基于Multisim14....分频音频放大电路设计与仿真_辛达.pdf

|97电子基础0 引言近几年以来，随着电子科技产品的发展，模样款式性能大不相同的电子科技产品正在渐渐地融入到我们的日常生活中来。伴随着电子科技产品的日趋成熟，人们对声音品质也有了更高的要求。更多学者偏向于凭借着高速发展的 EDA相关技术，在虚拟的环境中快捷地对功放电路的多种性能参数进行有效的分析，进而达到更高级的设计目的，提高设计产品的性能1。目前有学者已运用 Multisim 模拟电子技术展开对有源二分频放大电路的研究2，借助 Multisim 可直观了解滤波电路的作用3,说明了 Multisim 对模拟电路仿真的潜在功能与优势4。本文目标是完成有源二分频网络的音频放大电路设计，实现音频信号的二分频和功率放大功能。在选择特性指标和计算元件参数后，基于 Multisim14.0 虚拟示波器观察输入和输出波形幅度和相位的变化，进一步探索 Multisim 仿真软件在模拟电路中的使用，从而更加直观地实现预定的指标和功能，体现了电路仿真的更大优势。1 方案设计要求音频放大电路，通常来说就是我们所知音响的系统中的放大器，核心构成部分有前置放大器、音频调控级、功率放大级。本文总体上对预处理电路的要求使其具有自动增益控制功能，并完成高通滤波器及其功率放大电路、低通滤波器及其功率放大电路的设计（如图 1 所示），实现如下指标。（1）关于设计的总电路的预处理电路，确保其输入电路的阻抗大于 10k，最大增益 46dB。保证预处理电路的特定的自动增益控制功能，当 VS（输入正弦信号）幅度在 10100mV（有效值）时，VC（中间输出信号）在 100 Hz20kHz 频带内的幅度变化范围 1dB。（2）设计并制作关于有源二分频电路的高通滤波器以及功率放大电路，使中间信号 VC 经过高通滤波电路和放大电路后输出信号 VA。高通滤波器的-3dB 时的截止频率为 2kHz，阻带衰减率为 24dB/倍频程，10kHz20kHz 带内波动 3dB。（3）设计并制作关于二阶低通滤波器和功率放大电路，由信号 VC 经过低通滤波和放大电路输出信号输出信 VB。低通滤波器的-3dB 截止频率为 2kHz，阻带衰减率 24dB/倍频程，100Hz1kHz 带内波动 3dB。（4）信号 VA 和信号 VB 在 2kHz 频点的相位之差 10。图 1 音频信号分频及功率放大电路结构框图2 系统电路设计设计中使用了较为理解 AGC 的工作状态的 AGC 放大电路，使用了运放功放 AD824，采用 JFET 结型场效应管做自动增益控制电路，用于高低通滤波器加功放输出。相位可以调节 0180 度，仿真软件上选择了较为熟悉的 Multisim 14.0。2.1 理论分析为便于对信号进行处理，采用同向频率放大十倍使得输入电压从 10100mV 变为 1001V，放大器可使用 OPA211、228、227 等。采取 AGC 电路作为预处理电路，AGC 是自动增益控制，作用是使放大器适应不同信号强度，保证在不同条件下都能稳定工作、输出优质的声音和图像信号。为提高滤波特性和负载的能力，预设计的二阶有源高通 基于 Multisim14.0 的有源二分频音频放大电路设计与仿真辛达，张晓刚，李思璇，蔡薇（大连科技学院 交通与电气工程学院，辽宁大连，116052）基金项目：2023年大学生创新创业项目“有源二分频音频放大电路设计及仿真”。摘要：针对人们对音频的不同需求，设计并制作一个采用有源分频网络的音频放大电路，用以实现音频信号的二分频和功率放大。音频放大电路，也就是对音频信号的处理和放大，主要构成部分有前置放大器、音频调控级和功率放大级。总体上对预处理电路的要求使其具有自动增益控制功能、设计高通滤波器和其功率放大电路、低通滤波器和功率放大电路。最后基于Multisim 14.0进行了电路设计和虚拟仿真测试，符合预定要求。