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语 音 放 大 电 路 的 设 计
一 实验目的
1了解语音识别知识。
2 掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。
3掌握分立或集成运算放大器的工作原理及其应用。

二 实验器材与元件
LM324、管角座、功放TDA2003、电阻、电容、麦克、喇叭、导线、焊锡等。
三 实验原理与设计指标
1 语音放大电路由“前置放大电路”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成。如课本P200图5—23所示：

2 设计指标
1) 前置放大器输入信号U≤10 mV；输入阻抗R=100K；
2) 有源带通滤波器带通频率范围300~3K Hz
3) 功率放大器最大不失真输出功率P≥5 W；负载阻抗R=4；电源电压（+5 V，+12 V，－12 V）。
4) 输出功率连续可调直流输出电压U≤50 mV，静态电源电流I≤100 mA
四 实验设计
1. 前置放大电路：
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，经过放大后多用单端方式传输。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。我们采用的是测量放大器作为前级放大，其由两个同相放大器和一个差动放大器组成，该电路具有输入阻抗高、电压增益易调节、输出不包含电路共模信号等优点。如图1所示，在实验条件下，放大器的增益为Au＝R4/R3 （1+2R2/R1）。通过改变图中的滑动变阻器可以增大或减小放大倍数。
图1 前置放大电路

示波器输出波形:

由左图可知，增益Au1=503.4604/9.8723≈50. 通过改变图中的滑动变阻器R1可以增大或减小放大倍数。

2.有源滤波器：语音信号的频率范围一般为300~3000Hz，故滤波器应采用带通滤波器。带通滤波器的电路如图2所示。
设计原则：在符合实验要求的情况下尽量选择实验箱上有的电阻和电容。
低通滤波部分：设计要求：低通截频3000HZ。
低通标准传递函数：

设计方法：令C1=C2=C，R1=R2=R，利用fn=1/（2πRC）求得RC=53.05uS通过计算近似取：C=0.01uF R=5.3k ，便可基本符合要求。
（2）高通滤波部分：
设计要求：高通截频300Hz。
高通传递函数：

设计方法：令C1=C2=C，R1=R2=R，利用fn=1/（2πRC）求得RC=530.5uS通过计算近似取：C=0.1uF R=5.3k ，便可基本符合要求。
（3）增益设计：
理想状态下，使放大器反相接地电阻接近无穷可使增益达到1 。实际需将反相接地电阻大于反馈电阻十倍以上即可使增益接近为1。
实验电路图如下：。
调试过程应调节尽量少的电路元件以达到实验要求。
实验中各个电阻对电路的影响：前一级为高通,通过调节图中R可改变高通截频R增高通通频带减小。后一级为低通,通过调节图中R可改变高通截频R3增低通通频带减小。调节时并不需要完全对称。在电容不变条件，只需调节R、R3中的一个。调节增益只需调节R1即可。
仿真调节后的电路图如下

RC有源滤波器仿真波特图及示波器如下图所示：
如上两图所示：RC有源滤波器的下限截止频率为300HZ，上限截止频率为2.99KHZ中心频率增益为0.052dB从仿真结果来看，基本符合实验要求。Ui=2.9946V 0.707Ui=2.1171V
(1)测得中心频率为979.7Hz增益为0.052dB波特仪显示如下

(2)下降3dB测得下限截止频率为300.9Hz波特仪显示如下

(3)下降3dB测得下限截止频率为3.001kHz波特仪显示如下

3. 功率放大器：功率放大器的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。本实验采用五端集成功放（TDA2003），其典型应用电路如图3所示。由于Multisim的器件库里没有TDA2003，所以不能对其进行仿真，我们就决定进行实物仿真，即插面包板，经过测试后功放的电压增益Au≈0.8。

