语音放大电路模电课程设计.doc

模拟电子技术基础课程设计(论文) 语音放大电路 院（系）名称 专业班级 学号 学生姓名 指导教师起 止 时 间： 2016.7.42016.7.15本科生课程设计（论文）摘 要在电子电路中，输入信号常常受各种因素的影响而含有一些不必要的干扰，或者输入信号是不同频率信号混合在一起的信号，对前者应设法将不必要的成份衰减到足够小，而后者应设法将需要的信号提取出来。而且随着社会的发展，在我们的日常生活中也经常会出现一系列的问题：如在检修各种机器设备的时候，我们要根据故障设备的异常声来寻找故障，这种异常的声响的频谱覆盖面往往很广，这时我们需要一种语音放大电路来解决以上问题。本次设计一种语音放大电路，是基于集成功率放大器TDA2030基础上实现的具有语音放大功能的语音放大电路。主要实现将有用信号放大，抑制干扰信号的功能，实际上就是一个能识别不同频率的小信号放大系统。它由前置放大电路、有源带通滤波器和功率放大器组成。能放大由人发出的300Hz-3kHz频率段的音频信号。由于声波在传播中会产生反射、折射和干涉等现象，所以到达话筒的信号比人从声带中发出来的声音要小。由于声音在空气中传播产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在语音放大器中设计滤波器，提高输出信号的高保真性能。本系统采用Multisim仿真软件进行仿真测试。在保证功能的前提下控制器件成本。采用单面印制电路板对整体电路进行合理的布线，并进行焊接与调试。各输出信号均达到设计要求且稳定工作。关键词：前置放大；带通滤波；功率放大器 目 录第1章 绪论11.1 语音放大电路的发展概况11.2本文研究内容1第2章 语音放大电路总体设计方案22.1 语音放大电路设计方案论证22.2总体设计方案框图及分析3第3章 语音放大电路设计43.1语音放大电路设计43.1.1 前置放大电路设计43.1.2有源带通滤波电路设计43.1.3 功率放大电路设计53.2 元器件型号选择63.3 参数计算63.4 语音放大电路总体电路图7第4章 语音放大电路仿真与调试84.1 Multisim仿真与调试84.2 仿真结果分析11第5章 语音放大电路实物制作125.1 语音放大电路焊接125.2语音放大电路作品13第6章 作品测试与数据分析14第7章 总结15参考文献16附 录 I17附 录 II18II第1章 绪论1.1 语音放大电路的发展概况进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；。都希望能够有较长的使用寿命。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的语音放大器就成为其中的关键部件。1.2本文研究内容本文研究内容为设计一款既能放大语音信号又能降低外来噪声的仪器。能识别不同频率范围的小信号放大系统。使用集成运放的放大功能将其放大成比较大的电压信号，以作为后一级的输入信号电压，保证后级电路的正常工作。前置放大级输出的放大了的电压信号作为功率放大级的输入信号，经此级电路之后得到的输出应具有较高的功率，能驱动本实验中的负载45W的喇叭，将从输入级输入的声音信号不失真地进行放大。技术要求：1、采用全部或部分分立元件设计一种语音放大电路。2、额定输出功率。3、负载阻抗。4、频率响应300Hz-3KHz。5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。20第2章 语音放大电路总体设计方案2.1 语音放大电路设计方案论证（1）前置放大器方案1：同相放大器：采用两个同相放大电路的简单串联组合进行设计。差分输入信号从两个放大器的同相端输入，可以有效的消除两输入端的共模分量，获得很高的共模抑制比和极高的输入电阻。方案2：利用迟滞比较器单元和充放电时间常数不等的积分器构成的反馈网络实现锯齿波的产生，通过调节积分器充放电时间常数的差值来调节锯齿波和方波的频率，通过对迟滞比较器反馈电阻的调节来调节迟滞比较器的门限电压的调节进而调节锯齿波的电压幅值，通过电阻分压网络来调节方波电压幅值。比较两种设计方案，与方案1相比，方案2用运算放大器组成迟滞比较器就能满足锯齿波电路在1kHz以下的频率区间工作的性能要求。其结构更加简单、可靠性更高、制作成本低廉、调试更加方便。所以选择方案2。（2）有源带通滤波电路方案1：单运放有源滤波电路：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。