基于Simulink的音响放大器仿真研究(毕业设计).doc
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目录
摘要 3
Abstract 4
绪论 5
第1章音响放大器的原理及基本组成 6
1.1原理简述 6
1.2音响放大器的基本组成 6
1.3各部分电路的作用 6
第2章电源电路参数及设计 8
2.1设计方案 8
2.2话筒放大器和混合放大器设计 8
2.3音调控制器设计 9
2.4功率放大电路设计 16
第3章主要元器件介绍 18
3.1集成元算放大器UA741 18
3.2集成功率放大器LA4102 20
第4章建模与仿真 22
4.1Matlab简介 22
4.2Simulink简介 22
4.3模型建立及各个模块参数设置 23
4.4实验过程及结果分析 29
总结 34
致谢 35
参考文献 36
摘要
音箱是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。
有源音箱就是带有功率放大器（即功放）的音箱系统。
把功率放大器和扬声器发声系统做成一体，可直接与一般的音源（如随身听、CD机、影碟机、录像机等）搭配，构成一套完整的音响组合。
本文阐述了通过Matlab/Simulink仿真，利用UA741运算放大器以及功率放大器LA4102所组成的音响放大电路实现对话筒输入信号以及拾音信号进行放大的功能，为我们了解信号的放大原理以及强化对芯片的理解和应用提供便利。
关键词：
有源音箱、功率放大器、扬声器、Matlab/Simulink、UA741、LA4102、话筒
Abstract
Speakeristhesoundsignalsintoelectricalsignalstorestoreadevicetorestoretheauthenticityoftheperformanceasanimportantcriterionforevaluationofspeakers.ActiveSpeakeriswithapoweramplifier（oramp）andspeakersystem.Thepoweramplifierandspeakersoundsystem,madeone,directlywiththegeneralsource（suchasWalkman,CD,DVDplayer,VCR,etc.）with,constituteacompletesetofsoundcombinations.ThispaperelaboratethetheorysimulationthoughMatlab/Simulink,usethecircuitformedbyoperationalamplifierUA741andpoweramplifierLA4102torealizationthefunctionthatamplificationthemicrophoneinputsignalandthepickupsignal.Provideconvenientforusunderstandingtheprincipleofsignalamplificationandstrengthenourunderstandingandudsaboutthechips.
Keywords:
ActiveSpeaker、PowerAmplifier、SpeakerSound、Matlab/Simulink、UA741、LA4102、Microphone
绪论
我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，这属于低频范围，对于幅度信号很小的音频比如说驻极体话筒输出的信号只有几mv，我们需要对它进行电压放大和功率放大才能变成我们需要的可以驱动扬声器发出声音的大信号，为了更好的了解这一原理及放大过程，我们进行了此次课程设计，下面首先对电压放大器的概念进行一下说明，因为它是功率放大的基础。
电压放大器是应用最为广泛的一种放大器。
我们称输入阻抗无限大，输出阻抗无限小，输出电压与输入电压成固定比例的放大器为理想电压放大器，现实中理想电压放大器并不存在，从理论上可以证明满足环路反馈深度无限大，反馈响应速度无限快的放大器是理想电压放大器，这是应该记住的两个重要的条件。
由于现实的放大器件都不是理想的线性器件，所以实际应用中采用深度环路负反馈是得到近似理想放大器的重要方法，由运放构成的线性放大器电路就是这种应用的实例。
第1章音响放大器的原理及基本组成
1.1原理简述
音响设备是使用广泛的电子产品，其中的电路就是音响放大器。
尽管由于功能和性能的不同，电路的结构有多所不同，但基本组成相同，图1-1是其原理框图
话筒
放大器
混合前置
放大器
音调
控制器
功率
放大器
话筒
拾音
扬声器
图1-1原理框图
话筒（MIC）将声音变成电信号，该信号很弱（约为几毫伏）需要经过放大器放大到数十毫伏。
拾音（LineIn，从收录机、电唱机等取出）信号，一般该信号较大（50～100mV）。
