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（二）要求
1）选取单元电路及元件
根据设计要求和已知条件，确定前置放大电路、有源带通滤波电路、功率放大电路的方案，理论计算和选取单元电路的原件参数。
2）应用Multisim软件对电路进行仿真分析。
3）前置放大电路的组装与调试。
测量前置放大电路的差模电压增益AU、共模电压增益AUc、共模抑制比KCMR、带宽BW、输入电压Ri等各项技术指标，并与设计要求值进行比较。
4）有源带通滤波器电路的组装与调试。
测量有源带通滤波器电路的差模电压增益AUd、通带BW，并与设计要求进行比较。
5）功率放大电路的组装与调试。
测量功率放大电路的最大不失真输出功率Po（max）、电源供给功率PDC、输出效率η、直流输出电压、静态电源电流等技术指标。
6）整体电路的联调与试听。
摘要
本文设计并介绍了语音放大器和它的工作原理。
语音滤波放大器主要由TDA2030芯片所组成的功放电路，LM324四运放放大器分别构成的二级正向负反馈放大电路和二阶有源带通滤波器电路所组成。
电路本身具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点。
TDA2030是一款输出功率大（RL=4,Po=18W；
RL=8,Po=16W），静态电流小，负载能力强，动态电流大（可带动4-16Ω的扬声器），电路简洁，制作方便、性能可靠的高保真功放，并具有内部保护电路的功率放大器。
本设计的功能是采集或者将输入小音频信号进行滤波和放大，是一种可普遍用于家庭音响系统、立体声唱机等电子系统中，便于携带，适用性强的电路，且本设计实现了LED灯光的强度随着音量的变化而变化的功能。
本设计有电路仿真与实物高度吻合的特质，正文中会具体说明，并且本设计达到了预期对音频采集、放大、并输出的预期功能。
关键词：
TDA2030；
LM324；
输出功率
目录
一、设计思路5
二、总电路框图及总原理图6
1.语音放大电路组成6
2.实验总电路图6
三、单元电路设计与参数计算7
1.前置放大电路7
2.RC二阶有源带通滤波电路7
3.功率放大电路8
4.LED灯组模块9
四、安装与调试10
五、主要器件介绍11
六、硬件性能测试与分析13
1.前置放大器13
2.带通滤波器14
3.通频带测量15
4.功率放大器最大不失真输出功率测量16
5.功率放大器电压增益测量16
6.输出效率计算17
7.功率放大器直流输出电压和静态电流的测量17
8.输入电阻测量17
七、仿真分析报告19
八、小结21
九、心得体会22
十、元件清单25
参考文献26
附录27
PCB图27
实物图28
带通滤波器通频带测量数据29
MATLAB中绘制带通滤波器波特图程序31
一、设计思路
依照原理框图，输入端可采用驻极话筒和音频线路输入两种形式，声音通过麦克风（或音频线路）输入前置负反馈放大电路，进行二次放大后输入二阶有源带通滤波电路，对通频带（300HZ～3000HZ）以外的信号进行滤除，以消除杂音。
最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路，进行功率放大后将声音通过扬声器输出。
（本电路实物采用驻极话筒效果不明显，遂用“耳机”代替驻极话筒）。
二、
总电路框图及总原理图
1.语音放大电路组成
语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”5部分构成，如图2所示。
1.
