音响系统设计样本.doc

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模拟电子技术基础
课程设计报告

设计题目: 音响系统的设计
学 院: 物理与电子信息学院
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指导老师:
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目 录
一、 设计任务和要求 3
二、 设计目的 3
三、 设计背景 4
四、 设计方案论证 4
五、 设计过程 4
1、 系统框图 4
2、 详细子电路设计 4
( 1) 、 电源电路 4
( 2) 、 语音放大电路 5
( 3) 、 前置混合放大电路 7
( 4) 、 音调控制电路 8
( 5) 、 音量控制电路 8
( 6) 、 功率放大电路 9
3、 设计总原理图 10
六、 设计结果 11
七、 设计总结 12
八、 参考文献 13

一、 设计任务和要求
(1)、 设计一个至少包括前置放大、 音调控制、 音量控制、 功率放大4级电络的音响系统。
(2)、 根据设计指标和设计要求, 详细分析各单元电路的设计过程, 逐级设计各单元电路, 画出单元电路原理图, 分析主要元器件的选择依据。
(3)、 设计各单元电路的实现、 调试、 测试方案和实验数据记录表格, 完成单元电路测试。分析各单元电路的测试数据和输入、 输出波形是否满足设计要求。
(4)、 根据前面的设计分析画出系统设计框图或系统设计流程图。
(5)、 根据系统设计框图逐级级联各单元电路, 每增加一级电路, 必须先测试并检验级联后的电路是否满足设计要求。如果级联后的电路能够满足设计要求, 方可继续级联下一级电路;如果级联后的电路不能满足设计要求, 则必须先定位问题所在点, 完成纠错后方可继续级联下一级电路。否则, 一旦系统电路出现故障, 将很难查。
(6)、 设计系统电路的测试方案和实验数据记录表格, 测试系统电路的实验数据和输入、 输出波形, 详细分析系统电路的测试数据和输入、 输出波形是否满足设计要求。
(7)、 用计算机辅助电路设计软件(如Multisim、 Altium Designer等)画出电路原理图。
(8)、 详细分析在电路设计过道中遇到的问题, 总结并分享电路设计经验。
二、 设计目的
设计一个音响放大系统, 使之符合以下设计指标:
语音放大级输入灵敏度: 5mV。
当负载RL=10 , 供电电压Vcc= 12V时, 功率放大器最大输出功率不小于5W。
频率响应范围: 20Hz-20KHz。
音调控制: 低音100Hz 20dB, 高音15kHz 20dB。
三、 设计背景
音响系统是人们日常生活中最为常见的电子系统, 在很多电子产品中都会用到, 如手机、 电视机、 笔记本电脑、 车载音响、 专用音响等。不同的音响系统性能差别很大, 价格也相差悬殊, 人们能够根据需要, 选择适合自己的音响系统。
四、 设计方案论证

五、 设计过程
1、 系统框图
音响系统主要包括话筒( MIC) 。语音放大电路、 前置混合放大电路、 音调控制电路、 功率放大电路、 音响等, 其框图如下图1所示;

图1
2、 详细子电路设计
( 1) 、 电源电路
为设计电路方便, 音响系统的电源电路不要求学生单独设计, 实验时, 能够直接使用实验室提供的直流稳压电源。但实验室提供的直流稳压电源是对220V/50Hz市政交流电进行整流、 滤波、 稳压后得到的, 直流电源中含有50Hz电源噪声和其它噪声, 为了抑制由电源噪声和电路连接过程引入的干扰, 实验时, 应对直流稳压电源按图2处理后, 再送给音响系统供电, 以减小因噪声干扰而引起自激振荡的概率。
在图2所示电路中, 应先对正、 负电源分别做滤波处理后再给功率放大电路供电。而且, 还应对功率放大电路的供电电源做去耦、 滤波处理后, 再送给前级小信号电路使用, 以削弱功率放大电路的噪声对前级小信号电路所造成的影响。
在图2所示电路中, C2、 C4、 C6、 C8应选用几十微法至几百微法的铝电解电容; C1、 C3、 C5、 C7应选用几百皮法至几万皮法的瓷片电容或独石电容。具体选用的电容值能够根据噪声情况确定, 也能够经过实验的方法观察得到。使用不同容值的电容器进行滤波的目的是分别滤除电源中的高频噪声和低频噪声。

图2
( 2) 、 语音放大电路
集成运算放大器具有输入阻抗高、 输出阻抗低, 工作状态稳定等优点, 因此本实验推荐使用集成运算放大器设计语音放大电路。
语音放大电路的主要作用是不失真地放大来自话筒( MIC) 的输出信号。
实验室能够提供的话筒大多是电容式驻极体话筒, 因此本实验以驻极体话筒为例介绍语音放大电路的设计, 其电路原理图如图3所示。
在图3所示的语音放大电路中, 采用的是双电源供电方式。
外接电源+Vcc1经过电阻R4给驻极体话筒提供直流偏置, 并经过电阻R4调节。
经过上式可知, 如果C3选择过小, 系统下限转折频率会较高; 如果C3选择过大, RC值较大, 接通电源的瞬间, 需要对电容进行充电, 电压上升速率变慢, 系统响应时间会变长。

