变调音频放大器方波三角波发生器.docx

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变调音频放大器方波三角波发生器

课程设计报告

课程名称：

电子技术课程设计

设计题目：

变调音频放大器，方波、三角波发生器

系别：

电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

变调音频功率放大器设计

一、设计任务及要求

1、任务：

设计一个可以改变输入音频音调的音频放大电路。

2、实验要求：

本实验要求实现从语音输入、放大、变调到功率放大并通过喇叭进行输出的具有完整功能的电路设计和实现。

话筒采用驻极体话筒，喇叭采用8Ω纸杯喇叭，其他电路根据具体设计确定。

要求，电路简洁，输出音量较大，噪音小，变调明显且可调。

另外，电源可采用实验箱提供的直流电源，无需另行设计。

二、设计方案分析

根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由如图所示框图实现。

下面主要介绍各部分电路的特点及要求。

图1音频功率放大器组成框图

前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声要小。

音调控制主要是实现对输入信号高、低音的提升和衰减，功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、失真尽可能小，输出功率大，设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计。

如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。

对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。

因为喇叭要求的最大功率为0.5w,所以最后输出的最大电压为：

。

1、前置放大电路：

前置级放大器电路图

如图所示：

运算放大器uA741、Rp1、R2、R3和C2为电路的驱动级，目的在于提高电路的电压放大倍数。

Rp1+R3为反馈电阻，R2交流接地（C2的作用）。

显然，驱动级是一个同相输入交流反馈的电压放大器。

在Uin=0时，由于反相段经R2和C2交流接地，Uc=0，Uo（交流零点）一定为零。

为保证功率放大器的输出功率，驱动级应保证足够的电压放大倍数。

前置放大电路的电压增益为:

一般情况下，R1的

值应远大于电位器的值，这里选择R1=47K。

前置级放大电路的仿真结果如下：

由图可知：

幅度大的波为输出电压的波形，幅度小的波为输入电压的波形，当输入电压为：

Vi=5.506mv时，输出电压为：

Vi=193.568mv，显然前置级放大器电路起到了电压放大的作用，有仿真数据可以计算出放大倍数约为35倍。

这与理论算出的电压放大倍数相接近，因此该级放大电路设置合理。

前置放大电路中所用的运算放大器uA741的有关参数如下：

#运算放大器属于使用反馈电路进行运算的高放大倍率型放大器，其放大倍率完全由外界组件所控制，透过外接电路或电阻的搭配，即可决定增益（即放大倍率）大小。

通常放大器的理想增益为无穷大，实际使用时亦往往相当高（可放大至105或106倍），故差动输入跟增益后输出比较起来几乎等于零。

#741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。

放大器工作时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。

741运算放大器的外型与接脚配置分别如图所示。

UA741

#uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：

1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源，8空脚。

2、音调控制电路：

音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。

此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。

在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。

一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。

音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。

负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。

下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。

音调控制电路具有音调控制功能：

低音100HZ处有正负12dB的调节范围，高音10KHZ处有正负12dB的调节范围。

由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如下图所示：

其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C5是音频信号输入耦合电容，电容C3、C4是低音提升和衰减电容，一般选择C3=C4，电容C6起到高音提升和衰减作用，要求C6的值远远小于C3。

电路中各元件一般要满足的关系为：

Rp1=Rp2，R4=R5=R6，C3=C4，Rp1=9R4。

其中uA741的用法如上所述。

音调控制电路

计算低音调节转折频率和高音调节转折频率。

根据Rp1=Rp2=9R4的条件，该音调控制电路的最大提升和衰减量为：

。

音调控制电路的幅频响应波特图

根据图可知，

为转折频率，且幅频特性是按正负

6dB/倍频程的斜率变化的。

已知要求在低音100Hz处的提升或衰减±12dB，所以低音调节转折频率：

（Hz），

（Hz）。

同理，根据高音10kHz处的提升或衰减±12dB，可得高音调节转折频率：

（kHz），

（kHz）。

（1）音调调节电位器选择

因为uA741集成运算放大器的输入阻抗很高，电位器RP1、RP2的阻值可适当高一些。

现选RP1=RP2=200kΩ。

（2）低、高音调整电容及电阻的选择

（μF），可采用两个0.01μF电容并联。

电阻

（kΩ），选标称值22kΩ。

当f=fH2=25.2kHz时，高音提升20dB。

（kΩ），取标称值7.5kΩ。

（pF），取标称值C6=1000pF。

音调控制电路的仿真结果如下：

当用函数信号发生器给该级电路直接输入频率为10kHz的方波时，其虑波效果明显，显然达到了滤波的目的。

3、功率放大器电路

功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。

功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。

目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。

有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。

由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。

采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组装、调试方便，成本低廉，所以本设计选用集成功放实现。

