低频课设音频放大器.docx
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低频课设音频放大器
沈阳工程学院
课程设计
设计题目：
音频放大器
系别自控系班级电子本101
学生姓名曹阳学号2010311
指导教师郝波职称教授
起止日期：
2012年7月2日起——至2012年7月13日止
沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：
音频功率放大器
音频信号源
系别自控系班级电子本101
学生姓名曹阳学号2010311106
指导教师郝波职称教授
课程设计进行地点：
F座219
任务下达时间：
2012年6月29日
起止日期：
2012年7月2日起——至2012年7月13日止
教研室主任田景贺年月日批准
1．设计题目：
直流稳压电源
1.1设计目的：
能综合运用低频电子技术知识，进行实际电子系统的设计，以加深对低频电子电路基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，初步培养研制实用电子系统的能力。
1.2基本要求：
（1）设计一个线性直流稳压电源，其中稳压部分使用晶体管串联式稳压电路。
（2）设计指标
1、输出电压：
12V。
2、输出电流：
500mA。
3、稳压系数：
≤0.05
4、具有过流保护功能。
2．设计过程的基本要求：
2.1进行方案的论证，给出原理框图
2.2设计单元电路的原理图，完成基本理论计算。
2.3画出整机电路图及PCB版图。
2.4撰写符合设计要求的报告一份。
3．报告的基本要求：
3.1项目齐全：
摘要、关键词、目录、引言、正文、结论、致谢、参考文献、附录等。
不少于3000字，A4纸打印，不允许复印。
3.2装订顺序：
封面、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正文（正文的具体要求按老师讲课要求）、致谢、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。
4.时间进度安排：
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
2012.7.2
下达设计任务书，进行方案论证
2
2011.7.4
检查方案框图完成情况，讲解及纠正错误
3
2011.7.9
检查单元电路的原理图并指出错误及纠正
4
2011.7.11
检查整机电路图，写设计报告
5
2011.7.13
答辩
2．设计题目：
多种波形发生器
1.1设计目的：
能综合运用低频电子技术知识，进行实际电子系统的设计，以加深对低频电子电路基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，初步培养研制实用电子系统的能力。
1.2基本要求：
（1）设计一个能产生正弦波，方波，三角波电路。
（2）设计指标
1、频率：
20Hz—20kHz连续可调。
2、输出正弦波幅度：
＞5V。
3、波形不能有明显失真。
4、三角波幅度可调。
2．设计过程的基本要求：
2.1进行方案的论证，给出原理框图
2.2设计单元电路的原理图，完成基本理论计算。
2.3画出整机电路图及PCB版图。
2.4撰写符合设计要求的报告一份。
3．报告的基本要求：
3.1项目齐全：
摘要、关键词、目录、引言、正文、结论、致谢、参考文献、附录等。
不少于3000字，A4纸打印，不允许复印。
3.2装订顺序：
封面、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正文（正文的具体要求按老师讲课要求）、致谢、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。
4.时间进度安排：
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
2012.7.2
下达设计任务书，进行方案论证
2
2011.7.4
检查方案框图完成情况，讲解及纠正错误
3
2011.7.9
检查单元电路的原理图并指出错误及纠正
4
2011.7.11
检查整机电路图，写设计报告
5
2011.7.13
答辩
3．设计题目：
音频功率放大器
1.1设计目的：
能综合运用低频电子技术知识，进行实际电子系统的设计、安装和调测，以加深对低频电子电路基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，初步培养研制实用电子系统的能力。
1.2基本要求：
（1）设计一个音调可调的音频功率放大器。
（2）可放大MIC和线路输入信号。
（3）非线性失真小，噪声低。
（4）设计指标
1、不失真功率：
大于5W。
2、通频带：
20Hz-20kHz。
3、音调控制范围：
以1kHz为0dB，要求在100Hz处有＋12dB的调解范围。
1.3分项设计：
（1）话筒放大器设计：
输入MIC信号，具有音调及音量控制。
（2）功率放大器设计：
输入话放信号和线路信号，输出驱动8Ω扬声器。
（3）音频信号源设计：
频率在20Hz-20kHz连续可调，可直接加在功放线路输入端的正弦波测试信号。
（4）直流电源设计：
给整个电路提供直流稳压电源。
2．设计过程的基本要求：
2.1进行方案的论证，给出原理框图
2.2设计单元电路的原理图，完成基本理论计算。