图3
对于音频信号, 电容C3的容抗较小, 相对于电阻R1、 R2的阻抗, 电容C3的容抗能够忽略不计, 因此计算语音放大电路交流电压放大倍数时能够将其忽略。
图3所示为同相比例放大电路, 其交流电压放大倍数为:

选取电阻值时, 应先确定反馈电阻R2的组织。电压放大时, 因受器件单位增益贷款的限制, 反馈电阻R2不宜选择过大; 同时考虑输入失调的影响, 反馈电阻和输入电阻的阻值也不宜选择过小。一般反馈电阻能够选用几十千欧姆至几百千欧姆阻值的电阻。
电阻R1应根据反馈电阻和电压放大倍数计算得到。实际使用时, 应尽量选用最接近于增益设计要求的标称电阻。
电阻R3是静态平衡电阻, 能够根据集成运放的静态平衡原则计算得到。
电解电容的耐压值应根据所使用的电源电压来确定。工程设计要求电容的耐压值应高于电源电压, 而且还要给出一定的设计裕量, 以保证系统能够长期稳定工作。
( 3) 、 前置混合放大电路
前置混合放大电路的主要作用是将经语音放大电路后的输出信号与播放机输出的音乐信号Vi2混合并放大后, 送给下一级音调控制电路进行处理。
受增益带宽积的限制, 为保证前置混合放大电路有较宽的通频带, 前置混合放大电路的电压增益不宜设置过高, 否则在带宽范围内容易引起波形失真。
图4所示为用集成运算放大器设计的前置混合放大电路。

前置混合放大电路的主要作用是将两路输入信号Vo1和Vi2进行放大并叠加。两路输入信号分别来自语音放大电路的输出信号Vo1和播放机的输出信号Vi2。如果选用电阻R1=R2=R,则总的输出电压Vo2为:

如果前级没有设计语音放大电路, 则前置混合放大电路的输出能够简化为:

在图4中, 电容C1、 C2、 C3是输入、 输出耦合电容, 其电容值能够根据前面介绍的设计分析选取。选取前置混合放大电路的电阻值时, 也应该先确定反馈电阻Rf的阻值, 然后根据电压放大倍数计算得到输入电阻R1、 R2的阻值。电阻R3是静态平衡电阻, 能够根据集成运算放大器静态平衡原则计算得到。
( 4) 、 音调控制电路
( 5) 、 音量控制电路
按音量控制对象不同, 音量控制电路能够分为电压式和电流式两种。当音量控制电路的前一级电路的输出阻抗较高, 后一级电路的输入阻抗较低时, 为了能有效地传递有用信号, 应选用电流式音量控制电路。当音量控制电路的前一级电路的输出阻抗较低, 后一级电路的输入阻抗较高时, 应选用电压式音量控制电路。
负反馈式音调控制电路输出阻抗较低, 功率放大器的输入阻抗较高, 因此本实验建议采用电压式音量控制电路来实现音量控制。
图8.4.11所示为用电位器Rp3和电阻R5并联实现的信号衰减法电压式音量控制电路。经过改变电位器Rp3可调端的位置来改变输入信号的衰减量, 即经过改变功率放大电路输入信号的幅值来改变声音信号的强弱, 以实现音量控制。图中输出端的电压跟随器用于隔离功率放大器与前级电路, 以缓解功率放大电路噪声对前级电路的影响。
声音信号的强度与响度不是线性关系, 而是近似对数关系, 即声音信号的强度每增加10倍, 人耳所能感觉到的响度只增加一倍。为了符合人耳的听觉习惯, 设计音量控制电路时, 应采用电阻值按指数规律变化的电位器来实现, 但考虑到设计成本, 本实验推荐采用图8.4.11所示的电位器Rp3与电阻R5并联的输出电压信号近似按指数规律变化的音量控制电路。
在图8.4.11所示的音量控制电路中, 输入信号和输出信号的关系为:

