基于multisim10下的音响放大器设计与仿真要点.docx

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基于multisim10下的音响放大器设计与仿真要点

信息工程学院

课程设计报告书

题目:

基于multisim10下的音响放大器设计与仿真

课程：

电子线路课程设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

2015年01月07日

信息工程学院课程设计任务书

学号

学生姓名

专业（班级）

设计题目

基于multisim10下的音响放大器设计与仿真

设

计

技

术

参

数

1、放大器的失真度<1%。

2、放大器的功率>2W。

3、放大器的频响为50Hz—20kHz。

4、音调控制特性为自选。

设

计

要

求

1、采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大器。

2、用multisim对设计电路进行仿真实验，并给出仿真结果及关键点的波形。

3、了解方波信号的发生电路模块及仿真。

4、了解直流稳压源的基本组成原理及模块电路仿真。

参

考

资

料

1、孙梅生，李美莺，徐振英《电子技术基础课程设计》高等教育出版社

  2、梁宗善《电子技术基础课程设计》华中理工大学出版社

3、张玉璞，李庆常《电子技术课程设计》北京理工大学出版社

4、彭介华《电子技术课程设计指导》高等教育出版社

5、谢自美《电子线路设计·实验·测试》（第三版）华中科技大学出版社

6、康华光，陈大钦.电子技术基础—模拟部分（第五版）

2015年1月7日

学生姓名：

学号：

专业（班级）：

课程设计题目：

基于multisim10下的音响放大器设计与仿真

成绩：

指导教师：

年月日

信息工程学院课程设计成绩评定表

信息工程学院

课程设计报告书

题目:

基于multisim10下的音响放大器设计与仿真

课程：

电子线路课程设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

2015年01月07日

信息工程学院课程设计任务书

学号

学生姓名

专业（班级）

设计题目

基于multisim10下的音响放大器设计与仿真

设

计

技

术

参

数

1、放大器的失真度<1%。

2、放大器的功率>2W。

3、放大器的频响为50Hz—20kHz。

4、音调控制特性为自选。

设

计

要

求

1、采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大器。

2、用multisim对设计电路进行仿真实验，并给出仿真结果及关键点的波形。

3、了解方波信号的发生电路模块及仿真。

4、了解直流稳压源的基本组成原理及模块电路仿真。

参

考

资

料

1、孙梅生，李美莺，徐振英《电子技术基础课程设计》高等教育出版社

  2、梁宗善《电子技术基础课程设计》华中理工大学出版社

3、张玉璞，李庆常《电子技术课程设计》北京理工大学出版社

4、彭介华《电子技术课程设计指导》高等教育出版社

5、谢自美《电子线路设计·实验·测试》（第三版）华中科技大学出版社

6、康华光，陈大钦.电子技术基础—模拟部分（第五版）

2015年1月7日

信息工程学院课程设计成绩评定表

学生姓名：

学号：

专业（班级）：

课程设计题目：

基于multisim10下的音响放大器设计与仿真

成绩：

指导教师：

年月日

摘要

在Multisim10软件环境下，采用运算放大集成电路模块和功率放大集成电路模块设计音频功率放大器，并根据其结构模块提出设计思路及论证，再通过仿真验证方案的正确性。

再根据其交流电源联想提出由Multisim10设计一种由运算放大器构成的精确可控矩形波信号发生器，结合系统电路原理图重点阐述了各参数指标的实现与测试方法。

最后，简单介绍了直流稳压电源的构成及其简单仿真设计。

关键词：

运算放大集成电路，模块，功率放大集成电路，矩形波，直流稳压源。

Abstract

IntheMultisim10 softwareenvironment, using anoperationalamplifierintegrated circuitmoduleandapoweramplifying integratedcircuitmodule designoftheaudiopoweramplifier, andputsforwardthedesign ideasand arguments accordingtoitsstructure module, andthenthroughthe correctnessofthesimulation verificationscheme.Accordingtothe ACpowersupply association proposedbyMultisim 10 todesigna composedof operationalamplifier preciselycontrollable rectangular wavesignalgenerator, combinedwiththe circuitdiagramofthesystem focusesonthe realizationandtest method ofeachparameterindex.Finally, brieflyintroduces designconsistsof DCregulatedpowersupply andasimple simulation.

