音响放大器设计东南大学.doc

东南大学电工电子实验中心
实 验 报 告

课程名称： 电子电路实践

第 次实验

实验名称： 音响放大器设计
院 （系）： 专 业：
姓 名： 学 号：
实 验 室: 实验组别：
同组人员： 实验时间：年评定成绩： 审阅教师：

实验五 音响放大器设计
【实验内容】
设计一个音响放大器，性能指标要求为：
功能要求 话筒扩音、音量控制、混音功能、音调可调(选作)
额定功率 ≥0.5W(失真度THD≤10%)
负载阻抗 10Ω
频率响应 fL≤50Hz fH≥20kHz
输入阻抗 ≥20kΩ
话音输入灵敏度 ≤5mV
音调控制特性(扩展) 1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有±12dB的调节范围
1. 基本要求
功能要求 话筒扩音、音量控制、混音功能
额定功率 ≥0.5W(失真度THD≤10%)
负载阻抗 10Ω
频率响应 fL≤50Hz fH≥20kHz
输入阻抗 ≥20kΩ
话音输入灵敏度 ≤5mV
2. 提高要求
音调控制特性 1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有±12dB的调节范围。
3. 发挥部分
可自行设计实现一些附加功能
【实验目的】
1. 了解实验过程：学习、设计、实现、分析、总结。
2. 系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。
3. 通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。
【报告要求】
1. 实验要求：
(1) 根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。
话音放大器：

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗可能高达到20k。所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到20kHz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。话筒接入后可能会啸叫，这一般是话筒外壳接地不善引起的。在话筒输入和地直接接一47uF电容，啸叫基本消除。
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20kΩ（也有低输出阻抗的话筒，如20Ω，200Ω等），所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号（取频率lkHz)。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。
话筒放大器由如图所示电路组成，即由A1组成的同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路。
满足：Uo=（1+R4/R1）Ui , 取RF=100KΩ,R1=20 KΩ
其放大倍数AV1为：AV1=1+RF/R1=6
电路中的电容均用来滤波。

混合前置放大器：

混合前置放大器的作用是将mp3输出的声音信号与话音信号混合放大，其电路如下图所示。从图中可以看出，输出电压与输入电压之间的关系为：，式中，为话筒放大器的输出信号，为放音机的输出信号。在实验过程中可调节电位器R1和R2以调整增益。

音调控制器：

图a.音调控制曲线
音调控制器的作用是控制、调节音响放大器输出频率的高低，控制曲线如图a折线所示。由图可见，音调控制器只对低音频或高音频的增益进行提升或衰减，中音频增益保持不变。所以音调控制器的电路由低通滤波器与高通滤波器共同组成。
因为电容C2=C3>>C4,所以在中、低音频区，C4可视为开路，而在中、高音频区，C2、C3可视为短路。
低音调节时，当Rp1滑到左端时，C2被短路，C3对低音信号容抗很大，可视为开路；低音信号经过R1、R3直接输入运放，输入量最大；而低音输出经过R2、Rp1、R3负反馈输入运放，负反馈量最小，因而低音提升最大；当Rp1滑到最右边时，与上述情形相反，因而低音衰减最大。不论Rp怎样滑动，因为C2、C3对高音信号可视为短路，对高音信号无任何影响。
高音调节时，当Rp2滑到左端时，因C4对高音可视为短路，高音信号经R5、C4输入运放，输入量最大；而高音输出则经过Rp2，R5负反馈送入运放，负反馈量最小，因而高音提升最大；当Rp2滑臂滑到最右端时，则刚好相反，因而高音衰减最大。不论Rp2滑臂怎样滑动，因为C4对中低音信号可视为是开路的，所以此时对中低音信号无任何影响。

功率放大器：功率放大器给音响放大器的负载提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能的大，输出信号的线性失真尽可能的小，效率尽可能的高。功率放大器的常用形式有OTL电路和OCL电路等。有用专用集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器。此处采用OCL功率放大器电路。

功放的电压增益为：
若取R2 = 1kΩ，则R3 + RP1 = 19 kΩ.现取R3 = 10 kΩ,RP1 = 100kΩ。
如果功放级前级是音量控制电位器（设 4.7 kΩ），则取R1 = 47kΩ以保证功放级的输入阻抗远大于前级的输出阻抗。
若取静态电流Io = 1mA，因静态时Vo = 0，故可得
（设RP2 = 0

则 R4 = 11.3 kΩ 取标称值 11 kΩ。
其他元件参数的取值如图所示。
(2) 利用EDA软件进行仿真，并优化设计（对仿真结果进行分析）。
话音放大器：
Ui=10mV，Uo=59.9mV
Au=6
Uo
Ui