可直接和被放大了的话筒信号一同进入混合放大器，经放大后输入音调控制器，根据人们对不同音调的要求进行调剂，一得到不同的频响增益，经功率放大后送给扬声器。
1.2音响放大器的基本组成
音响放大器由话筒（MIC）、拾音装置（LineIn）、话筒放大器、混合前置放大器、音调控制器、功率放大器和扬声器组成，如图1-1所示。
1.3各部分电路的作用
1.3.1话筒放大器
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到（亦有低输出阻抗的话筒如，等），所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10kHz），为适应多种话筒，应选用高输入阻抗的集成运算放大器，并采用同相端输入。
1.3.2混合前置放大器
混合放大器放大的对象时两路信号，采用加法运算的形式，根据他们新阿红的大小，分别采用不同的比例系数。
混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大。
1.3.3音调控制器
音调控制器的目的是调节一相放大器的频率响应，以满足人们对音调的不同要求。
常用的有衰减式、反馈式、图解式，其中反馈式因为调节方便，原件较少，在中、小功率的收录机中得到广泛应用。
1.3.4功率放大器
功率放大器给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。
当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。
功率放大器有常见的单电源供电的TTL电路和正负双电源供电的OCL电路。
有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。
在此设计制作中采用LA4102型集成音频功率放大器。
音响系统中用来放大音频信号的放大器又叫扩音机，人们习惯地称之为“功放”（有些并不是单纯的功率放大器）。
放大器有多种多样的电路结构，但就音质效果而言，广泛使用的晶体管，集成电路放大器要达到电子管放大器同样水平，需要增加多个附属电路和实施多个技术措施。
因晶体管功放电路结构简单，工作电压低和集成电路的集成度高，外围电路少，所以仍然是放大器的主流。
第2章电源电路参数及设计
2.1设计方案
总体设计思路是先整体后局部。
按照各级功能及技术指标要求，首先确定整机电路级数及电压赠与分配，而后分别选择，设计格机电路元器件及参数。
通常从功放级开始向前逐级设计。
根据技术指标要求：
音响放大器输入电压（5mV），输出功率，由，求出，取，则整体电路电压放大倍数（增益20lg600，约为55.56dB）。
功率级属于大信号出入（100mV以上），其电压放大倍数一般为几十倍。
音调级在=1kHz时，电压放大倍数为1倍（0dB），实际上有衰减，故取0.8倍。
混放级和话筒放大级，既要考虑自身的输入信号大小，又要考虑集成运放增益带宽乘积的限制，一般混放级取几倍，话放级取10倍左右，各级电压增益分配如图2-1所示
话放级混放级音调级功放级
10
3
0.8
25
5mV50mV150mV120mV=3V
20dB9.5dB-2dB28dB
图2-1各级电压增益分配图
2.2话筒放大器和混合放大器设计
如图2-2所示电路由话筒放大和前置混合放大两级电路组成。
其中选用高输入阻抗的集成运算放大器UA741CP，并采用同相端输入。
由图2-1所示的增益分配，可知话放级，取，。
混响前置放大器的电路由运放UA741CP组成，这是一个反向加法器电路，输出电压的表达式为
（式2-1）
图2-2话筒放大器与混合前置放大器电路设计
2.3音调控制器设计
2.3.1音调控制器的组成和音调调节的基本原理
根据反馈式音调控制器的框图要求，由RC网络和放大器组成的闭环系统，放大器要求，，所以采用集成运算放大器较好，其电路组成如图2-3所示。
图2-3音调控制和音调调节原理图
图中RC网络由～，，，～组成，通常，，，。
2.3.2音调控制器的基本原理
音调控制器是以中品（1kHz）增益（0dB）为基础，对地音频和高音频区的增益进行提升和衰减。
中频时，，相当于短路，开路，很大相当于开路，其中频（相当于0dB）。
低音频区，开路，当调至最左端时低频提升最大，其等效电路分别如图2-4（a）和2-4（b）所示。
图2-4（a）音调控制器低频等效电路（低频衰减）
高音频区，可视为短路，起等效电路图如图2-5所示。
图（a）中，，组成星形连接，图（b）为星形变换为△连接后的等效电路。
电阻关系为
（式2-2）
（式2-3）
（式2-4）
图2-4（b）音调控制器低频等效电路（低频提升）
图2-5（a）音调控制器高频等效电路（星形等效电路）
图2-5（b）音调控制器高频等效电路（△形等效电路）
若取，则。
当调至最右端和最左端时，分别对应高频衰减、提升最大的情况。
图2-6（a）和2-6（b）分别为其等效电路图，图中因，阻性大，可视为开路。
图2-6（a）高频调节等效电路（高频衰减）