Keyword:

Anoperationalamplifierintegrated circuit,，Modular，Poweramplifier integratedcircuit，Rectangularwave，DCvoltagestabilized source。

1绪言

进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。

从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。

所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的，都希望能够有较长的使用寿命。

音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。

音频范围为约20Hz～20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应（驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭）。

根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。

音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管，得到与输入电压成比例的输出电压。

正向电压增益通常很高（至少40dB）。

如果反馈环包含正向增益，则整个环增益也很高。

因为高环路增益能改善性能，即能抑制由正向路径的非线性引起的失真，而且通过提高电源抑制能力（PSR）来降低电源噪声，所以经常采用反馈。

方波信号就是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，我们就称该信号是方波信号。

信号具有良好的方波信号是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值；差的方波信号不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的，主要的方波信号问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。

直流稳压电源就是能为负载提供稳定直流电源的电子装置。

直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。

直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。

其基本功能有：

a、输出电压值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作。

b、输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。

c、直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。

d、对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。

e、对于输出电压值和电流值有精准要求的直流稳压电源，一般要用多圈电位器和电压电流微调电位器，或者直接数字输入。

f、要有完善的保护电路。

直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作。

2音响放大器

2.1设计任务与要求

采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大器

2.1.1设计要求

1）调研，查找并收集资料。

2）总体设计，画出框图。

3）单元电路设计。

4）电气原理设计---绘制原理图。

5）参数计算。

6）用multisim对设计电路进行仿真实验，并给出仿真结果及关键点的波形。

7）撰写设计说明书。

8）参考资料目录。

2.1.2设计参数

①放大器的失真度<1%。

②放大器的功率>2W。

③放大器的频响为50Hz—20kHz。

④音调控制特性为自选。

2.2方案设计与论证

2.2.1方案一

完全分立元件阻容耦合多级放大器设计:

图2-1方案一结构框图

图2-2方案一原理图

简要原理分析:

当输入信号处于正半周期时，VT3导通，VT2截止，于是VT3以射极输出的形式将信号传递给负载，同时向CO充电，因为CO电容量大，其上电压基本不变，维持在1/2VCC；当输入信号处于负半周时，VT2导通，VT3截止，已充电的C0充当VT2的电源，同时放电，VT2也以射极输出形式将信号传输给负载RL，这样在RL上得到了完整的输出波形。

2.2.2方案二

采用集成运算放大器设计基本放大电路，用741进行放大，放大倍数为1~5倍，然后用LM301AD放大再放大100倍

图2-3方案二结构框图

图2-4方案二原理图

简要原理分析：

根据实验要求,最后输出功率为大于2W，Po=Uo

/RL,RL=8Ω,又Po≥2W，所以得Uo≥4V，而最大不失真电压为LM301AD输出的最大不失真电压Uom=Vcc/2

而我们设计的直流电压源输出电压为12v，所以Uom=12/2

=4.24v，4.24>4，，所以能达到要求。

设计要求输入vi=10mV，也就是要求放大倍数大于400倍，但是所选芯片的最大放大倍数为100倍，远不能实现，所以在之前要用741进行放大。

2.2.3用集成运算放大器放大信号的主要优点

a、电路设计简化，组装高度方便，只需适当选配外接元件，便可实现输入、输出的各种放大关系。

b、由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。

c、运放的输入享受搞高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱的信号放大。

又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有很强的抑制能力。

d、由运放构成的放大单元功耗低、体积小、寿命长，使整机使用的元器件数大大减少，成本降低，工作可靠性大为提高。

2.3.单元电路设计与参数计算

2.3.1语音放大集成电路

图2-5

仿真图为:

由于话筒提供的信号非常弱，要在音调控制级前加一个前置放大器。

考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器ua741。

前置放大电路是由ua741放大器组成的一级放大电路，放大倍数，即1+R2/R1，取R2=100KΩ电位器,R1=2KΩ,所用电源Vcc=+12V，Vee=-12V。

经过前级运放的放大，放大倍数由R2可调。

2.3.2功率放大部分电路

图2-6

仿真图为:

最后输出功率为大于2W，Po=Uo

/RL,RL=8Ω,又Po≥2W，所以得Uo≥4V，而最大不失真电压为LM301AD输出的最大不失真电压Uom=Vcc/2

而我们设计的直流电压源输出电压为12v，所以

Uom=12/2

=4.24v，4.24>4，，所以能达到要求。

设计要求输入vi=10mV，也就是要求放大倍数大于400倍，但是我们所选的芯片的最大放大倍数为100倍，远不能实现，所以在之前要用741进行放大。

输入为Ui=10mv.进过741之后放大倍数须大于2倍，则输出为Uo1>20mv。

然后经过LM301AD放大100倍后输出电压为Uo>4v,但是最大不失真电压为Uom=12/2

=4.24v，所以总放大倍数最大为不大于424倍。

2.4总原理图

图2-7

仿真图为:

3可控矩形波信号发生器

矩形波振荡电路（又称多谐振荡器）由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。

滞回比较器起开关作用，RC电路的作用是产生暂态过程。

RC回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过RC充、放电过程实现输出状态的自动转换。

在运放的输出端引入限流电阻和两个背靠背的稳压管就组成了双向限幅矩形波发生器。

图3-1

矩形波信号发生器仿真模型为：

图3-2矩形波信号发生器

参数为：

频率调节范围为1.72-23.8kHz，作为方波信号源时频率调节范围为2.6-23.8kHz;占空比调节范围为11.40%-94%；电压幅值调节范围为0-10.5V；电路的输出阻抗为224