2.3设计出调试步骤，进行电路搭接、调试。
2.4撰写符合设计要求的报告一份。
3．报告的基本要求：
3.1项目齐全：
摘要、关键词、目录、引言、正文、结论、致谢、参考文献、附录等。
不少于3000字，A4纸打印，不允许复印。
3.2装订顺序：
封面、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正文（正文的具体要求按老师讲课要求）、致谢、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。
4.时间进度安排：
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
2012.7.2
下达设计任务书，进行方案论证
2
2011.7.3
电路设计
3
2011.7.13
答辩
沈阳工程学院
模电课程设计成绩评定表
系（部）：
自控班级：
电子本101学生姓名：
曹阳
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
评阅教师签名：
年月日
课程设计总评成绩
分
中文摘要
音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。
我们主要采用了两种方法对其进行了分析和设计，一种利用了LM24集成芯片对其进行放大输出，另一种是利用二极管进行偏置的互补对称电路，即分立元件进行设计放大。
利用课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的基本知识，通过对两种方法的对比分析确定了下面的音频放大电路。
为了测试功率放大器电路的幅频特性，我们根据RC桥式振荡原理设计了音频信号源。
该音频信号源能产生单一频率幅值连续可调的正弦波。
本文主要介绍了该电路的原理设计，Multisim系统仿真和实物图仿真结果，并对该电路在仿真过程中产生的问题进行了分析，并提出了简单可行的解决措施。
关键词音频放大器，音频信号源，RC桥式正弦波振荡
目录
课程设计任务书3
模电课程设计成绩评定表10
中文摘要11
1设计任务描述14
1.1设计题目：
14
1.2设计要求14
（1）设计一个音调可调的音频功率放大器。
14
1.2.1设计目的14
1.2.2基本要求14
1.2.3发挥部分14
2设计方案选择和论证15
2.1设计思路15
2.2方案论证15
2.2.1方案选择15
2.3总体电路的功能框图及其说明16
2.3.1总体电路功能框图16
2.3.2模块说明16
3功能块及单元电路设计18
3.1功能块设计18
3.1.1音频信号源电路框图18
3.2音频信号源电路设计18
3.2.1正弦波产生电路原理18
3.2.2音频信号源电路20
3.3主要元器件介绍20
3.3.1LM324简介20
3.3.2二极管1N414821
3.4参数计算22
3.4.2幅值变化分析23
4总体电路原理图及说明23
4.1总电路图24
4.1.1总电路原理图24
4.2总电路原理24
4.2.1前置放大级24
4.2.2功率放大器24
4.2.3电源模块25
4.2.4音频信号发生器25
4.3总元件清单25
5电路调试26
5.1调试方法与步骤27
5.1.1调试步骤设计27
5.1.2系统仿真27
5.1.4实物仿真测试数据28
5.2调试中出现的问题或故障分析及解决措施29
5.2.1故障分析及解决措施29
5.3所用的仪器29
5.3.1主要仪器29
1设计任务描述
1.1设计题目：
音频功率放大器
1.2设计要求
（1）设计一个音调可调的音频功率放大器。
（2）可放大MIC和线路输入信号。
（3）非线性失真小，噪声低。
（4）设计指标
1、不失真功率：
大于5W。
2、通频带：
20Hz-20kHz。
3、音调控制范围：
以1kHz为0dB，要求在100Hz处有＋12dB的调解范围。
1.2.1设计目的
能综合运用低频电子技术知识，进行实际电子系统的设计、安装和调测，以加深对低频电子电路基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，初步培养研制实用电子系统的能力。
1.2.2基本要求
（1）进行方案的论证，给出原理框图
（2）设计单元电路的原理图，完成基本理论计算。
（3）设计出调试步骤，进行电路搭接、调试。
（4）撰写符合设计要求的报告一份。
1.2.3发挥部分
（1）音频信号源部分输出幅值在300mv-1.5v范围内连续可调。
2设计方案选择和论证
2.1设计思路
音频功率放大器的作用是将声音输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。
声音源的种类有很多种，故输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百万毫伏，一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器的话，对于输入信号过低的，功率放大器输出不足，不能充分发挥功放的作用；加入输入信号幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真。
这样就失去了音频放大的意义了，所以一个实用音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的灵敏地相匹配。
