音频放大.docx
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音频放大
实验报告
课程名称综合电子设计
实验项目驻极体话筒放大电路
实验环境实验室
学院光电学院
专业电子信息工程
班级/学号
学生姓名
实验日期20121121
成绩
指导教师
一．实验目的
（1）通过实验培养学生的市场素质、工艺素质、自主学习的能力、分析问题解决问题的能力以及团队精神。
（2）掌握分立或集成运放放大器的工作原理及其应用。
（3）通过实验总结回顾所学模拟电子技术基础理论和基础实验，掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。
（4）通过任选设计放大系统，进一步掌握高频电路知识和设计方法。
（5）了解语言识别知识。
（6）认识、区分各类器件并了解其功能以及使用过程中的注意事项。
二．知识点和设计内容
本实验的知识点为分立元件放大器或集成运放、有源滤波器、功率放大器；涉及电子电路各个模块之间的联合调试技术。
三．设计思路
1、语音放大器的基本构成
喂喂喂
根据要求，输出功率P=2W，电阻R=4Ω，由功率公式可得U=2.8V，对TDA2030
输入100mv电压时，可达到设计要求。
另外，由于语音通过话筒输入信号为5mv，放大后要求达到100mv，放大倍数需
在20倍以上，由电路设计要求得知，该放大器由三级组成，其总的电压增益
AUf=AUf1AUf2AUf3。
应根据放大器所需的总增益AU，来合理分配各级电压增益（AUf1.AUf3）。
为了提高信噪比S/N，前置放大器的增益要适当取大。
为了使输出波形不致产生饱和失
真，输出信号的幅值应小于电源电压。
2、性能指标
（1）集成直流稳压电源
①同时输出12V的电压
②输出纹波电压小于5mV
（2）前置放大器
①输入信号：
Uid.10mV
②输入阻抗：
Ri=100k.
③设定增益Auf1=30
（3）有源带通滤波器
①带通频率范围：
300Hz～3kHz
②增益：
Au=1
（4）功率放大器
①最大不失真输出功率：
Pmax>=2W
②负载阻抗：
RL=4Ω
③电源电压：
+12V，-12V
（5）输出功率连续可调
①直流输出电压：
.50mV（输出开路时）
②静态电源电流：
.100mA（输出短路时）
3、要求
（1）选取单元电路及元件
根据设计要求和已知条件，确定集成直流稳压电源、前置放大电路、有源
带通滤波器电路、功率放大电路的方案，计算和选取单元电路的元件参数。
（2）前置放大电路的组装与调试
测量前置放大电路的电压增益AUd、输入电阻Ri等各项技术指标，并与设
计要求值进行比较。
（3）有源带通滤波器的组装与调试
测量有源带通滤波电路的电压增益AUd、带宽BW，并与设计要求值进行比
较。
（4）功率放大电路的组装与调试
测量功率放大电路的最大不失真输出功率Po,max、电源供给功率PDC、输出
功率.、直流输出电压、静态电源电流等技术指标。
（5）整体电路的调试与试听
（6）应用Multisim软件对电路进行仿真。
分析一下内容：
前置放大器差模电压增益、共模电压增益、差模输入电阻、共模抑制比、
有源带通滤波器的幅频响应。
四．几种不同方案的比较
设计1
前级放大加带通滤波选用LM324,功放部分采用LM386.整体缺乏电源设计，可以考虑电池供电。
缺乏对各电阻电容的理论计算，只能算是一个思路的雏形。
如加以改进可以完成预期目标。
LM324芯片说明：
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
芯片俯视图
这个是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。
至于使用地方，那就是你需要比较器和运算放大器的所有地方你都可以用，只是当你所需要用到运算放大器的地方对运算放大器的性能要求很高的时候那你就得看看LM324是不是满足性能要求了！
LM386芯片说明：
LM386内部电路原理图如图所示。
与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。
第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输 出差分电路。