式中, Rp3=Rpa+Rpb。
在图8.4.11所示电路中, 当改变线性电位器Rp3可调端的位置时, 在音量控制电路的输出端能够得到近似按指数规律变化的输出电压Vo4。输出电压Vo4的大小是由电位器Rp3的电阻值、 Rp3可调端的位置和R5的电阻值共同决定的。
当电位器Rp3选用标称值为47kΩ的电位器, 电阻R5分别选用标称值为2kΩ、 3kΩ、 4.3kΩ、 5.1kΩ、 6.2kΩ、 7.5kΩ和8.2kΩ的电阻值时, 在音量控制电路的输出端能够得到图8.4.12所示的输出电压变化曲线。其中, 横坐标是电位器Rp3中Rpb部分电阻与电位器总阻值的比值; 纵坐标是输出电压Vo4与输入电压Vo3的比值。
由图8.4.12可知, 将线性电位器与电阻并联, 调节电位器可调端的位置, 能够实现输出近似按指数规律变化的输出电压曲线, 得到的声音响度适合人耳变化规律要求的声音信号, 满足人耳听觉习惯, 实现适合人耳需要的音量控制。
( 6) 、 功率放大电路
功率放大电路的主要作用是放大来自音量控制电路的输出信号, 将音频输入信号进行功率放大并推动音箱发声。与前面小信号放大电路不同, 功率放大电路处理的是大信号, 容易引入噪声, 产生非线性失真, 引起自激振荡。
功率放大电路应具有一定的输出功率, 其输入阻抗能与前一级音量控制电路的输出阻抗匹配; 其输出阻抗能与后一级扬声器负载匹配, 否则将影响放音效果。
功率放大电路种类繁多, 实现方法多样。本实验以集成功率放大器TDA2030A为例, 介绍一下TDA2030A双电源供电方式下的典型应用电路, 如图8.4.19所示。
在图8.4.19中, 电阻R1、 R2是闭环增益调节电阻, 主要用于调节功率放大器的放大能力。在选取电阻R1、 R2的阻值时, 应参考生产厂家提供的产品数据手册确定。

图
电容C1是负反馈隔直电容, 其容值应根据系统的下限截止频率和电路响应时间确定。
电容C8是输入耦合电容, 其容值应根据待处理信号的频率范围和功率放大器的输入阻抗确定。
电阻R3是静态平衡电阻, 其电阻值能够根据静态平衡原则计算得到。
电容C2、 C3和C6、 C7是滤波电容, 即电源电路图8.4.1中的滤波电容C6、 C5和C2、 C1, 主要用于滤除电源中的低频噪声和高频噪声, 其电容值应根据电路噪声的具体情况确定。
用TDA2030A设计功率放大电路时, 应考虑在TDA2030A的输出端加上保护电路, 以防止功率放大器瞬间输出高压脉冲而损坏功放器件。
在图8.4.19中, 二极管VD1、 VD2是过压保护用二极管。当电路正常工作时, 二极管VD1、 VD2不起作用, 相当于开路。当功率放大器的输出端有较强的正脉冲出现时, 二极管VD1导通; 当功放的输出端有较强的负脉冲出现时, 二极管VD2导通。总之, 在功率放大器的输出端有高压脉冲出现时, 二极管VD1、 VD2能够将输出电压钳位到功率放大器允许的输出范围内, 以达到保护功率放大器TDA2030A的目的。
在面包板上调试实验电路时, 因功率二极管的引脚较粗, 不宜插接, 而且在实验调试过程中, 二极管VD1、 VD2的保护作用并不明显, 因此, 在实验室条件下, 如果是在面包板上调试用TDA2030A设计的功率放大电路, 则二极管VD1、 VD2能够不接。
由于扬声器是感性器件, 当流经扬声器的电流发生变化时, 会产生较高的反向电动势, 该反向电动势对功率放大器有极强的破坏作用。为了能缓解扬声器反向电动势的破坏作用, 在图8.4.19中, TDA2030A的输出端设有电阻R4和电容C4组成的补偿电路。补偿电容C4的容性阻抗能够补偿寄生在扬声器中的感性阻抗, 使总的负载表现为纯电阻特性, 以防止因扬声器的反向电动势过高而击穿功率放大器件。与补偿电容串接的补偿电阻R4主要用于降低因寄生电感和补偿电容引起高频自激振荡的概率。
3、 设计总原理图
经过合适的元器件参数选择和上述子电路的结合, 能够得到以下电路原理图:

六、 设计结果
电路仿真结果
输入与输出电压仿真波形

在函数发生器设置为正弦波输出, 频率为1kHz, 振幅为10mVp时, 输入与输出电压仿真波形如下图所示。

音调控制电路输出信号幅频与相频曲线

七、 设计总结
经过对压控函数发生器设计原理的学习和实验, 充分理解了运算放大器、 积分器、 施密特电路以及改进型差分放大的工作原理, 熟悉了电路设计软件的操作, 并了解了其仿真过程的优缺点, 同时提高了实际的操作能力。
经过这次电子技术课程设计实验的实际动手操作, 让我在硬件设计与实现方面有所提升。而且, 这次课程设计提高了我的动手操作能力, 加强了我对理论知识的学习, 对于后续专业课程的学习和未来工作都有很大帮助。在电路设计与仿真过程中, 对于设计的原理并没有透彻理解, 因此导致硬件调试过程中问题不断, 自己又查不到原因, 因此我以后会更加注重理论与实际的结合, 这样能够让我更加自主、 有效率地完成硬件组装与调试, 设计出更加的电路。
八、 参考文献
【1】、 《数字电子技术基础》 张申科 崔葛瑾编 电子工业出版社出版
【2】、 《模拟电子技术基础》( 第四版) 华成英 童诗白主编 高等教育出版社出版
【3】、 梁青 …等. Multisim 11电路仿真与实践[M].清华大学出版社 .
【4】、 聂典. Multisim 12仿真设计[M]. 电子工业出版社, .