最后音频放大器由前置放大器和音调控制电路和功率放大器三部分组成。
音频功放的特点：
1、输出功率足够大——为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。
2、效率要高——功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。
3、非线性失真要小——功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。
2.2方案论证
2.2.1方案选择
常见的音频功率放大器主要有下列几种：
1、变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中；
2、变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中；
3、OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中；
4、OCL功率放大器是一种常用的放大器电路，常用于一些输出功率要求较大的功率放大器
5、BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合，OTL、OCL和BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。
为了能满足输出最大不失真功率大于5W设计需要，我们采用了乙类双电源互补对功率放大电路。
2.3总体电路的功能框图及其说明
2.3.1总体电路功能框图
图2.1音频放大器框图
2.3.2模块说明
（1）前置放大
我们所使用的麦克输出电压约为5mv,而设计要求输出最大不失真功率大于5W,由P=U²/R可知，功放输出端最大不失真电压约为6.3v,即整体电路放大增益应大于1260。
为了减小运放模块的负担且满足设计要求，我们将前置放大级的放大倍数设置为100倍，用较为便宜的集成运放LM324进行放大。
（2）功率放大模块
为了保护功放元器件、扬声器并防止失真，我们选用了1k
电位器连接在前置放大器输出端与地之间，以便调节功放的输入电位。
在功放前端放大器上我们采用了增益为23.5的反相放大电路，以便确保功放输出功率。
（3）电源模块
就是将220v交流电压变为±12的直流电压，第一部分是经过交流变压器将220v电压变成18v电压，经过桥式整流电路整流，变成脉冲式的直流电，用两个大容量极性电容对电压进行稳波，然后使用集成三端稳压片（lm7812/lm7912）进行稳压，输出稳定的±12v的直流电压。
再用非极性电容滤掉高次谐波，给负载提供稳定的直流电压。
（4）音频信号源
为了能够产生20Hz-20kHz连续可调的正弦波信号，我们采用双联同轴电位器和三个电容进行调频，用高速开启开关二极管1N4148进行自动稳幅，用一个电位器调幅。
另外，为了防止负载对振荡电路的影响，我们在只振荡电路的输出端加一个电压跟随器以隔离振荡电路与负载。
3功能块及单元电路设计
hv3.1功能块设计
3.1.1音频信号源电路框图
音频信号源电路我们采用了RC桥式串并联电路，为了避免加负载后对振荡电路产生影响，我们加一个电压跟随器以便隔离负载与振荡电路。
其框图如下：
图3.1音频信号源电路框图
3.2音频信号源电路设计
3.2.1正弦波产生电路原理
要产生正弦波，首先要有正弦振荡电路，即要有一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。
正弦振荡波电路的振荡条件为：
图3.2正弦波振荡的方案框图
图3.3正弦波振荡条件
相位平衡和振幅平衡是正弦振荡电路产生持续真振荡的两个条件。
正弦波的产生，可以选择RC正弦波振荡电路，还可以选择LC正弦振荡电路。
但此处根据设计的要求，只能选择RC正弦振荡电路。
如图为RC桥式振荡电路的原理图，这个电路由两部分构成，即放大电路Av和选频网络Fv。
Av为由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高输出阻抗低的特点。
而Fv则由Z1、Z2组成，同时兼作正反馈网络。
图3.4RC桥式振荡电路
电路振荡的频率：
起振条件：
开始时，Av=1+Rf/R1略大于3，达到平衡状态时，Av=3，Fv=1/3。
调整反馈电阻Rf，使电路起振，且波形失真最小。
如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。
如波形失真严重，则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。
3.2.2音频信号源电路
音频信号源部分为本小组完成，我们采用了RC桥式串并联电路，电路图如下：
图3.5音频信号源原理图
如图3.5所示，我们采用3nF、30nF、300nF作为高、中、低三个频率量程的切换，再用双联轴电位器R3、R4作为频率的细调节。
另外，用高速开启开关二极管1N4148作为自动稳幅器件，用电位器R8作为幅值调节器件。
为了避免加负载后对振荡电路产生影响，我们加一个电压跟随器以便隔离负载与振荡电路。
3.3主要元器件介绍
3.3.1LM324简介
这个RC桥式振荡电路主要用了LM324集成运算放大器，LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
此外，LM324还具有如下特点：
（1）内部频率补偿