图2-6（b）高频调节等效电路（高频提升）
放大器→0
RC
网络
放大器→0
→0
2.3.3音调控制器的参数及设计
图2-7（a）反馈式音调控制器框图
图2-7（b）反馈式音调控制频响曲线示意图
低频等效电路图2-4（a）中电路电压放大配属的数学表达式为
（式2-5）
其中（式2-6）
或（式2-7）
=2π=（）/（）或=（）/（2π）
其模值为
（式2-8）
参照图2-7（b）曲线，当时可以视为开路，此时有
（相当于-20dB）（式2-9）
当时，因，由式（式2-8）得，比上升3dB。
当时，，比中频增益低3dB。
在和之间变化时，因为，且时，可近似认为电压增益以每倍频程6dB的斜率（6dB/oct）变化。
同理，可分析出图2-4（b）电路电压放大倍数的数学表达式，其模值为
（式2-10）
当时，开路，有（相当于20dB）（取）。
当时，，比下降了3dB。
而当时，有，比中频上升3dB。
在和之间变化时其增益近似按-6dB/oct斜率变化。
高频等效电路2-6（a）可分析出电路电压放大倍数的数学表达式为
（式2-11）
其中（式2-12）
或（式2-13）
（式2-14）
或（式2-15）
其模值
（式2-16）
由式（4）知，当时，模值为比中频（）下降3dB。
当时，有，比中频下降17dB。
当在和间变化，因，且，可近似认为增益以-6dB/otc斜率变化。
同理可分析出图2-6（b）中电路的电压放大倍数的模值是将式（4）根号内分子分母调换，其频响曲线对称于水平轴（0dB）上下。
且在和间变化时，近似以6dB/oct斜率变化。
实际应用是常取，,,分别在,间变化时其增益近似按变化，因此设计时，可近似按和考虑。
RC网络各元件参数选择，首先根据音调控制特性要求，已知和处的增益及调节范围，求出和。
（式2-16）
（式2-16）
（式2-16）
（式2-16）
再由音调控制器电压放大配属模值要满足
（式2-16）
并综合考虑各电阻的选取原则综合考虑，一般，，取几至几十千欧，取及至几百千欧，取（或），则选（或）。
取。
因，，选，，选。
集成运算放大器选择高输入阻抗、低输出阻抗，考虑到到话放级、混放级，为减少种类和数量，选集成运放芯片UA741。
因为采用单电源供电，所以要设置偏置电阻，。
2.4功率放大电路设计
+9V
由于采用集成功率放大器，电路设计变得十分简单，只要查阅手册便可得到功放块外围电路的元件值。
设计如图2-8所示。
330uF
+
+
330uF
100uF×2
14
+
9
10
10uF
＋+
LA4102
13
12
6
_
3
1
+
820Ω
5
4
470uF
+
8Ω
47uF
47pF
470pF
图2-8功率放大器原理图第3章主要元器件介绍
3.1集成元算放大器UA741
物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。
但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。
以下即为运算放大器UA741的内部等值电路图，如图3-1所示
图3-1运算放大器UA741的内部等值电路图
741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。
放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。
741运算放大器的外型与接脚配置分别如图3-2和图3-3所示。
图3-2UA741运算放大器外型图 图3-3741放大器管脚图
741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压＋Vdc与－Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压＋Vdc或小于负电源电压－Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压＋Vdc至－Vdc之范围，其值会等于＋Vdc或－Vdc，故一般运算放大器输出电压均具有如图3-4之特性曲线，输出电压于到达＋Vdc和－Vdc后会呈现饱和现象。
图3-4放大器输出入电压关系图
741运算放大器之基本动作如图3-5所示，若在非反相输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；若以相同电压信号在反相输入端输入，则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性之信号输出。
而当对放大器两输入端同时输入电压时，则是以非反相输入端电压值（V1）减去反相输入端电压值（V2），可于输出端得到（V1－V2）经过倍率放大后之输出。
图3-5放大器基本输出入关系图
3.2集成功率放大器LA4102
LA4102集成功放的内部电路如图3-6，LA4102集成功放电路具有集成功放典型电路的结构,它由输入级、中间级和输出级三部分所组成。
其中T1、T2为差动输入级。