关键词：滤波电路；自动增益；Multisim仿真；频率响应 DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.11.02098|电子制作 2023 年 6月电子基础滤波器电路，其特点是输入阻抗高、输出阻抗低，有利于题目设计。预设计的有源低通滤波电路能高效通过低频信号，抑制或衰减高频信号，电路为二阶压控电压源低通滤波电路，由两个 RC 环节和同相比例放大电路构成。为避免对电路的实际电路测量产生影响，运放输入阻抗和开环增益都应该足够大。2.2 数据计算电路数据参数可用公式(14)进行计算，有关电压控制增益原理AD603和AD824的基本增益可以用公式(3)算出。从此式能够看出，以 dB 为单位的基本增益 Gain，其对数增益和电压之间呈现为线性关系。因此在设计中只要单片机进行简单的线性计算就能够控制对数增益，并能很准确的实现增益步进控制。计算使用公式如下：2f=式(1)11/fARR=+2220000()/(/)A sASS Q=+式(2)222KGSS=+式(3)222KSS=+式(4)2.3 电路设计本次电路设计采用的是 Multisim14.0 软件。Multisim是专用于电子电路设计并进行仿真的软件，其全部操作均由一个集成系统实现，具备人性化的操作界面，运用起来灵活便捷。元器件模型库种类齐全，可选择各种虚拟元器件，并具有超强仿真功能24。本次仿真电路如图 2 所示，在本次电路设计中频率 f 的单位是赫兹(Hz)，电阻 R 的单位为欧姆()，电容 C 的单位为法拉(F)。2.3.1 AGC 自动增益控制电路设计目标是使接收信号的增益能随着输入信号的强弱自动变换，输入信号在经过 AGC 电路后幅度恒定或在特定的幅度范围变化。AGC 电路保证在接收弱信号时，使接收机增益升高，而接收强信号时则增益降低，进而使得输出信号保持在适当的电平进行正常工作。避免在 AGC 电路缺失时，使接收机饱和或过载接收不到信号，进而使得接收机工作失常。AGC 电路可以采用模拟反馈或数字反馈 AD824、AD603、VCA810、VCA820 配合外部宽带放大器都很容易实现模拟 AGC。本文采用数字反馈 AD824 进行设计，电路如图 3 所示。图 3 自动增益控制电路图 2 音频信号分频及功率放大总电路|99电子基础2.3.2 高通滤波控制器滤波器的特性对参数变化比较敏感，采取使用一个功率放大器加压控电压源型滤波器的原理制作二分频电路。电子高通滤波器内含一个与信号通路串联的电容器和与信号通路并联的电阻。电容与电阻乘积为常数（CR），其与截止频率成反比。截止频率上输出信号的强度是输入信号的二分之一（为-3dB）。电路设计如图 4 所示。图 4 高通滤波控制电路2.3.3 低通滤波控制器低通滤波电路能够使低频的信号以极小的损耗输出到输出端。高频信号能够有效地抑制低通滤波器，并有多种形式，其中包括电子线路、图形模糊处理等，以上两种工具均为通过消除短期波动、保留长期波动的平滑形式电路。本文设计的低通滤波电路为二阶压控电压源低通滤波电路，其由两个RC 电路和同相比例放大电路构成，低通滤波电路能够通过低频信号，可以抑制或衰减高频信号。电路设计如图 5 所示。图 5 低通滤波控制电路3 电路仿真测试本 设 计 和 仿 真 均 采 用 Multisim 14.0 软 件 实 现。Multisim14.0 是专用于电路仿真和设计的软件种类之一，是由 NI 公司下属推出的以 Windows 系统为基础制作的仿真工具软件，是当前电路仿真和设计软件中非常流行的EDA 软件之一。这款软件基于 PC 平台开发，通过图形操作界面虚拟仿真设计了一个与现实极其相似的电子电路实验工作台，近乎能够完成在实验室中运行的所有电子电路实验设计，并被广泛地用于电子电路分析、设计、仿真等各项工作5。本设计涉及的测试仪表包括稳压电源、函数发生器、示波器、波特测试仪等。测试方法上，电源选用 5V 直流电源。