图2语音放大电路框图
2.实验总电路图
图3语音滤波放大器总电路
三、
单元电路设计与参数计算
1.前置放大电路
前置放大电路采用集成运放LM324构成两级负反馈放大电路。
为增强对输入信号的稳定性，故两级放大电路均采用反相放大电路组态。
放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的比值来调节。
放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要，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。
输入信号要求：
Uid≤10mV,输入阻抗：
Ri≥100KΩ。
测试中，因为实际设计中电位器R7阻值选取较大（20KΩ），所以理论放大倍数100～2200倍，但在不失真状态下（Vpp=10mV，R14=4KΩ），最大前置放大电路放大倍数约为250倍（功率放大电路确定之后），且放大倍数可通过电位器R7调节。
图4二阶前置放大原理图
根据性能指标输入阻抗Ri≥100K，所以取R1=100KΩ,R2=100KΩ，则R3≥100KΩ，取R3=1MΩ。
本实验目的是放大小信号即输入信号Uid≤10mV，所以R4、R5应取小一点得值，取R4=R5=100Ω则R6≥100Ω，取R6=1KΩ，电位器R7=3KΩ。
电阻参数如下：
R1=100KΩ,R2=100KΩ，R3=1MΩ,
R4=100Ω,R5=100Ω,R6=1KΩ，R7=3KΩ
2.RC二阶有源带通滤波电路
在滤波电路设计采用LM234设计了具有Butterworth特性的二阶有源带通滤波器。
在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来，可以实现Butterworth通带响应。
用该方法构成的滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整。
本实验设计带宽2.7KHZ（300HZ～3000HZ），理论上能够抑制低于300HZ和高于3000HZ的信号，实际与前级放大电路使用同一个LM324的其余两个运放。
图5二阶带通滤波器原理图
高通部分:
令C1=C2=0.1μf，R8=2R9，
由己知条件:
得R8≈7.48KΩ，R9≈3.74KΩ；
低通部分:
令C3=0.01μf，C4=2C3=0.02μf，
得R7=R9=R≈3.74KΩ。
元件参数如下：
R8=7.48KΩ，R9=R10=R11=3.74KΩ
C1=C2=0.1uF,C3=0.01uF,C4=0.02uF
3.功率放大电路
功率放大的主要作用是向负载提供所需的功率，在信号不失真的前提下，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高。
我们在设计时采用TDA2030作为功率放大芯片。
TDA2030是目前音质较好、价格较低、外围元件较少、应用较方便的一款性价比较高的集成功放。
它的电气性能稳定、可靠、能适用长时间连续工作，集成块具有过载保护和热切断保护电路，不会损坏器件。
在单电源使用时，散热片可直接固定在金属板上与地线相通，无需绝缘，使用十分方便。
图6功率放大器原理图
4.LED灯组模块
本次有源滤波放大器特别加入了LED灯组模块。
它是由11个LED灯与两个三极管（S9014）和一个电组构成。
LED灯模块实现的功能是LED灯会随着输入音量的大小变化而变化。
电路如图7所示:
图7LED灯组模块
四、
安装与调试
安装电路板，由于本电路采用功放集成电路，且只有14个引脚，看准后，可直接焊在电路板上。
按照布局图把元件逐一焊接在电路板上，对于电解电容等有极性的器件要用仪器判断好后再焊接。
每一级元件全部焊接完成后，再仔细检查几遍，确保器件连接正确后，方可通电测试。
最好是焊完一级测试一级，这样如果出现问题比较容易查出来并改正。
在分级测试完成后，我们便把各级连接起来测试，但是并没有得到想要的结果。
如果信号源代替话筒，喇叭可输出放大后的声音，并且声音随信号源的频率变化而变化。
但是，一旦接上驻极话筒，就没有任何声音输出，仅仅只有对着驻极话筒吹起才会有响声。
所以我们一致认为话筒不符合要求，于是在更换为“耳机”输入之后，得到了预期的效果。
（1）前置放大器的电压增益
测试条件：
输入Vpp=10mV，1KHZ的正弦交流信号。