图3 五端功放TDA2003应用
五 焊接实验电路板
将实验所用的元器件全部焊接在电路板上，并用导线正确连接，焊接时应注意安全，同时要保证焊接的质量，防止虚焊。最后引出四根导线（分别接运放的管脚，功放的5管脚以及接地口），分别接+12V、-12V的直流电源（供运放正常工作），+12V的直流电源（供功放正常工作）和地线（所有的接地点共用一个接口）。最后焊上扬声器和麦克风。
六 实际验证与调试
我们采用的是一级一级的调试方法。
（1） 带通的调试过程
在刚接入正负12V电源并接入信号源时，这里采用接入1V的信号源,因为语音信号本身很小经前级放大后电压也不是很大。我们并不是一帆风顺，用示波器测得输出波形时，发现波形不稳定，于是我们开始检查电路，在测量100k电阻时发现其在接通电源前后的阻值是不一样的，当时并不知道是什么原因。经过我们大家的讨论，最后发现阻值变化主要是电路中有其他有元器件（电容），接通电源后必然影响电阻的测量，因此那并不是个错误。我们继续检查发现有两个焊点是虚焊，重新焊过后，再用示波器进行测量发现已没用错误，带通范围也基本符合300——3000Hz的要求。由于接入前级放大和候机功率放大对带通都有影响，所以这里并没有调试为准确数据，待每级都没问题后，连接在一起在进行调试。
（2） 功率放大的调试过程
将前一级的带通接入功率放大的输入端，并接上喇叭，调节信号源的频率，听喇叭是否正常工作。开始喇叭并没有响最后发现TDA2003的一个管教断了，换了另一个管脚后喇叭正常工作。
（3） 前级放大的调试过程
调试前已充分做好调试的准备，因为用的是差放电路，要求电路的对称性要很好，在可能产生误差的地方我们都用了电位器，以便与调节，我们首先用万用表测量电阻，通过调节电位器使得对称的电阻阻值相同。在两个输入端分别用两个信号发生器加入+-10ｍV的差模信号，经测量放大了65倍。加入＋10mV共模信号，经测量放大了12倍，经调解电位器使得共模只放大5倍。
(4) 三级连接到一起调试过程
将调试好的三级电路连接到一起，接入信号源，用示波器对各级进行测量。当改变信号源频率时，喇叭出的声在400—3000之间完全没有失真。经调节带通的电位器使得带通在305—3056Hz之间。接着我们有接入mp3，发现也基本没有噪音。最后我们接入麦克，发现出声音但是声音有点小，噪音非常小。接着我们调节前级放大的R1电位器将增益提高，发现当声音放大时，噪声也随之放大，之后我们调解在一个噪声不大和放大声音也不小的平衡位置。可能是由于麦克的质量问题，只有在很小的角度范围内，麦克可以出声且基本没噪声，当用手托住麦克时，则可以在很大角度放大而且距离也可以达到20—30cm。
(5) 数据测量
用信号源加入50mV(最小值)，实际输入100mV,进行测量第一级和第二级电路。加入mp3测量第三级电路。
实验数据如下：
输入Ui(mV) 输出U0(V)
前级放大 100 8.21
前级增益：Au1=8.21/0.1=82.1
输入电压 最大输出电压 中心频率 上限截止频率 下限截止频率
8.21V 8.54V 997Hz 3.056kHz 305Hz
计算中心频率处的电压增益：Au=8.54/8.21=1.04
当接入mp3测得喇叭两端电压：V=6.163V
功率放大器的最大输出功率:p=6.1632/8=4.75W
七 实验体会
这次设计实验是对我们这学期电子电路课程实验的一次综合考验，要求难度较大，同时我们为了这次实验也付出了大量的努力。实验综合考察了实验课上所学到的各种电子电路的连接，调试，设计和制作，每一个环节都需要仔细认真的完成。在进行实验设计和制作中，我们也遇到了很多的困难。首先，在实验电路的设计上，我们花费了大量的时间，搜集资料，仿真和修改。这一过程使我对这学期所学的电子电路知识又进行了一次重新的学习和巩固；其次，我的焊接能力得到了一次考验。由于是在宿舍里焊的，环境比较乱，没有一步一步做好，当时也没太在意，可是拿到实验室调试，得不到正常的波形输出，一检查，有两处焊点是虚焊，修复检查的时间比焊接的时间还要多！有了这次教训，以后在焊接环节上一定不敢马虎了；另外，此次实验给我留下深刻印象的还有对放大器增益的调节。语音放大器由三部分组成，每部分对信号都有放大作用，怎样设置每级的放大倍数，使输出信号理想，这些是只有通过实践才可以学习得到的！此外，通过实验也知道了另一个问题的原因，就是在实际电路工作时，测量电阻的阻值并不一定正确，因为电路其它器件对其有影响。