分析：电压增益为6，与理论是一致的。

话放输入Ui1

混音放大器：
混合放大输出Uo
话放输入Ui1=100mV
Mp3输入Ui2=100mV
混合放大后输出Uo=307mV
Mp3输入Ui2

分析：通过观察输入和输出的峰峰值可知，满足，与理论分析是一致的

音调控制器：
当频率f=1K时：
Ui=100mv

Uo=100mV

分析：当频率为1K时，增益为0db，达到要求。

当频率为125Hz时：
A：放大：
Ui=100mv

Uo=248mV

B：衰减：
Ui=100mv

Uo=248mV

分析：放大时：Au=20log（248/100）=8db，小于要求的12db，衰减时：
Au=20log（40/100）=-8db,大于要求的-12db，这是由于自己在音调电路中的R1和R2选择太大导致的。

当频率为8k时：
A：放大
Ui=100mv

Uo=373mV

B：衰减
Ui=100mv

Uo=27.2mV

分析：放大时：Au=20log（373/100）=11.4db,基本达到要求的12db
衰减时：Au=20log（27.2/100）=-11.3,基本达到要求的-12db
功率放大器：
Ui=100mv

Uo=5.2V

分析：Au=52，通过调节电位器Rp1可以实现增益的调节

(3) 实际搭试所设计电路，使之达到设计要求（实物图要有图片）。
功放电路
音调控制
混放电路
话放电路

(4) 按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试波形及数据，分析电路性能指标。
① 额定功率：
最大不失真电压Uo（峰峰值）=13.2V，有效值为4.67V
Ui（峰峰值）=30mv

分析：额定功率Po=Vo2/RL=4.672/10=2.2W，这显然大于要求的0.5W，说明设计合理。
② 频率响应：
注：由于验收那天扫频仪的探头不知所踪，故只能用示波器测量频率响应，方法为先测量中频区的输出电压，接着在不改变输入电压的情况下，调节频率，使得输出电压为中频区的0.707倍，这样便可测得上限频率和下限频率。
Ui（峰峰值）=5mV
中频区（取频率f=1K）：
Uo（峰峰值）=2.64V

下限截止频率：保持输入Ui=5mv，降低输入的频率，使得输出Uo=0.707*2.64=2.12V
Uo（峰峰值）=2.12V
Ui（峰峰值）=5mV

此时的频率即为下限频率：fL=10Hz，小于要求的50Hz，说明设计合理。

上限截止频率：保持输入Ui=5mv，提升输入的频率，使得输出Uo=0.707*2.64=2.12V
注：输入的波形忘记显示，望老师见谅
Uo（峰峰值）=2.12V

此时的频率即为上限截止频率：fH=25K，大于要求的20K，说明设计合理。
③ 输入阻抗：
在电源输出串接一50KΩ的电阻作为Rs,测得Us=7.5mV,Ui=5mV，则输入阻抗为100kΩ，远远大于要求的20kΩ，说明设计合理。
④ 输入灵敏度：
Ui（峰峰值）=4mV
测量方法：将音调控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，使Vi从零开始逐渐增大，直到Vo达到额定功率值时所对应的输入电压值即为输入灵敏度。
Uo（峰峰值）=13.2V

分析：输入灵敏度为4mv（峰峰值），小于题目的要求。故设计合理。
⑤ 噪声电压
音响放大器的输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压
测量方法：将音调控制器的两个电位器调节到中间位置，音量控制电位器调到最大值，输入端对地短路，用示波器观测输出负载RL端的电压波形，用交流毫伏表测量其有效值。

通过交流毫伏表测得有效值为9mV，
⑥ 整机效率：
在输出额定功率的情况下，将电流表串入VCC支路中，测得总电流I=0.5A，又Vcc=7.5V。
故=2.2/(0.5*7.5)=58.6%.

