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1、山 东 大 学课程设计题目语音放大器的设计与制作信息科学与工程 院(系)电子信息工程 专业课程名称电子线路课程设计语音放大器的设计与制作语音放大器的设计与制作一一 设计任务设计任务设计一个语音放大器及音量显示装置,要求具有音调输出控制功能,并能够对话筒或放音机的输出信号进行扩音,并自制稳压电源。组成框图如下:二二 主要技术指标主要技术指标(1)功率放大器设计指标(A)额定功率po 5W(B)负载阻抗RL8;(C)频率响应fLfH 4010kHz的(D)音调控制特性 1kHz 处增益为 0dB,100Hz 处和 10kHz 处有12dB调节范围,AfL AfH 20dB;(E)话筒的输出电压为u
2、i15mV,放音机等其它信息源的输出电压为ui2100mV。(F)输入阻抗Ri 20k(2)音量显示装置要求分为六级显示,由五个发光二极管实现,五个管均不亮时输出电平最低,五个管全亮时输出电平最高。(3)稳压电源自行设计并制作稳压电源。三三 主要元器件及简介主要元器件及简介运放 LM324;功率放大器TDA2030,三端稳压器、二极管、喇叭(8/4W),音频输入接口、微音器、电阻、电容若干。1.1.运放运放 LM324LM324LM324 系列是低成本的四路运算放大器,具有真正的差分输入。在单电源应用中,它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0 V 或高
3、达 32 V 的电源电压,静态电流是MC1741 的五分之一左右(每个放大器)。共模输入范围包括负电源,因此在众多应用中无需外部偏置元器件。输出电压范围也包括负电源电压。主要特性:短路保护输出真正的差分输入级单电源供电:3.0 V 至 32 V(LM224、LM324、LM324A)低输入偏置电流:100 nA 最大值(LM324A)每个封装有 4 个放大器内部补偿共模范围扩展至负电源行业标准的引脚分配输入端的 ESD 钳位提高了可靠性,且不影响器件工作提供无铅封装使用 LM324 作为电路的放大器能够满足实验要求2.2.TDA2030TDA2030TDA2030 是德律风根生产的音频功放电路
4、,采用 V 型 5 脚单列直插式塑料封装结构。如图所示,按引脚的形状引可分为H 型和 V 型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备,具有体积小、输出功率大、谐波失真和交越失真小等特点。并设有短路和过热保护电路等,多用于高级收录机及高传真立体声扩音装置。意大利 SGS 公司、美国 RCA 公司、日本日立公司、NEC 公司等均有同类产品生产,虽然其内部电路略有差异,但引出脚位置及功能均相同,可以互换。电路特点:电路特点:1.外接元件非常少。2.输出功率大,Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度。4.开机冲击极小。5.内含各种保护电路,因此工作
5、安全可靠。主要保护电路有:短路、过热、地线偶然开路、电源极性反接(Vsmax=12V)、负载泄放电压反冲等。四四 电路的分析与设计电路的分析与设计本电路的最终功能是将驻机式话筒的信号或手机的音乐信号放大并通过喇叭播放出来前面已经介绍过 TDA 的最大输出功率可达 18W,本电路要求输出功率在 5W 左右(喇叭功率允许的情况下)。假设手机输出信号的有效值为100mV,驻机式话筒的输出信号有效值为5mV,要是输出信号为 5W,由=2max2(1)可得最大输出电压约为9V,考虑到 TDA 的特性,取电源为12V。下面考虑各级放大倍数。话筒输出输出信号为 5mV,为了能够与手机音乐信号共同使用同一个前
6、置放大器,应该将这个信号调整到音乐信号的同一数量级,所以微弱信号放大器的放大倍数为1=1005=20(2)在不考虑音调调节电路放大倍数的条件下,前置放大器和功放的放大倍数为:2 4=0.12=(3)在这里,不放取2=5.7,4=11。下面详细介绍各级电路的设计与仿真结果:91.1.微弱信号放大器微弱信号放大器微弱信号放大器的放大倍数为 20 倍,由于信号来自话筒,为了更好的获取信号,应该将放大器的输入阻抗设计的尽可能大,这里不放采用两级电路实现微弱信号的放大,第一级为跟随器,提供一个大的输入阻抗;第二级为一个20 倍的同相放大器,电路如下所示:VDDVDD-12V-12VXFG1XFG1112
7、1XSC1XSC1R4R41.0k1.0kC2C254Ext Trig+_U1AU1AU1BU1B7A+_+B_微音器信号311F F R2R24611LM324ADLM324ADVCCVCC12V12V1k1kR3R320k20k微弱信号放大器输出LM324ADLM324AD上图中,U1A 构成前置跟随器,C2 为级间耦合电容,用于滤除信号中的直流分量,第二级是一个放大倍数为R3/R2+1=21 的同相放大器,R2,R3 构成反馈回路,R4 为平衡电阻。当微音器是峰值 7mV 的正弦波是输入输出信号波形如下图所示:由波形图可得,放大倍数大约为20 倍,符合要求。2.2.前置信号放大器前置信号