单独仿真高通滤波器时需加一个信号源进行测试，确定相关信号源的一个幅值，进而改变信号源的频率特性观察出高通滤波器的相关特性。测试理论分析：要求频率范围100Hz20kHz，用信号发射器发射一个输出波形为方波的音频，选取统一频率测量，和理论计算数据相比较即可。（1）当输入正弦信号 VS 幅度在10mV（有效值）范围时，经过预处理电路后得到信号 VC，如图 6 所示，可知输出信号 VC 在 100 Hz 时幅度为 0.001db；输出 VC 在 20kHz 时幅度为 0.002db。信号幅度变化在 10020kHz 时，幅度变化为 0.001db，小于 1db，符合预期要求。（a）（b）图 6 信号 VC 波特测试图形（2）在信号 VC 经过高通滤波器和功率放大电路后输出信号 VA，信号 VC 经过低通滤波器和功率放电电路后得到信号 VB。如图 7 所示，高通滤波器上的波特测试仪上的数据为-3.068dB，截止频率为 1.986kHz，结果符合预期要求。图 7 高通滤波放大器波特测试波形100|电子制作 2023 年 6月电子基础（a）（b）图 8 高通及低通滤波放大输出波形（3）当信号 VC 经高通滤波和功率放大输出信号 VA 的结果如图 8(a)所示，高通滤波器相位为 91.073 度；将信号 VC 经过低通滤波和放大电路时输出信号 VB 的结果如图8(b)所示，低通滤波器相位为 86.236 度。由数据可知，高通滤波信号 VA 和低通滤波信号 VB 在 2kHz 频点上的相位之差为 4.837 度，信号 VA 与 VB 的相位差小于 10，在预定设计范围之内，也说明最终设计的总电路符合预定要求。4 结论本文分析了有源二分频功率放大电路的组成和设计原理，通过 Multisim14.0 软件进行了电路绘制和仿真设计，并对有源二分频放大电路图运行效果进行分析，得出了此放大电路的仿真结果，符合有源二分频放大电路的基本设计要求。参考文献 1 聂典,李北雁,聂梦晨,等.Multisim12 仿真在电子电路设计中的应用 M.北京:电子工业出版社,2017.2 林兰平.Multisim 仿真软件在音响放大器设计电路中的应用J.无线互联科技,2022,19(22)：81-86 3 张静秋.二阶有源低通滤波电路的计算机辅助设计 J.电子制作,2017(1):8-11,14.4 朱慧娟,李荣茂,刘洋,庞巧,孙静.基于 multisim14 的模拟电路仿真与研究 J.电脑知识与技术 2022,18(33),84-86 5 刘亚丰,苏莉,吴元喜,等.虚拟仿真实验教案设计及实践 J.实验室研究与探索,2017,36(3):185-188.通信作者：张晓刚。（上接第 15 页）棒性，同时以 FPGA 作为系统主控，提升了算法效率。结合了图片全局灰度均值作为阈值初值的方法，大大减少了在FPGA 平台搭建边缘检测算法的参数调整时间。后续可结合SDRAM 外设进行原始图片的存储读取以解决 ROM 存储空间有限的问题，使原始图片具备更高的分辨率。参考文献 1 袁春兰,熊宗龙,周雪花,彭小辉.基于 Sobel 算子的图像边缘检测研究 J.激光与红外,2009,39(01):85-87.2 柯青林，张文涛，余英铨，等.基于 FPGA 的 8 方向 Sobel 自适应阈值边缘检测系统设计与实现 J.现代电子技术，2022，45(24):9297 3 陈跃妤.边缘检测算法比较分析 J.农业网络信息，2012，4(6):3133.4 曾俊.图像边缘检测技术及其应用研究 D.华中科技大学,2011.5 雷丽珍.数字图像边缘检测方法的探讨 J.测绘通报.03(2006):40-42.6 王德俊,王建立,阴玉梅,王鸣浩.基于 FPGA 的实时图像改进直方图均衡化算法 J.微电子学与计算机,2010,27(05):87-89+94.7 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