⑦ 谐波失真度：由于实验器材限制，故此项没有测，望老师见谅。
⑧ 音调控制特性（扩展）：
注：由于当时验收通过后，心情过于激动，导致部分音调波形未采用双踪显示，但已事先跟老师说明，望老师见谅。
说明：音调所有的输入均为100mV（峰峰值）
1、当频率为1KHz时：

Uo=107mv
分析：Au=20log（107/100）=0.58db,略大于要求的0db，但基本达到要求。
2、当频率为125Hz时：
A：放大时

Uo=258mv

B:衰减时

Uo=48mv
分析: 放大时：Au=20log（258/100）=8.23db，小于要求的12db，衰减时：
Au=20log（48/100）=-6.4db,大于要求的-12db，正如仿真所说的，这是由于自己在音调电路中的R1和R2选择太大导致的。
3、当频率f=8K时
A：放大时

Uo=374mv
B:衰减时：

Uo=36mv
分析: 放大时：Au=20log（374/100）=11.45db，略小于要求的12db，衰减时：Au=20log（36/100）=-8.87db,大于要求的-12db，放大区与仿真结果一致，但衰减区与仿真存在一定误差。
综上：音调控制器实现了对低音频或高音频的增益进行提升或衰减，中音频增益保持不变，但是对于低频或高频增益的提升或衰减的范围与要求的正负12db存在一定误差，尤其是低频段，说明了自己在参数选择上仍存在不足。
综合分析：此次实验基本达到了实验要求：
额定功率 ≥0.5W(失真度THD≤10%)
负载阻抗 10Ω
频率响应 fL≤50Hz fH≥20kHz
输入阻抗 ≥20kΩ
话音输入灵敏度 ≤5mV
仅在音调调节部分略有不足
（5）整机信号试听效果：
① 话音扩音：声音清晰，音量大小也可以调节.

② Mp3音乐试听：各种音乐播放效果都相当不错，且实现了音量和音调的可调。

③ 混音功能：混音的效果很好，音乐播放时对着话筒讲话声音可以听见的同时又不会完全盖过音乐，两个信号大小调节较好，又很清晰。
④ 音调控制（提高）： 对于高音部分，调节时，可以清楚地听见声音变得更加尖锐，而对于低音部分，则效果不是特别明显，这从音调部分测得的数据也可知这是因为高频部分的增益调节范围明显大于低频区的调节范围。
（6）实验经过与体会
1、设计过程：
设计过程遇到的困难主要来自于音调和功放两部分，一开始想尝试自己设计电路，音调控制器本质就是低通滤波器和高通滤波器的结合，但无奈自己始终无法设计出来，只好通过上网搜寻才得到了相关的电路图。但是事先由于有经过自己的思考，这使得自己在理解该电路图时能事半功倍。
而对于功放电路，原本想采用教材提供的电路，但是该电路较为简单，应该很多细节没有充分到，如消振，以及对电路的保护等。故最终选择采用老师去年提供的功放电路图。
2、调试过程：
A、由于事先对于电路有了很好的规划，将整个面包板分成三层（可结合前面拍的实物图）：第一层为话放电路和混放电路；第二层为音调控制器;第三层为功放电路。整个布局应该说是相当合理的。这也使得自己一开始搭出电路后，mp3试听时基本没有噪音。
但由于当时没有话筒，只得等到第二天才能检测话放效果和混音效果
B、一开始把话筒接在输入端时，居然什么声音都听不到，包括mp3的音乐也听不到，但是原因始终找不到，原来话筒是坏的，这是在自己更换了话筒后才发现，但此时却发现有啸音，这可能是由于自己虽然布局合理，但是由于自己在布线上，长短不一，有的地方突起明显，存在分布电容，导致自激产生。于是乎，只得改变部分连线，使之更为合理，终于有所改善。但是仍存在明显的噪音。且mp3的音效也大不如前，经过分析可能是由于周围的示波器探头以及函数信号发生器的探头放在面包旁边形成了干扰，故将这些线全部移开，果然此时不论是mp3的音质还是话音扩音以及混音效果都十分明显。
3、体会：
此次实验是继上一个实验——信号分解、产生与合成的又一个综合性实验。它考察了我们对运放的使用，同时对于滤波电路也进行了考察，最重要的是对于三极管的使用，以及功率电路的考察。该实验又一次让我们体会到了模块化的思想的重要性，与之前的电路不同的是，此时音响放大电路对于布局和布线的要求更加严格，这也是为什么很多人一旦将话筒接上后便发生了自激，混音效果不明显。而对于我自己而言也是如此，由于电路是在周四晚上搭好的，且mp3试听效果也非常好,由于无话筒，故话音部分和混音部分无法验证，原以为周五下午自己能很快验收，可是话筒一旦接上后却发现什么也听不到，换了话筒后，发现噪音也十分明显，最后只能更改部分连线，以及清除面包板周围的一些无用的线，就是这简单的举动竟然使得最后呈现的效果十分明显。话放几乎和mp3几乎没有噪音，混音功能也十分明显，两种声音清晰可辨。纵观整个下午，自己并未对电路有任何变动，仅仅只是更改了部分连线。
故此时实验让自己对于合理布局和布线又有了更进一步的了解。