目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取SGS公司生产的TDA2030/2030A集成功放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单，可以作OTL使用，也可作OCL使用。

TDA2030/2030A的外引线如下图所示。

1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4脚为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。

电路特点是引脚和外接元件少。

其主要特点为：

电源电压范围为6V~18V，静态电流小于60μA，频响为10Hz~140kHz，谐波失真小于0.5，在VCC=±14V，RL=4Ω时，输出功率为14W。

在8Ω负载上的输出功率为9W。

TDA2030管脚图

由集成功率放大器组成的功放电路如下图：

TDA2030组成的OCL功率放大器电路

TDA2030/2030A构成的OCL功率放大器电路如图所示。

该电路由TDA2030组成的负反馈电路，其交流电压放大倍数

（倍），满足设计要求。

R11、C9组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。

电容C7是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。

为了达到一定的仿真效果，这里用电阻R16暂时代替喇叭，其阻值与喇叭的阻值相同，电位器RP是音量调节电位器。

功率放大电路的仿真结果

由图可知A通道为输入电压的大小，对应的波为幅度小的正弦波，B通道为输出电压的大小，对应的波为幅度大的正弦波，放大倍数约为8倍，与理论值存在一定的差异，不过起到了一定的电压放大作用，能够满足设计要求。

综上所述为电路的前置放大电路，音调控制电路，功率放大电路，下面为整体的电路图：

变调音频功率放大器总体电路图

总体电路图的仿真结果如下：

当输入频率为1KHz正弦波时，输入电压为Ui=5.698mv时，输出电压大小为Uo=1.458v,显然电压放大了，放大倍数约为256倍，功率为449.540mW。

当输入频率为10KHz的方波时，其仿真结果如下：

方波、三角波发生器设计

1、设计任务及要求

1、设计一个可以改变输出频率的方波、三角波产生电路。

2、任务：

本实验要求设计实现方波、三角波波形的产生电路，其频率可以调整，可通过数字输入量选择输出波形的类型，可通过数字输入量选择输出频率进行2倍频、4倍频等，可显示倍频系数。

波形产生可使用555定时器，也可使用集成运算放大器或比较器，显示电路使用八段LED数码管（带74LS48译码器），其他电路根据具体设计确定。

要求，电路简洁，输出波形稳定，噪声小，显示倍频系数即可。

另外，电源可采用实验箱提供的直流电源，无需另行设计。

二、设计方案分析

根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由如下图所示框图实现。

下面主要介绍各部分电路的特点及要求。

本实验的方波产生电路采用555定时器，倍频电路用74LS161计数器，三角波形变换电路用RC积分电路，显示控制电路使用八段LED数码管（带74LS48译码器），输出选择电路用CD4052实现。

1、方波产生电路：

555定时器组成的多谐振荡器

用555定时器组成的多谐振荡器如图所示。

接通电源后，电容C2被充电，当电容C1上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C1通过R2、Rp放电，Vc下降。

当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。

电容器C2放电所需的时间为tpL=（R2+Rp）C1ln2。

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2、Rp向电容器C1充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为

tpH=（R1+R2+Rp）C1ln2=0.7（R1+R2+Rp）C1

当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

电路的工作波形如下图所示，其振荡频率为：

f=1/（tpL+tpH）=1.43/（R1+2R2+2Rp）C1

当Rp=100千欧时，频率f为最小，f=66.79Hz，当Rp=0时，频率f为最大，f=1014.18Hz。

由555定时器组成的多谐振荡器工作波形

2、显示控制电路：

显示控制电路

如图所示：

74LS161D为计数器，其输出端QA，QB，QC，QD的方波分别进行了二分频，四分频，八分频，十六分频。

74LS48D为译码驱动器，它驱动LED显示器发光，输出不同的数字。

3、输出选择电路：

如下图所示。

其中74LS153D为多路模拟选择开关，通过A、B输入端高低电平的控制，使输出端得到不同的波形。

其中R1，C1组成积分电路，使输出的方波波