使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。
第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。
第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。
二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。
引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。
电路由单电源供电，故为OTL电路。
输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。
电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。
LM386的外形和引脚的排列如右图所示。
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10μF。
查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V（LM386N-4）；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。
优点：
电路简单，在焊接过程中可以节省时间，电池供电减少了变压的过程。
缺点：
只是利用课件中介绍的前置放大，带通滤波，功放各个部分。
进行简单的连接。
由于缺少必要的理论分析，各器件的数值不恰当，达不到预期效果。
设计2
本设计的音频功率放大器是一个多级放大系统。
因为音频功率放大器的输出功率要求POM=8W。
该设计简单易行，只基于NE555一个芯片来完成放大滤波整个流程。
比自己设计的电路更为简单，利于焊接。
NE555芯片说明：
NE555是一个能产生精确定时脉冲的搞稳度控制器，其输出驱动电路可以达到200mA。
在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲的占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其岩石时间由一个外接电阻和一外接电容确定，可延时数微秒到数小时。
工作电压范围：
4.5V≤VDD≤16V。
内部结构
NE555内部电路结构
NE555引脚接图
NE555内部结构
Pin1（接地）-地线（或共同接地）,通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC,下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
与分立元件完成设计的比较：
NE555构成一个的三角波震荡，并与音频信号对比，输出脉宽调制PWM的方波，然后经过LC桥式滤波，把高频部分过滤，音频部分传给扬声器。
其特点是效率非常高，可以达到85%.
不过用NE555做的音质就不要要求了。
如果用分立元件做D类功放，可以取得很好的效果。
我们知道D类放大器具有体积小、效率高的特点。
用NE555芯片制作的简易D类放大器。
它是利用555电路构成一个可控的多谐振荡器，音频信号输入到控制端得到调宽脉冲信号，基本能满足一般的听音要求。
由NE555和R1、R2、C1等组成可控多谐振荡器，占空比为50%，控制端5脚输入音频信号，3脚便得到脉宽与输入信号幅值成正比的脉冲信号，经L、C3接调、滤波后推动扬声器。
优点：
没有分立元件，电路简单明了，可以基本完成预期目标。
由于器件很少所以焊接过程中利于排版，方便焊接。
缺点：
由于没有分立元件所以实物的放大效果和音质效果不会太好。
设计3
该设计采取分立元件设计，由集成直流稳压电源供电，基于LM324完成前置放大和带通滤波，基于TDA2822完成功放。
通过我组的理论分析对各元器件和电路进行评估计算认为其可以完成40倍放大，且可以保证音质。
故选取此方案。
并在下文进行具体分析解释。
五实验原理
1、集成直流稳压电源
稳定的直流电源供电，小功率稳压电源一般是由电源变压器、整流、滤波和稳
压等四部分电路组成。
其基本电路框图及经各电路变换后，输出的波形如图所示。
图3.3.1直流稳压电源电路原理框图和波形变换
a）电源变压器