8、放大器前置信号放大器用于放大手机输出音乐或微弱信号放大器输出的信号,前面分析已经得到放大倍数为 5.7 倍,电路图如下图所示:VCCVCCR8R81.0k1.0kC4C44512V12VU2BU2BC8C87输入11F FR6R610k10k611R9R91010F F10k10kKey=AKey=A90%90%VDDVDDLM324ADLM324ADR5R547k47k-12V-12V输出图中 C4,C8 为耦合电容,用于滤除信号中的直流分量,R5,R6 构成反馈回路,决定电路的放大倍数为 R5/R4+1=5.7;R8 为平衡电阻;R9 为音量调节电阻,通过调节电位器的抽头位置,可以改变输出
9、信号的大小。给该电路输入一个有效值为100mV 的正弦波时,信号波形如下所示:由图可得,放大倍数约为5.7 倍,符合设计要求。3.3.音调调节电路音调调节电路常用的音调控制电路有三种:第一种是衰减式RC 音调控制电路,这种电路的优点是调节范围较宽,但却容易产生失真;第二种是反馈型音调控制电路,这种电路的调节范围小一些,但失真也小;第三种是图示式频率均衡器,这种电路较为复杂,一般用在高档收录机和音响设计中。为了使电路简单且失真小,多数音调控制电路都采用第二种形式,即反馈型音调控制电路。其原理电路如图4.2.1 所示。它的增益为AuuoZ 2 4.2.1uiZ1图 4.2.1反馈型音调控制电路原理
10、图根据信号不同,图中的Z1、Z2的阻抗也各不相同,所以增益Au将随着信号频率的改变而改变。如果Z1、Z2所包含的 RC 元件不同,就可以组成四种不同形式的电路,如图 4.2.2 所示。图 4.2.2四种等效形式的反馈型音调控制电路图(a)所示电路中,电压增益的表达式为AuZ2R1,Z2 R214.2.2jC由式 4.2.2 知,若 C 的取值较大,则只在频率低时起作用,因为当信号频率在低频区时,f越低,则Z2越大,增益Au越高。所以可以得到低音提升低音提升。图(b)所示电路中,电压增益的表达式为AuZ2R1,Z2 R2/14.2.3jC由式 4.2.3 知,若 C 的取值较小,则只在频率高时起
11、作用,因为当信号频率在高频区时,f越高,则Z2越小,增益Au越低。所以得到了高音衰减高音衰减。图(c)所示电路中,电压增益的表达式为AuR21,Z1 R1/4.2.4jCZ1由式 4.2.4 知,若 C 的取值较小,则只在频率高时起作用,因为当信号频率在高频区时,f越高,则Z1越小,增益Au越大。所以得到了高音提升音提升。图(d)所示电路中,电压增益的表达式为AuR21,Z1 R14.2.5jCZ1由式 4.2.5 知,若 C 的取值较大,则只在频率低时起作用,因为当信号频率在低频区时,f越低,则Z1越大,增益Au越低。所以可以得到低音衰减低音衰减。若将上述四种电路综合起来,可以得到反馈型音调
12、控制电路如图4.2.3 所示。图 4.2.3反馈型音调控制电路设计方法根据要求,本设计的频率特性为高、低音提升,中音衰减,其特性曲线与图4.2.10 的上半部分类似。(1)在信号低频区(1)确定转折频率电路的带宽在fL和 4.2.18 可求得fH之间,已知fLx和fHx处的提升和衰减量,根据式 4.2.17fL2 26fLx,fL1fL210fH 1fHx,fH 2 10 fH 126确定Rw1和Rw2的值因为运放的输入阻抗很高,一般Rid 500k,所以Rw1和Rw2选用 100k的电位器。根据式 4.4.7 和 4.4.8 可以求得C1 C212fL1Rw1R1 R2 R3Rw1fL2fL
13、11根据式 4.4.13 可以求得取R41R3C312fH 2R4耦合电容的计算由于在低频时音调电路的输入阻抗近似为R1,所以要求耦合电容满足:C 3102fLR1需要说明的是,在高频、低频提升和衰减的幅频特性曲线(图4.4.10)中,fo为中音频频率,要求增益Auo 0dB;fL1为低音转折频率,一般为几十赫兹,fL210 fL1为中音转折频率;fH 1为中音转折频率,fH 2 10 fH 1为高音转折频率,一般为几十千赫兹。根据要求可以设计出如下图所示的电路:R18R1847k47k500k500kR21R21Key=AKey=AC6C6C7C7VDDVDD-12V-12V112190%9
14、0%R17R1747k47k0.010.01F FR19R190.010.01F F47k47kU4AU4A输入C9C9470pF470pFR16R1647k47k34LM324ADLM324AD输出R20R2010k10kVCCVCC12V12VR22R22500k500kKey=AKey=A50%50%该电路的波特图如下所示:基本符合要求。4 4 功放电路功放电路查阅 TDA2030 的手册可得到如下图所示的典型电路图:本设计采用双电源供电,根据前面的分析,功放具有11 倍的放大倍数,电路如下图所示:VCCVCCC3C3C13C13F F1001001N40011N4001R24R240.
