真实验，在仿真实验阶段进行深刻地分析，及时改正元器件的参数以保证实验能顺利进行；
2）分段测试放大效果没有问题，但在总的测试过程中不能无失真放大
问题探究:
第一、二级放大与功率放大间级联没有产生阻抗匹配；
问题原因：
在实际焊接过程中使用的全是固定电阻；
解决方案:
我们将第一级放大电路及功率放大电路的反馈中的电阻换成了电位器，可以通过改变两个电阻值的大小来改变级联之间的匹配问题
经验教训：
仿真与实际实验之间还是有不少差别的，我么要随机应变，找出规律，慢慢调试。
3）输出信号扬声器不能播出正常放大声音，掺杂着噪音
问题探究：
功放TDA2030增益过大；
问题原因：
由于前部分电路设计致使TDA2030增益相对过大，以及输入电压太小
解决方案：
不改变已经焊接、调试成功的电路，通过减小功率放大反馈电路中电位器的阻值来减小增益；
经验教训：
最大的不一定是最好的，要想得到好的音质，就必须要舍弃一些增益。
八、注意事项
（1）在使用集成运放和功放时，一定要明白管脚，尤其是正负电源不可接错，否则容易将其损坏；
（2）应使用大功率负载，否则很容易将负载烧坏；
（3）焊接集成功放时，芯片会发热，希望可以加上散热；
（4）各级应分开焊、分开测，最后统调；
（5）电路板上裸露的元器件管脚不能太长，容易引起短路；
（6）在焊接时不宜跳过多的线，不仅影响美观，更加影响电路的性能，会增大产生噪音的概率，但也不宜一味地追求完全无跳线的电路
（7）注意焊接的时候将电烙铁小心拿放，避免触碰其他电线或者衣物而导致损失或损伤
九、实验感想
本次语音放大器电路的焊接、调试过程是一个比较艰辛但小幸福的过程。
本次实验需要本人个人根据原理图焊接、调试至得出预期效果。
自己曾经虽然接触过焊接，但是这次的板子与前面所接触的板子不一样，以前的板子是已经布好线只需根据原理图将相应的器件在保证极性正确的前提下焊接完整即可，但是本次的焊接需要自己对板子根据原理图进行布局，并焊接，焊接与调试的过程出现过不少突发问题，需要本人灵活应对，比如在测试时，焊接点出现虚焊，导致电路未能出现所需要的波形，需要及时检查各个焊接点，比对原理图，进行修补后，继续进行测试。
在本人检查完电路板后进行测试，测试的结果与仿真的结果有点出入，但是在出现波形的那一瞬间，沉着的心马上放松了，那种喜悦感无以言语，也正是因为如此，在一次次的冲破眼前的阻碍，抵达下一个彼岸的时候，本人体会到了通过自己的努力而收获成功的喜悦与幸福感。
从本次实验本人又一次体会到同学们应该在认真学习基础知识的同时，把知识应用于实践，为更深入的学习做好准备。
同时感谢实验过程中给予我们指导的老师，感谢老师为本队答疑解难。
参考资料
1.路勇，《电子电路实验及仿真》，交通大学
2.高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，电子工业
3.彭介华，《电子技术课程设计指导》，高等教育
4.康华光，《电子技术基础模拟部分（第五版）》，高等教育
5.孙余凯，《模拟集成电路基础与应用》，电子工业
6.邹学玉，余新平《模拟电路设计仿真测试》
7.姚素芬《电子电路实训与课程设计》
8.武林《电子电路基础实验与课程设计》
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