未接入幅值调节电路时的输出阻抗为1042

。

4直流稳压电源

4.1直流稳压电源的基本组成

图4-1

4.2仿真模型

4.2.1整流电路模型

图4-2

参数：

负载RL=240

;直流分量为8.051V，交流分量为-15.625V。

仿真图为:

4.2.2滤波电路模型

图4-3

参数：

负载RL=240

；电容C=470Uf；直流分量为-23.948V，交流分量为0.75V。

仿真图为:

4.2.3稳压电路模型

图4-4

参数：

负载：

RL=240

；电容C=470uF；直流分量为23.287V，交流分量为1.009V；Vo波形为直线。

仿真图为:

5总结

回顾整个设计过程，发现自己真的有很多不足，真是书到用时方恨少。

在课程设计过程中，温故而新，学到了很多有关模拟电子技术理论和实际方面的知识，从理论中得出结论，才能真正的提高自己的实际动手能力和独立能力，从中获得经验和知识。

对以前所学过的知识理解不够深，不够透，掌握不够牢固。

在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的指导下顺利完成了。

由于课本上的知识太多，而我们的这个成果也只能体现的知识一部分的知识，这也体现出我们的空缺，设计中出现的很多元件的功能都不能很好的理解，而我们能做的，只有去理解它们，摸清它们的原理，这也丰富我我们的知识。

在该如何设计电路，并且使之能实现我们需要的功能的过程中，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。

这次让我体会到了设计电路的艰辛与成功之后的喜悦。

此仿真电路的实现对搭建实际电路有借鉴与指导意义。

这样在电路设计仿真完成之后再构建实际电路,就能有效降低成本,大大提高了教学和专业设计的效率。

一个较大的电路系统中，每一个环节都是很重要的，先要有一个较为合理的原理图，然后才能对原理图中的每一部分进行仿真修改，这往往不是一蹴而就的，需要不断地反复。

仿真调试时，要把整个电路分成几块，每块单独调试，这样才能减少故障率，提高调试的效率。

采用模块化设计和封装，先对单元电路模块进行仿真分析，再对总体电路进行仿真分析，以提高仿真效率，并使总体电路简单。

为提高仿真效率，对于电路系统需要用到的时钟脉冲、电源、输出显示部件，设计时可先用系统中的模型替代。

等仿真结果满足要求以后，再将自己设计的脉冲产生电路模块、电源模块、显示模块接入总体电路中。

通过对该题目的设计及仿真分析，我们可以体会到，实际应用中，完全由纯硬件组成的电路还是过于复杂，调试比较麻烦，故障点比较多，系统的稳定性也不太确定。

正是由于纯硬件电路的这些缺陷才推动了现代电子的迅猛发展，无论是单片机、PLC还是CPLD，都是尽量减少电路中的硬件部分，尽可能地将需要硬件电路完成的任务以编程的方式解决并灌入可定义的芯片中，软件与硬件相结合，这无疑是现代电子的发展方向。

通过此次课程设计,让我知道了书到用时方恨少的道理,也让我学会了实践出真知的原则，也更坚定了自己的目标。

多学点总是好的，在未来的一年里，我必加倍努力！

致谢

在论文完成之际，我首先要向杨庆老师表示最真挚的谢意,是在杨老师的指导实验下,让我学会了很多知识与multisim的好多基本操作；也是通过此次课程设计，才发现自己的知识面的欠缺，再次感谢杨老师。

在论文写作期间，查了很多资料，也通过自己动手查阅资料与去实验室具体动手操作实践，让我找到了方向。

通过查阅资料以及与室友、同学、老师讨论，让我较顺利的得以完成课程设计，感谢室友以及老师们的帮助。

我还要特别感谢班主任廖老师给予了我无私的帮助，正是廖老师的鼓励和帮助之下，我得以顺利完成论文。

由于本人学识有限，加之时间仓促，文中不免有错误和待改进之处，真诚欢迎各位师长、同学提出宝贵意见.

参考文献

[1]康华光，陈大钦.电子技术基础—模拟部分（第五版）［M].北京：

高等教育出版社，2005

[2]孙梅生，李美莺，徐振英《电子技术基础课程设计》北京：

高等教育出版社，1989

[3]梁宗善《电子技术基础课程设计》武汉：

华中理工大学出版社，2005

[4]张玉璞，李庆常《电子技术课程设计》北京：

北京理工大学出版社,1994

[5]彭介华《电子技术课程设计指导》北京：

高等教育出版社，1997

[6]谢自美《电子线路设计·实验·测试》（第三版）华中科技大学出版社，2006