15、10.1F F22k22kC14C141512V12VD1D1U5U54输入2222F F输入至喇叭R25R251123D2D2TDA2030TDA20301N40011N4001R27R275.1k5.1kC12C120.10.1F FC11C11VDDVDD100100F FR23R23C10C10 4704702222F FR26R2688C15C150.220.22F F-12V-12V图中 C14 为耦合电容,用于滤除直流分量,C3,C13,C11,C12 为电源退耦电容,防止功放自激;D1,D2 两个二极管是保护二极管,当电源接反是可防止功放被烧坏;R23,R27构成反馈回路,并决
16、定放大倍数为:5.1/0.47=11,;R25,C15 构成极点补偿电路;R26 代表阻抗为 8 欧姆的喇叭。给电路一个信号时,电路能将信号放大:由信号波形可以看出信号在幅值为9V 伏时没有出现失真,因此能够达到要求。5.5.音量显示电路音量显示电路音量显示电路的基本原理是先采集瞬时音量的大小,然后根据采集信号的大小控制led的状态,实现音量显示的功能,原理与 AD 转换器类似,参照并行比较 AD 转换器原理可以设计出以下电路:VCCVCC12V12VR41R414U8AU8A130k30kLED1LED132VDDVDD-12V-12V11213R32R3210k10k5114LM324AD
17、LM324ADU8BU8B7LED2LED2U6AU6AD3D31N41481N4148R29R2910k10k106114LM324ADLM324ADU8CU8C8功放输出的信号LM324ADLM324AD4C1C1R7R71010F F 1.0k1.0kLED3LED39VCCVCC12V12VR30R3010k10k1211LM324ADLM324ADU8DU8D144LED4LED413R31R3110k10k311LM324ADLM324ADU9AU9A14LED5LED52R28R2810k10k11LM324ADLM324ADVDDVDD-12V-12V图中运放 UA6 构成一个
18、跟随器,跟随器的输入电阻极大,从功放输出端采集信号时不会影响喇叭放音;D3,C1,R7 构成峰值保持电路;R28R32 分压,产生比较器的参考电压;U8,U9 构成比较器根据输入电压与参考电压的大小关系决定是否点亮led;led 直接与运放的输出端连接,由于 LM324 内部有输出限流电路,所以即使LED 两端电压较高,也不会被烧坏。6.6.电源电路电源电路本设计中使用正负 12V 的电源,输出功率不大于 5W,三端稳压器 L7812,L7912 的输出电流可达 1A,因此使用它们足以为电路供电。利用L7812 和 L7912 构成的正负 12V 双电源的典型电路如下图所示:由于稳压管本身有一
19、定压降,并留出一定裕量,采用220V/36V 的交流变压器变压;D1为整流桥,用来实现交流电的全波整流;C1,C2 为滤波电容;为防止由输入引线较长而带来的电感效应所产生的自激振荡以及减小波纹,在稳压芯片的输入端并联两个小电容(104);为进一步减小输出脉动和低频干扰,在稳压芯片的输出端并联一个较大的电解电容;为减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰,在稳压芯片的输出端并联一个较小的电容;当输入端意外短路时,给输出端电容一个放电通路,防止电容两端电压作用于芯片调整管的 be节,造成调整管 be 节击穿而损坏,可在稳压芯片的输出输入之间接一个二极管;D4,D5构成电源指示电路,电源工作时,LE
20、D 被点亮。7.7.整体电路图(不包含电源部分)整体电路图(不包含电源部分)VDDVDD-12V-12V11213U1AU1AC2C2R4R41.0k1.0k45VCCVCCR8R81.0k1.0kC4C475412V12VU1BU1BU2BU2BC8C8711F F R2R24611LM324ADLM324ADVCCVCC12V12V1k1kR3R320k20k11F FLM324ADLM324ADR6R610k10k611R9R91010F F1k1kKey=AKey=A90%90%VDDVDDLM324ADLM324ADR5R547k47k-12V-12VR18R1847k47k500k
21、500kR21R21Key=AKey=AC6C6C7C790%90%VCCVCCR17R1747k47kVDDVDD-12V-12V11C3C3C13C13F F10010012V12VD1D11N40011N40010.010.01F FR19R190.010.01F F47k47k2R24R240.10.1F F22k22kC14C1415U4AU4A1U5U542222F FC9C9470pF470pFR16R1647k47k2334LM324ADLM324ADR23R23VCCVCCD2D2TDA2030TDA20301N40011N4001R27R275.1k5.1kC12C120.