（2）带通滤波器的通带宽度
1）测试条件：
输入Vpp=1V，1KHZ的正弦交流信号，调节信号频率，找到上下截止频率。
2）直接使用波特仪找出通频带
（3）功率放大器最大不失真输出功率的测量
输入Vpp=10mV、1KHZ的正弦信号，调节前置放大处的滑动变阻器至输出波形为最大不失真波形。
（4）功率放大器直流输出电压和静态电流的测量
输入对地短路，测量直流输出电压。
将万用表调至电流档，量程为100mA,并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电流。
五、
主要器件介绍
【LM324】
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四运放放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
它共有14个引出脚，其中3、5、10、12引脚正向输入端，2、6、9、13引脚为反向输入端，1、7、8、14引脚为输出端，4、11引脚正、负电源端。
LM324的引脚排列见图8。
LM324的特点:
1）短路保护输出
2）真差动输入级
3）可单电源工作:
3V-32V
4）低偏置电流:
最大100nA
5）每封装含四个运算放大器。
6）具有内部补偿的功能。
7）共模范围扩展到负电源
8）行业标准的引脚排列
9）输入端具有静电保护功能
【TDA2030】
TDA2030A是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图9所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。
并具有内部保护电路。
TDA2030A的电路特点:
1）外接元件非常少。
2）输出功率大，Po=18W（RL=40）。
3）采用超小型封装（TO-220），可提高组装密度。
4）开机冲击极小。
5）内含各种保护电路，因此工作安全可靠。
主要保护电路有:
短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。
6）TDA2030A能在最低土6V最高土22V的电压下工作在土19V
7）8阻抗时能够输出16W的有效功率。
图9TDA2030引脚图
六、
硬件性能测试与分析
1.前置放大器
（输入信号为Vpp=10mV，1KHZ的正弦交流信号，前置放大倍数设为100倍）
理论增益：
仿真增益：
图10前置放大增益图
实际增益：
图11实际测试前置放大增益图
2.带通滤波器
（输入信号为Vpp=1.225V，1KHZ的正弦交流信号）
（输入信号为Vpp=1.225V，1KHZ的正弦交流信号）
图12带通滤波器仿真增益图
（输入信号为Vpp=900mV，1KHZ的正弦交流信号）
图13实际带通滤波器增益图（与仿真高度吻合）
3.通频带测量
理论通频带：
BW=fH-fL=3000HZ-300HZ=2.7KHZ
仿真通频带：
波特图如下
图14带通滤波器波特图
图15带通滤波器波特图
实际通频带：
图16实际测量波特图
由上图看以清楚的看到频率为300、3000HZ的正弦波衰减到了-3dB
4.功率放大器最大不失真输出功率测量
输入信号：
Vpp=10mV的正弦波
图17功率放大器最大不失真输出波形图
5.功率放大器电压增益测量
图18功率放大器电压增益波形图
图19实际功率放大器最大不失真波形图
6.输出效率计算
信号输入：
电源电压：
测得电流：
I
负载电压：
负载电阻：
电源功率：
负载功率：
输出效率：
7.功率放大器直流输出电压和静态电流的测量
输入对地短接，测的直流输出电压V=30.59mV
将万用表调至电流档，量程为100mA，并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电流测得功率放大器静态工作电流为I=6.8mA。
8.输入电阻测量
将电流表接至R2与UA1之间，电压表接至R2两端，给定U=5mV的输入信号，测的电压、电流表分别为147.932uV、0.032uA，则输入电阻为
9.整体电路的联调与试听
我们用mutisim软件里的麦克和喇叭进行仿真，能听到理想的声音放大效果。
实物测量时，输入Vpp=10mV的正弦信号，调节信号频率，可以清晰的昕到放大输出声音的音调随频率的提高而提高，形成美妙的音乐，而且声音干净，几乎没有噪音。