方案2：宽带带通滤波器：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串接起来可以实现通带响应。比较两种设计方案，与方案1相比，方案2构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用做测量信号噪声比的音频带通滤波器。我要设计的语音放大电路是需要有源带通滤波器。因此可以参考二阶有源低通滤波器（LPF）或二阶有源高通滤波器（HPF）电路来设计。因此选择方案2。（3）功率放大器电路方案1：芯片LM301组成功率放大器电路，LM301的外形和引脚的排列如图2.1所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。 图2.1芯片LM301组成功率放大器电路方案2：利用芯片TDA2030电路进行功率放大，由前级输入的信号通过电容进入第三级功放中起到了一定的滤直流的作用。安装的电位器可以调节增益，两个二极管起到保护芯片的作用，电阻和电容可以防止自激。比较两种设计方案，方案1 LM301当 R开路时增益最小，R短路时增益最大。在调节时，LM301很容易烧坏。方案2可以做到保护电路的作用，故采取方案2。2.2总体设计方案框图及分析如图2.2所示，语音放大电路由前置放大电路，有源带通滤波电路和功率放大电路三部分组成。由输出的语音信号作为电路的输入信号，由前置放大电路将语音信号进行放大，再由滤波电路滤除小于30Hz大于3KHz的语音信号，最后由功率放大电路进行功率放大。功率放大带通滤波前置放大语音信号 图2.2 总体设计方框图第3章 语音放大电路设计3.1语音放大电路设计3.1.1 前置放大电路设计如图3.1所示，前置放大电路由2个同向放大电路组成。该电路具有输入阻抗高，电压增益容易调节，输出不包含共模信号，提高输入电阻和共模抑制比性能，减小输出噪声等优点，本电路主要起放大电压幅度的作用。为尽量保证不失真放大，采用两级运放电路。图3.1 前置放大电路原理图3.1.2有源带通滤波电路设计由有源器件和 RC 网络组成的滤波器称为有源滤波器。按照滤波器工作频带的不同，可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器。根据语音信号的特点，语音滤波器应该是一个二阶有源带通滤波器，其频率范围应在300 Hz 3 kHz 之间。宽带通滤波器，在满足LPF的通带截止频率高于HPF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。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用于测量信号噪声比的音频带通滤波器。如图3.2所示。图3.2有源滤波电路图 3.1.3 功率放大电路设计如图3.3所示，功率放大电路可以由分立元件组成，也可由线性集成功率放大器组成。集成功率放大器克服了晶体管分立元件功率放大器的诸多缺点，其性能优良，稳定可靠。功率放大电路主要起放大电流的作用。其中TDA2030为集成功放器件，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。图3.3功率放大电路图3.2 元器件型号选择在前置放大电路部分，运算放大器使用LM324。通过第二级放大电路中的电位器来调节放大的倍数。这个电路非常简单，而且原理清晰。通过仿真可知，输出很完整，基本上没有噪声。在带通滤波部分，使用LM324，当低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率时，将二阶低通滤波器和二阶高通滤波器串联，就可得到通带较宽的二阶带通滤波器。功率方大部分采用TDA2030集成功率放大器，TDA2030是TDA2002的改进型，其输出功率更大，电路特点及内设的各保护电路与TDA2002相同。它适用于收音机及其它设备中作音频放大。3.3 参数计算前置放大电路使用运算放大器LM324。通过第二级放大电路中的电位器来调节放大的倍数。这个电路非常简单，而且原理清晰。通过仿真可知，输出很完整没有噪声。在第一级放大电路中：AU1=1+R3R1=1+1010在第二级放大电路中：AU2=1+RW1R41100所以总的放大倍数为：AU1=AU1AU2101000带通滤波电路，高通部分：令C1=C2=0.1F2R1R2=2R1=R2212Wn=3.7KR2=2R1=7.4KAU=1+RbR1=1RbRa=0Rb=10Ra=1K3.4 语音放大电路总体电路图语音放大器是一个典型的多级放大器，如图3.4所示，前置放大电路主要完成对小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带要求要宽，噪声要小。