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需的低电压。
b）整流电路
整流电路一般采用具有单向导电性的二极管组成，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。
图所示的整流电路为应用广泛的桥式整流电路。
电路中采用了四个二极管，组成单相桥式整流电路。
整流过程中，四个二极管轮流导通，无论正半周或负半周，流过负载的电流方向是一致的，形成全波整流，将变压器输出的交流电压变成了脉动的直流电压。
c）滤波电路
在整流电路的输出端并联电容即可形成滤波电路。
加入电容滤波电路后，由于电容是储能元件，利用其冲放电特性，使输出波形平滑，减少脉动成分，以达到滤波的目的。
为了使滤波效果更好，可选用大容量的电容为滤波电容。
因为电容的放电时间常数越大，放电过程越慢，脉动成分越少，同时使得电压更高。
d）稳压电路
经过滤波后输出的直流电压仍然存在较大纹波，而且交流电网电压容许有±10%的起伏，随着电网电压的起伏，输出电压也会随之变动。
此外，经过滤波后输出的直流电压也与负载的大小有关，当负载加重时，由于输出电流能力有限，使得输出的直流电压下降。
因此，当需要稳定的直流电源时，在整流、滤波电路后通常需要配有稳压电路。
在此我们选用7812和7912分别作为+12V和-12V的稳压芯片。
整流二极管IN4007。
滤波电容选取两只4700uF/50V的电解电容作为滤波电容。
2、前置放大电路
前置放大电路也为测量用小信号放大电路。
在测量用的放大电路中，一般用传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输，在典型情况下，有用信号的最大幅度可能仅有若干豪伏，而共模噪声可能高到几伏，故放大器输入飘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。
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，经放大后多用单端方式传输。
典型情况下，音频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。
所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度致关重要，放大器本身的共模抑制比特性也相当重要。
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。
我们采用的是同相比例电路的方式作为前置放大电路。
输入信号模拟音频Uid=5mV.10mV满足对指标的设计要求；输入电阻Ri..即满足高输入电阻的要求，跟性能指标中Ri=100K.的设计思路吻合；前置放大电路的电路增益Auf1=1+R11/R1满足对指标的设计要求。
3、有源带通滤波器
有源滤波电路使用有源器件与RC网络组成的滤波电路。
有缘滤波电路的种类很多，如按通道的性能划分，又分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波器。
在本次的设计过程中采用宽带带通滤波器。
高通滤波器：
fH=300Hz=1/（2pi*R*C）
C16=C17=C=10nF，算得R18=53KΩ
低通滤波器：
fL=3KHz=1/（2pi*R*C），算得R15=5.3KΩ
为满足设计要求，R15和R18分别用100kΩ和10kΩ电位器来进行微调。
4、功率放大器
功率放大的主要作用是向负荷提供功率，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。
功率放大器的形式很多,有OCL互补对称功率放大电路，OTL功率放大电路，BTL桥式推挽功率放大电路和变压器耦合功率放大电路等。
这些电路各有优点，可以根据设计要求和设备条件综合考虑选用。
本次在语音放大器的设计中我们选用了五端功放TDA2030应用的电路。
TDA2030是一款hi-fi级的宽频功率放大器，很多有源音箱都是以它作基础的。
它在双电源下的最大输出功率能到18w，而我们这里只采用但电源供电，理论上能达到9w。
六实验步骤
1、电路焊接
先进行直流稳压电路的焊接与调试，待直流稳压电路调试稳定后，才进行语音放大器的焊接，焊接从左到右，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。