（2）直流电压增益高（约100dB）
（3）单位增益频带宽（约1MHz）
（4）电源电压范围宽：
单电源（3—32V）;双电源（±1.5—±16V）
（5）低功耗电流,适合于电池供电
（6）低输入偏流
（7）低输入失调电压和失调电流
（8）共模输入电压范围宽,包括接地
（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
（10）输出电压摆幅大（0至VCC-1.5V）内部电路图
管脚排列图：
图3.6LM324引脚示意图
如图3.6所示，为了节省资源、降低电源模块电路的负担，我们与前置放大模块共用了LM324集成块，用1、2、3、引脚作为正弦波发生放大器，5,、6、7引脚作为电压跟随器的运放。
3.3.2二极管1N4148
本次设计我们采用了高速开启开关二极管1N4148作为稳幅器件。
由于1N4148反向恢复时间为4ns,可满足20kHz交流信号电路。
经查找资料，我们得到二极管1N4148如下特性：
表3.11N4148绝对最大额定值T=
参数
测试条件
符号
数值
单位
反向峰值电压
VRRM
100
V
反向电压
VR
75
V
峰浪涌电流
Tp=1us
IFSM
2
A
重复峰值正向电流
IFRM
500
mA
正向电流
IF
300
mA
表3.21N4148电气特性T=
参数
测试条件
符号
最小
最大
单位
正向压降
IF=5mA
VF
0.62
0.72
V
IF=10mA
VF
1
V
IF=100mA
VF
1
V
反向电流
VR=20V
IR
25
nA
VR=20V,
IR
50
uA
VR
IR
5
uA
反向恢复时间
IF=IR=10mA,iR=1mA
trr
8
ns
IF=10Ma,VR=6v,RL=100
trr
4
ns
3.4参数计算
3.4.1频率范围计算
如图3.5我们用3nF、30nF、300nF三个电容将频率调节分为高（2kHz-20kHz）、中（2kHz-200Hz）、低（200Hz-20Hz）三个频率量程，由
可得，
：
低频量程：
中频量程：
高频量程：
综上，选择2.4k
电阻作为常值电阻R1、R2，选择27k
双联轴电位器作为频率调节器，可满足20Hz—20kHz的频率可调范围。
3.4.2幅值变化分析
由原理图易知，电路通电后，只要电位器处在任意不为零处，就有：
Rf>20k
;
所以：
当输出端电压慢慢增大到一定范围后，二极管两端电压越来越大，如图二极管1N4148的低压正向特性曲线可知，二极管开始有正向电流经过，约为3uA,此时相当于二极管与R6串联后再与R5、R8并联，在这种小电压范围内，二极管电阻很大约为100k
远远大于R5、R8，并联后接近于20k
最后自动满足
，从而稳幅。
若调节电位器使其阻值增加，则初始状态的放大增益大于3，使二极管两端电压迅速增加，从而产生较大电流，由1N4148正向电压电流特性曲线可知，当其两端电压增大时，其体电阻减小，由此可知反馈网络又经二极管自动调节，自动接近于20k
。
但此时，二极管虽未达到导通但电流较大，约为25uA,因此输出电压较大,约为1.5v。
4总体电路原理图及说明
4.1总电路图
4.1.1总电路原理图
图4.1音频放大器总体原理图
4.2总电路原理
4.2.1前置放大级
前置放大器通过集成运放LM324实现信号的第一级放大，放大电路的闭环增益A有电阻R3与R2的比值决定，设置放大倍数为100倍左右，它能使高电平的输入信号更好地与本机相匹配，同时其较低的输出阻抗能使后续的音调控制电路获得较好的调节特性。
第二级运放与电位器R25与R26及其其他几个元件组成衰减负反馈式音调控制电路的主体，R25是高音调制器，R26是低音控制器，且高音与低音都是独立控制的。
R26的划片想输入级移动时，高音得到提升，相输出级移动时，高音得到衰减。
同理R26向输入级滑动时，低音得到提升，向输出级滑动时，低音得到衰减。
电路中R7的阻值大小决定了高音的最大提升及衰减量，而低音的最大提升及衰减量则受R8阻值大小的控制。
4.2.2功率放大器
本功放电路由两极运放及四只晶体管组成（如图3.1）。
第一级做电压放大，放大倍数由R1、R2确定，第二级与诸三极管构成电流放大级，其输出跟随前级输出电压变化，完成功率转换。
电路工作电压为±12V，这样可简化运放供电（注：
TL082极限工作电压约50V，超过55V则不能正常工作）;省略了偏置电路，交越失真由运放克服（末级静态电流为零!
）。
本电路对所用元件无特殊要求。
运放使用TL082Q1、Q4用中功率三极管，Q2、Q3选常用功放对管（加散热器），三极管无需配对，放大倍数相差不多、耐压符合要求即可。
C16用于衰减40kHz以上干扰，R13可进一步改善失真、消除自激。
电路无调整元件，中点电位由运放保证，无信号时偏差在20mV以下。
示波器观察，用10Ω电阻做假负载可获得20kHz以下±10.8V不失真交流信号输出。
4.2.3电源模块
该电源电路采用220v交流电转成18v的变压器，变压器输出之后经过桥式整流电路整流，变成脉冲式的直流电，然后经过大电容C1、C2、C3、C4滤波，将整流送来的脉动直流点变成稳定的直流电共后面使用。
接着用集成三端稳压片（7912、7812）将波动的直流电稳定在±12v输出。
4.2.4音频信号发生器
音频信号源电路我们采用了RC桥式串并联电路，为了避
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