有源滤波器主要实现对输入信号高低音的调整。功率放大级主要决定了输出功率的大小，非线性失真系数等指标,要求效率高，失真尽可能小，输出功率高。图3.4 语音放大电路总体电路图第4章 语音放大电路仿真与调试4.1 Multisim仿真与调试应用Multisim 12.0仿真软件对各部分电路进行仿真测试，便于在电路实物制作之前及时发现设计问题，改正设计错误、调试电路。利用仿真软件对前置放大电路进行仿真。如图4.1所示，在其输入端加上1kHz，幅度10mV的正弦波，在示波器上可观察到，输出电压为幅度为6V。由此可知Au=600。输出波形基本完整。由于加入了可调元件，该增益将会在后续调试中发生变化。图4.1前置放大电路仿真结果利用仿真软件对带通滤波电路进行仿真。如图4.2所示，在输入端输入5V，1KHz的正弦波。示波器上得到两条正弦波，一条为输入端输入的电压为5V的正弦波，另一条为输出端所得到电压约为5V的正弦波，所得到UO与Ui近似相等为5V则有AUf约等于1，故满足要求。图4.2带通滤波电路仿真结果如图4.3所示对功率放大电路进行电路仿真。在输入端输入电压为5mv频率为1kHz的正弦波，依次调节电路中的电位器，使波形最大不失真，可得输出两条正弦波形，一条为输入端正弦波，电压为5mv。另一条为输出端正弦波电压约为100mv，所以由公式计算得出AUf20，而且输出波形完整、不失真满足电路所需要求。而且此部分电路加入了多个可调点，因此以上数据在后续调试中也将变化。图4.3功率放大仿真结果整体电路图仿真如图4.5所示，在输入端输入5mv，1kHz的正弦波，如图4.4所示。调节电路使得输出电压为5v。此时输出功率约为6.2W，所以满足要求。图4.4输入正弦波图4.5整体电路仿真结果4.2 仿真结果分析根据仿真结果前置放大电路的输入为10mV输出6V，增益可调满足为集成运算放大器供电的要求。根据仿真结果带通滤波的输入、输出电压基本相等增益近似等于1，波形输出稳定满足设计要求。一般的性能需求是指互相消息传递顺利，协议分析正确，运行时间满足使用需要，安全性得到完全保证。第5章 语音放大电路实物制作5.1 语音放大电路焊接具体电路的布线与焊接，为了防止电路分布参数影响工作状态产生误差，应该尽量避免飞线，尽量缩短导线长度。为了保证焊接的质量，焊接元件时一定要先固定一个引脚，然后调整元件的位置及高低至合适后，再焊另一个引脚。焊接蜂鸣器和电解电容时一定要看准极性，以免不能正常工作。语音放大电路实物布线图如图5.1所示。图5.1语音放大电路焊接布线图5.2语音放大电路作品图5.2 语音放大电路实物图第6章 作品测试与数据分析安装由左到右，前一部分以LM324为中心，后部分以TDA2030为中心。通电前认真检查，确定无误后，才可调试与测试。静态调试：调零和消除自激振荡。动态调试：（1）在两输入端加差模输入电压，测量输出电压，观测与记录输出电压与输入电压的波形，算出差模放大倍数。（2）在两输出端加共模输入电压，测量输入电压，算出共模放大倍数。（3）算出共模抑制比。（4）用逐点法测量幅频特性，并作出幅频特性曲线，求出上、下限截止频率。（5）测量差模输入电阻。图6. 1 测试结果图第7章 总结本次课程设计的题目是语音放大电路。语音放大器电路是对较弱的音频信号进行筛选放大，最后输出的电路结构。由于是对音频信号的放大，因此在电路中对噪声的避免，是比较重要的，抗干扰能力的强弱决定了设计的成败。此产品用三级电路组合，通过层层滤波，放大，选用高性能低噪的器件，能有效减少失真，增大输出功率。本次设计的主要内容是能在一定频段实现语音放大的电路，该电路由前置放大、有源带通滤波以及功率放大三个单元组成，由于信号源提供的信号非常微弱，故一般在音调放大级前加一级前置放大级。在测量用的放大电路中，一般传感器送来的直流或低频信号，经放大后多以单端方式传输。典型情况下，信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，共模噪声可能高达几伏。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是同等重要的问题。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。有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路，其种类有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，本实验着重讨论典型的二阶有源带通滤波器。