直接对驻极话筒说话，喇叭却不能发出声音，对驻极话筒吹气、或轻敲击驻极话筒，喇叭有声音发出。
用手机播放音乐，将手机紧挨驻极话筒，音乐得到放大，但是存在噪声。
于是弃用驻极话筒，改用“耳机”作为输入，无论是用手机播放音乐还是对准“耳机”讲话都可以得到清晰的放大，而且LED灯会随着说话的音量大增大而愈加明亮。
这充分的说明了此语音滤波放大器很好的达到了预期的效果。
七、
仿真分析报告
第一级前置放大电路仿真结果图如图20所示。
图20前置放大电路输出波形
电压放大倍数：
。
二阶有源带通滤波器仿真结果如图21所示。
图21二阶带通有源滤波电路输出波形
带通增益：
二阶有源带通滤波器的波特图如图22所示。
图22带通滤波器波特图
由图22可知二阶有源滤波器通频带：
300HZ～3000HZ。
八、
小结
本设计综合运用了《电子线路综合设计》、《模拟电子技术基础部分》等多方面知识，结合了较高要求的动手能力，是一次较为难得的，可以迅速提高相关知识的课程设计。
首先，本设计需要设计人员熟知信号放大，信号滤波，功率放大等相关知识，并且需要一定的硬件基础。
此课题从难易程度上属于中等偏简单类型的，但凭借其涉及知识范围较全，本身理论通俗易懂，实际操作容易上手，可以让学生迅速上手，并掌握其原理结构，尽快且出色的完成本课程设计。
在理论验证、虚拟仿真、实际操作中我组分别都遇到了一些较为棘手的问题，但是凭借我组组员的互交意见、通力合作、坚持不懈，我组逐个的解决了遇到的全部问题，较为完善的完成了本次课程设计。
课程设计的完成需要每一个成员的努力，需要每一个成员的坚信，需要每一个成员的合作。
九、
心得体会
【李建喜】
与之前的模电课程设计相比，语音放大器的设计电路更加复杂，因此设计过程更为艰辛，尤其是在调试过程中出现了很多意想不到的问题，但是我们就是在这样犯错、查错与纠错的过程中收获了知识，提高了技能。
首先，我们先通过查找相关的资料设计了电路，并且进行了仿真，同时也让我们进一步的熟悉了Multisim的软件的使用。
Multisim仿真软件中的波特图绘制功能，能帮助我们直观的看到滤波器的幅度响应，用它来测量通频带简捷方便。
我们还用Multisim中的麦克录音然后经设计好的音频放大电路放大，真实的感受设计成果。
通过仿真，能够帮助我们排除很多错误，轻易调试参数，优化设计效果。
焊接之前，我们先进行电路规划布局，因为我们采用的是拖焊，合理的电路规划能让我们的焊接效果简洁整齐，也便于后来查找电路错误。
这次焊接过程中，我们最大的错误就是一次完成整个电路的焊接，造成后来的调试过程很麻烦，还因此烧毁一些元件。
我们不应该看到电路仿真结果很理想，就直接焊完整个电路，仿真与实物操作是有差距的，焊接过程中稍有疏忽就会犯下错误留下隐患，而且一处错误还可能引发更多的故障。
从这次电路焊接过程中，我深刻体会到，今后焊接复杂电路，一定要逐级焊接，逐级检查电路，确保前级电路正确无误后再进行下一部分电路的焊接，这样既便于排查寻找错误，也更加安全。
此外，我感到自己在电路设计方面所掌握的知识远远不够，对元器件的了解甚少，在电路设计之前没有广泛深入的去探究相关知识。
例如，因为我们在以往的实验中的运放一直用LM324，这次也不假思索的选择了LM324,但板子做出之后看到同学用的是NE5532，查了资料得知NE5532具有更好的噪声性能，用作音频放大时音色温暖，保真度更高。
相比起电路设计与焊接，最纠结的还是电路调试，不仅是知识与技能的考验，更是态度与心理的考验。
仿真已经确保了电路没有大问题，故障往往处在一些小细节上，我们一定要耐心与细心的检查电路再能发现问题。
例如带通滤波器波形异常，我们先改变滑动变阻器调节放大倍数，无济于事，又用万用表一个个去检查带通部分的元件是否被烧毁，花了两个小时才发现是LM324坏了。
无论多么麻烦，千万不要放弃，就一定能找到解决问题的办法。
【龚好林】
通过这次课程设计，让我深刻体会到了在电子设计过程中应该十分细心，而且应该有全局观。
我在设计时因为没有考虑到后面的电路，只看眼前，不顾后果。
结果在画封装时布线布得一塌糊涂。
俗话说：
“磨刀不误砍柴工。
”这句话应该是我以后在做设计时应该牢记的。
首先，应该对电路的布局有一个整体的考虑，做到元件的布置合理，避免出现短路、断路等情况，而且应尽量使元件均匀地分布在整个电路板上，注意对称。
其次，在焊接过程中要谨慎，避免出现接点之间的粘连和虚焊等情况。