22、10.1F FC11C11VDDVDD100100F FR25R2511R20R2010k10k12V12VC10C10 4704702222F FR26R2688C15C150.220.22F FR22R22500k500kKey=AKey=A50%50%-12V-12VVCCVCC12V12VR41R414U8AU8A130k30kLED1LED132VDDVDD-12V-12V11213R32R3210k10k5114LM324ADLM324ADU8BU8B7LED2LED2U6AU6AD3D31N41481N4148R29R2910k10k106114LM324ADLM324ADU8C
23、U8C8LM324ADLM324AD4C1C1R7R71010F F 1.0k1.0kLED3LED39VCCVCC12V12VR30R3010k10k1211LM324ADLM324ADU8DU8D144LED4LED413R31R3110k10k311LM324ADLM324ADU9AU9A14LED5LED52R28R2810k10k11LM324ADLM324ADVDDVDD-12V-12V五、五、实验步骤实验步骤(测试结果分析,(测试结果分析,调试过程)调试过程)1 1电路设计步骤电路设计步骤(1)确定整体方案根据设计要求,确定各单元电路的方案,采用集成电路器件设计,根据公式计算电路
24、的元件参数。(2)系统总原理图各单元电路图和整体电路图(见上)。2 2安装焊接调试安装焊接调试按照电路原理图焊接电路板,一级一级地焊。焊接时应注意安全,同时要保证焊接的质量。最后引出五根导线(分别作为+12V、-12V、地线、喇叭的接口(喇叭为了方便友引出一根地线)。(1)前置放大器的组装与调试1.静态调试:调零和消除自激振荡。2.动态调试:测量电路的带宽、输入电阻等指标。(2)有源滤波器的组装与调试1.静态调试:调零和消除自激振荡。2.动态调试:测量电路的带宽、电压增益等指标。(3)功率放大电路的组装与调试静态调试:不接输入,观察输出有无振荡来进行静态调试。3 3系统联调系统联调(1)前置输
25、入对地短路,测量输出噪声电压。(2)输入频率为 1KHz 的正弦信号,改变 Ui 幅值,用示波器观察 Uo 的波形,记录输出最大不失真幅值及所对应 ui 的变化范围。(3)测量上限截止频率、下限截止频率和电压放大倍数等指标。4 4试听试听系统的联调与各项指标测试完毕之后,输入 mp3 音乐信号,用扬声器代替 RL,从扬声器中即可传出美妙的音乐声。接入麦克后,输出语音。从效果看,应该是音质清楚、无杂音、音量大,电路运行稳定为最佳设计。5 5实验中所遇到的问题及解决方案实验中所遇到的问题及解决方案 我们第一次遇到的问题是有关电路设计,我们首先在multism 中进行了仿真,但是不管怎么调试,输出的语音信号都会失真,通过查阅一些资料,我们加了一些小电路,改变一些电阻,电容大小,最终得到了很好的仿真结果。实验中我们遇到的最困难的是话筒的问题。在所有参数都调好后,我们的板子接入MP3 后会有很好的放大。根据使用的驻极体话筒,我们通过查找资料确定了话筒的直流偏置电路,但是接入后却完全没有反应。老师解释说灵敏度过小,可以去掉偏执电路的电阻或增大电路的增益。根据老师的建议我们再次修改了电路,把原来话筒并联的固定电阻换位了电位器,方便调节,同时我们也增大了电路的增益,但最后还是没有结果,这可以说是我们本次试验中最遗憾的地方。6 6最终实际电路最终实际电路六实验心得六实验心得
限制150内