功率放大的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。本设计通过方案比较选出如下方案,前置放大电路采用两个同相放大电路的简单串联组合，滤波器采用常用带通滤波器，功率放大电路运用了TDA2030。通过Multisim仿真软件进行仿真，电路仿真后结果满足要求。按照电路图完成实物的焊接，得到了符合要求的语音放大器，完成设计。 本人签字： 参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分M.第五版.北京:高等教育出版社,20062 曹文.电子设计基础M.北京:机械工业出版社,20133 余萍,程文清,车辚辚编著.通信电子电路综合实验J.清华大学出版社 2012.14 高有堂.电子设计与实战指导M.北京:电子工业出版社,20105 陈立万.模拟电子技术基础实验及课程设计M.西安:西安交通大学出版社,20126 沈易,顾秋杰等编著.模拟电子技术实验及综合设计M.西安：西安电子科技大学出版社,20107 沙春芳.Multisim 10 在模拟电子教学中的应用J.中国现代教育装备,2011(2):10-218 田良.综合电子设计与实践M.江苏:东南大学出版社,20109 梁赫西, 周密, 谢虎城. 基于FPGA与LabVIEW的DDS任意信号发生器设计J. 微型机与应用, 2015, 34(2):25-28.10 孙余凯,吴明山,项绮明等.新型电子通用单元电路.电子工业出版社,201111 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社,201012 方大千.实用电子控制电路M.北京:国防工业出版社,2011.313 模拟电子技术实验指导书M.北京:中国水利水电出版社,201214 王振红,张常年编著.电子技术基础实验及综合设计.机械工业出版社,2011.315 胡斌,蔡月华编著.放大器电路识图与故障分析轻松入门.人民邮电出版社,2013附 录 I 总体电路图附 录 II元器件名称参数元器件名称参数电解电容68F 50电阻1 k独石电容0.1F 50电阻4.7k独石电容0.01F 50电阻7.5k独石电容6800F 50电阻100电位器100 k电阻100k电位器10 k电阻8.2k电阻10 k功率放大器TDA2030电阻3.9 k运算放大器LM324N元器件清单目 录1 总论11.1项目摘要11.2 编制依据与研究范围31.3 建设规模41.4 主要建设内容41.5 投资估算及资金筹措41.6 工程效益52 投资环境及建设条件分析62.1 投资环境分析62.2 建设条件分析103 项目建设的必要性与可行性分析153.1 项目建设的必要性153.2 项目建设的可行性164 开发区规划与交通量预测174.1 项目区总体规划174.2 项目影响范围的交通量预测185工程建设方案215.1 设计标准及设计规范215.2 道路设计方案225.3 给排水工程设计285.4 道路照明345.5 电力综合管沟355.6 道路绿化工程355.7 交通安全及管理设施356 节能分析376.1 设计依据376.2 项目概况376.3 项目对所在地能源供应状况的影响376.4 项目用能方案、用能设备386.5 项目能源消耗量、能源消费结构、效率水平和能源管理水平386.6 节能措施分析评价386.7 节能措施建议396.8 结论397 环境保护407.1 大气环境质量407.2 交通噪声417.3 振动环境质量427.4 日照环境质量428 组织机构与人力资源配置438.1 施工组织机构438.2 项目部的职责438.3人力资源配置449 项目实施进度459.1建设工期459.2 工程实施进度安排4510 征地拆迁4610.1 项目建设用地面积4610.2 建设用地现状4610.3 征地赔偿4610.4 道路两侧需拆除建筑物与安置办法4611 投资估算与资金筹措4611.1投资估算4611.2投资筹措4611.3工程利润分析4912 招标投标管理5012.1招标依据5012.2招标范围5012.3 招标组织形式5012.4招标方式5012.5招标遵循的原则5113 社会影响分析5313.1优化投资环境，提升开发区服务功能5313.2 项目对社会的影响分析5413.3 项目与所在地互适性分析5413.4 社会评价结论5414 结论与建议5514.1 结论5514.2 建议55