最后，要认真检查电路，在确认准确无误后接通电源进行调试。
本次课程设计是以小组为单位进行的，虽然我之前画了封装，但是布线不合理，所以我就负责文档的编写，通过老师给我们文档布局进行编写，通过网上查找相关资料，终于将文档大体写出来了，然后再和同组其他成员进行讨论商量将文档进行修改，终于在最后的期限完成了本次课程设计的制作。
多次研讨，说多不多，说少不少，主要是大家都积极参与进来，或多或少的出一点力。
我主要是缺少这种能力---在讨论中完善自我，改进提高。
这么多次的讨论过程中，可以看出，打击都是积极性逐渐提高，参与热情明显多了不少，尽管碰到棘手的问题比较烦，但却也未觉得枯燥。
其中的乐趣，大家都知道。
在这个过程中大家通过讨论也激发了各自学习的兴趣，毕竟，谁也不想成为这个组中做事最少的那个。
碰到问题，解决问题，是一种能力，也是一种学习的态度。
课堂上本身就是一个灌输知识的过程，如何有效合理的应用使我们每个人都要思考的问题。
实验小组的意不仅仅是为了实验，“三人行，必有我师焉”，可以看出来，组长在其中巨大的促进作用，帮助作用很明显。
我想这可能看出来，组长在其中巨大的促进作用，帮助作用很明显。
我想这可能也是老师的初衷吧！
总之，通过小组的研究、讨论、查找相关资料，我们小组的每一个人都进步了，都有了各自的收获，在一个团队中，我们每个人都能够发挥自己最擅长的一部分为我们共同的目标努力，这是一件很开心的事，很感谢老师能给我们这次机会让我们锻炼，同时也让我们不断进步。
【廖艳】
这次课程设计花了不少的时间，最后顺利的完成了语音放大器的制作。
当然也遇到了不少的问题，包括画原理图、元器件的选定、布局、都需要有合理的安排。
同时有了这次课程设计的经验，我们组掌握了语音放大器的基本设计方案和原理，对几种基本电路有了更深刻的印象，并且掌握了一定的多级放大电路设计和调试的经验。
但是也发现了自己的一些潜在问题，在将书本知识转化为实践水平还比较薄弱。
在调试过程中，会遇到很多麻烦。
我发现电位器的调节作用有问题，原来是接线接反了。
还有，应该接在同一个点的线没有接在一起，但是这样还是不行，经过仔细检查后发现，问题是两排接地线没有连在一起。
焊接是比较困难的，参考了一些资料书，关于焊接知识的，但是很多零件难买到，临时改了很多，或许造成电路有瑕疵。
语音放大器的最大缺点是噪音太大，可以增加几级滤波电路来滤除纹波，还可以通过改进元器件的性能来减小噪音。
我们进行了每级的调试，每部分都还好，加上喇叭后，用信号发生器进行信号输入，结果也非常完美。
但是，即使仿真很正确，实际焊接出来的电路会遇到很多问题，在调试的过程中，要根据实际即使调整，焊接好用仪器仔细测量每一部分没有焊接上的错误和因为零件损坏导致功能不能得以实现。
总值，只有在理论知识的基础上不断试验不断改正，才能真正的掌握一门知识。
其实这次课程设计也是对我们之前学过的理论知识进行考察和检验，同时也提高了我们遇到问题分析问题、解决问题的能力。
一十、
元件清单
元器件清单见表1
表1语音放大器元件清单
名称
数量
规格
电阻
2
1
3
100KΩ
100Ω
1.0MΩ
1.0KΩ
3.74KΩ
7.48KΩ
20KΩ
1KΩ
1Ω
滑动变阻器
电容
喇叭
散热片
LM324AD
TDA2030
3KΩ
10KΩ
0.1uF
0.01uF
0.022u
22uF
220nF
100nF
220uF
8Ω1W
参考文献
[1]侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M].北京：
高等教育出版社，2007.10
[2]刘颖.模拟电子技术[M].北京:
北京交通大学出版社，清华大学出版社，2008.3
[3]路勇.电子电路实验及仿真[M].北京：
北京交通大学出版社，清华大学出版社，2004.3
[4]陈桂兰.电子线路板设计与制作[M].北京：
人民邮电出版社,2010.1
[5]刘鸣.电子线路综合设计与实践[M].北京：
机械工业出版社，2014.6
附录
PCB图
图A语音滤波放大器PCB图
实物图
图B语音滤波放大器实物图
带通滤波器通频带测量数据
输入频率/HZ
输出频率/HZ
输入电压（Vpp）/V
输出电压（Vpp）/V
增益Au
电压增益（dB）-20lg|Au|
99.8
99.9
1.13
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