T3、R4、R5及T5组成分压网络，一方面为T1提供静态偏置电压，另一方面为T5、T6组成的镜像恒流源提供参考电流。
T4、T7组成两级电压放大器，具有较高的电压增益。
T8、T14组成的PNP型复合管与T12、T13组成的NPN型复合管共同构成互补对称推挽输出电路。
R9、T9-T11为电平移动电路，给末级功放提供合适的静态偏置。
R11
接于输出端和T2的基极之间，构成很深的直流负反馈，可以稳定静态工作点，提高共模抑制比。
此集成功放采用单电源供电方式接成OTL电路形式，也可以采用正负双电源供电方式（③脚接负电源）接成OCL电路形式。
LA4100-LA4102功率集成外电路引线图如图3-7。
LA4102为双列直插式结构，它共有14个外引线，每边有7个。
靠近散热片一端有圆槽指示的为1端，1端为输出端，3端为公共端，4、5端接消振电容，6脚为放大器的反相输入端，在应用电路中与输出端连成反馈电路，9脚为放大器的同相输入端，在应用电路中为信号输入端，10脚为纹波抑制，应用电路中接有大电容，12脚向外提供电源端，13脚为自举电路的端点，14脚为电源。
图3-6LA4102集成功放内部电路
图3-7LA4102外引脚图
第4章建模与仿真
4.1Matlab简介
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。
MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。
目前MATLAB产品族可以用来进行：
数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等工作。
4.2Simulink简介
Simulink于20世纪90年代初由MathWorks公司开发，是MATLAB环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。
从字面上看，Simulink一词有两层含义，Simu表明它可用于系统仿真；link表明它能够进行系统连接。
在该软件环境下，用户可以在屏幕上调用现成的模块，并将它们适当连接起来构成系统的模型，即所谓的可视化建模。
建模完成以后，以该模块为对象运行Simulink中的仿真程序，可以对模型进行仿真，并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。
Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。
Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。
Simulink模块库内容十分丰富，出包括输入信号源（Soueces）模块库、输出接收（Sinks）模块库、连续系统（Continuous）模块库、离散系统（Discrete）模块库、数学运算（MathOperations）模块库等许多标准模块外，用户还可以自定义和创建模块。
系统的模型建立之后，选择仿真参数和数值算法，便可以启动仿真程序对系统进行仿真，这种操作可以用Simulink菜单，也可以用MATLAB命令实现。
菜单方式对于交互式运行特别方便，而命令方式对于运行一批仿真时很有用。
在仿真过程中，用户可也设置不能同的输出方式来观察仿真结果。
例如，使用Sinks模块库中的Scope模块或者其他县市模块来观察有关信号的变化曲线，也可以将结果存放在MATLAB工作空间中，供以后出路和使用。
根据仿真结果，用户可以调整系统参数，观察分析仿真结果的变化，从而获得更加理想的仿真结果。
系统仿真一般分为三个步骤，即建模仿真、实验仿真和仿真分析。
1.仿真建模
仿真建模师根据实际系统建立仿真模型的过程，它是整个仿真过程中的一个关键步骤，因此仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果及其仿真结构的真实性和可靠性。
2.实验仿真
仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。
在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。
3.仿真分析
仿真分析是一个仿真流程的最后步骤。
在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够多关于系统性能的信息，但是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统性能的一个总体评价。
4.3模型建立及各个模块参数设置
4.3.1仿真模型的整体设计
音响放大器的原理图如图4-1所示
图4-1音响放大器原理电路图
这里先对模型从整体上做一个介绍，本文主要运用Simulink中两个常用的模块库：
Simulink常用模块库（Simulink）和simscape模块
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