2、直流稳压电源的调试
调零和消除自激振荡，测量纹波电压，调试。
测量值：
U+=11.96V，U-=-12.25V纹波电压：
正端6mV，负端1V调试，改变滤波电容参数，减小纹波电压。
3、前置放大器的调试
（1）静态调试：
调零和消除自激振荡。
（2）动态调试：
（3）输出电压的测量以及输出波形的观测；
（4）输入端加差模输入电压（输入正弦信号、幅值与频率自选），测量输出电压，
算出共模抑制比KCMR。
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。
测量差模输入电阻测量值
Auf1=Uo1/Ui=30.24与理论值吻合。
4、有源带通滤波器的调试
（1）静态调试：
调零和消除自激振荡。
（2）动态调试：
①输出电压的测量以及输出波形的观测；
②测量幅频特性，作出幅频特性曲线，求出带通滤波器电路的带宽BW；
③在通带范围内，输入端加差模输入电压（输入正弦信号、幅值与频率自选），
测量输出电压，算出通带电压增益Auf2。
5、功率放大器的调试
（1）静态调试：
输入端对地短路，观察输出端有无振荡，如有振荡，采取措施以消
除振荡。
（2）动态调试：
测量最大输出功率
输入f=1KHz的正弦输入信号，并逐渐加大输入电压的幅值直至输出电压Uo的波形出现临界削波时，测量此时RL两端输出电压的最大值或有效值。
Up-p=12v，Up=6v，RL=4Ω，Po,max=Up^2/RL=9w；
有效值：
Uo=6*/2=4.24v
功率有效值：
Po=Uo^2/RL=4.4944w
6、系统联调
经过以上对各级放大电路的局部调试之后，可以逐步扩大到整个系统的联调。
联调时：
（1）令输入信号Ui=0（前置级输入对地短路），测量输出的直流输出电压。
（2）输入f=1kHz的正弦信号，改变ui幅值，用示波器观察输出电压uo波形的变化情况，记录输出电压Uo最大不失真幅度所对应的输入电压ui的变化范围。
（3）输入ui为一定值的正弦信号（在Uo不失真范围内取值），改变输入信号的频率，观察Uo的幅值变化情况，记录Uo下降到0.707Uo之内的频率变化范围。
（4）计算总的电压放大倍数。
7、试听
系统的联调与各项性能指标测试完毕之后，面对话筒说话，从扬声器即可传出说话声或收音机里播出的美妙音乐声，从视听效果来看，该电路音质清楚，无杂音，音量大，电路运行稳定为最佳设计。
8、实物图
9、波形图
七数据测量
电源部分
电源
最大值
最小值
VCC
17.79V
1.25V
VEE
-17.09
-1.27V
测试点部分
测试点
频率
峰峰值
A
1.005khz
80mv
B
1.005khz
792mv（B->D,B初始B点为80mv）
D
1.005khz
280mv
D
1.513khz
266mv
1.832hz
254mv
2.332hz
234mv
2.802khz
220mv
3.014khz
210mv
3.407khz（上限截止频率）
197mv
502hz
268mv
381.9hz
252mv
342.3hz
240mv
293.2hz
230mv
233.3hz
208mv
213hz（下限截止频率）
198mv
频率部分
负载
峰峰值
频率
8Ώ
10V
1.54W
/2*8=1.54w
分析：
由上表可以看出输入频率相同（1KHZ）时A点输出为25mv而此时B点的输出则为450mv大约为A点的20倍。
说明信号被放大了20倍。
此时C点的输出为840mv大约是B点的2倍，说明信号又被放大了2倍。
整体下来输入信号被放大了大约40倍，达到了预期目标。
由表可知恒定的输出为1.62v，1.62*0.707=1.2所以上下俩个拐点分别为320HZ和3.6khz。
又知信号频带为300hz到3khz之间，所以3.6khz过大。
这是因为带通滤波器中的高通滤波器出了问题。
高通滤波器即通高频阻低频，它允许通过信号的频率过高，超出了3k，才出现了上述情况。
如图为高通滤波器部分，只需调试R12、R14、C13的值即可避免上述情况的发生。
八实验中的问题提出与解决方法
问题1：
前级放大器焊接完成后再示波器中没有信号输出。
分析：
电路中可能有虚焊短接的情况。
解决：
用万用表仔细检查电路，逐个焊点进行测试，找出虚焊点并将其旱牢。
问题2：
下限截频过低。
分析：
高通滤波器中电流过大。
解决：
调节滑动变阻器。
问题3：
LM324滤波电路后没有输出波形
分析：
芯片管脚没接出去，电路中有短路；
解决：
电路焊接过程出现错误，补焊没有焊接的管脚，找到他，解决它。
问题4：
功率放大管TDA2822不能正常工作
分析：
可能是电路接错，或是芯片问题
解决：
查找电路问题未果，更换芯片，一切正常
经验教训：
在焊接这种封装的芯片是，一定要控制管脚温度对芯片的影响，尽量缩短烙铁与管脚接触的时间。
问题5：
通电后LED灯不亮。
解决：
检验电路是否为通路，检查LED灯正负极是否接反。
问题6：
电路没有问题的情况下有器件过热烧毁现象。
解决：
可能是器件间间距过近，甚至相接触，使器件表皮损坏发生短接。
适当拉开器件间距。
问题7：
整个电路工作不久芯片会发烫甚至烧毁
解决：
负载之后芯片发热很正常，由于没有散热装置所以发热正常。
所以应控制其工作时间。
九实验体会
这次综合电子设计对我们来说并不轻松，因为以前从没有自己设计过电路。
从设计到布线焊接到调试到检测，历时一周多。
期间也出现过不少的问题，但我们在苏老师的细心指导下，我组顺利完成设计。
虽然我在之前有过一次电子电工实习（做机器猫和收音机），但是没有自己的设计过程，用的都是现成的零件照着流程图焊接就可以了。
所以这次综合电子设计可以说是我们第一次真正意义上的自主完成。
在设计中焊接对我们来讲是一个考验。
因为焊接经验的不足和为了板子美观的需要，在焊接之前我想了很长时间如何去排版布线尽量少的飞线，也正是因为在排版布线上花了比较多的时间，我在焊接的时候省去了很多的麻烦，同时我也认为我们组的板子在众多组中比较美观的。
在焊接完成后，我们进入了仿真调试的过程，在仿真调试的过程中我们是出了一些问题的，刚开始VEE没有读数，但在我们悉心的检查下发现有两个管脚没有连上。
在解决了这个问题之后我们之后的调试非常的顺利，都是一次成功，看着试验出的正确数据和波形我们非常的兴奋和欣慰，因为我们觉得这一星期时间的辛苦努力没有白费。
经历了这次综合电子设计我有以下经验体会：
1、焊接前一定要把器件清单列清楚，并根据清单找清器件，以免在要用的时候找不到。
2、拿到板子后一定要认真思考如何排版布线，切不可一边焊一般布局，而且要控制好器件之间的间距，例如TDA2822芯片不能离C点太远，以免引起自激震荡。
3、在焊接的时候最好完成一个部分的焊接就检验调试一部分，保证每完成一部分能够正常工作，如果都等到最后再检查错误就太麻烦了也不容易找出错误，因为器件太多焊点太多纠起错来自然麻烦。
4、焊接过程中应避免烙铁与器件的接触，以免器件不会因过热而损坏。
而且在发现问题并检查电路无果的情况下，切不可冲动就改变电路，应先确保自己的器件是正常的，尤其是芯片。
5、在焊接的过程中要有耐心，焊板子确实是一件乏味的事，盯着那么多焊点焊好久能才出一块板子，一检测，没有预期效果，确实很打击人。
但一定要静下心来，仔细检查电路，不能轻易放弃。
6、在检查分析电路时一定要回归课本，电路分析、模电都是很好的参考。
十市场前景分析
功能介绍：
本作品是由集成运算放大器组成的语音发大电路。
接在收音机的耳机接口，从语音放大器的扬声器便可播出美妙的音乐声，音质清楚，无杂音、音量大，电路运行稳定。
若制作一个由功率放大器、听筒放大器、线路放大器、话筒放大器、发送/接收衰减器、电平监测器、噪声检测电路（背景噪声监测器）来构成的语音开关。
当对讲通话设备的扬声器和话筒的距离较近时，因扬声器发出的声音会被话筒再次吸收（声学耦合），故会发生蜂鸣、回声等现象。
为解决此问题，可根据输入信号的强弱判断应优先接收哪种声音，并放大发送音声的音量、降低接收声音的音量，来抑制声学耦合，防止蜂鸣出现。
同时还可通过噪声检测电路检测并降低其周围的噪声，使通话更加清晰。
此类作品可用于可视门铃/对讲机，热水器遥控，会议系统或无线及其等。
十一附录
1、元器件符号
2.清单
名称
参数
9
电阻
10k
1
240
1
120
1
2k
1
5.1
1
51k
1
100k
2
4.7k
2
4.7
1
20k
1
电位器
10K
1
20K
1
2K
1
电容
0.1u
4
0.01u
4
电解电容
10u
2
1u
3
100u
3
4700u
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