直流稳压电源和语音放大器综述.docx

直流稳压电源和语音放大器综述.docx

《直流稳压电源和语音放大器综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流稳压电源和语音放大器综述.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

直流稳压电源和语音放大器综述

模拟电子技术实验设计报告

课题名称：

学院：

班级：

组员：

直流稳压电源和语音放大器电路设计

1直流稳压电源

1.1实验目的

（1）设计一个双路直流稳压电源

（2）输出电压UO=±12V，最大输出电流IOMAX=1A

（3）输出纹波电压UOP-P≤5mV，稳压系数SV≤510-3

（4）加输出限流保护电路。

最大输出电流不超过1A

（5）对所设计的电路进行计算机仿真

（6）此电源作为后面语音放大器电路的工作电源使用。

1.2设计方案

本实验所需设计的电路主要由两部分组成，即直流稳压电源电路和语音放大电路。

下文所述主要以此两部分电路为主，分别对其进行设计与调试。

直流稳压电源电路的作用是为后续电路提供直流偏置，为LM324、TDA2030等芯片提供±12V稳定电压。

此电路主要由变压、整流、滤波、稳压四部分电路组成。

变压电路由一个降压变压器构成，将220V市电降低到所需的低电压值。

整流电路一般由四个二极管首尾相连构成单相桥式整流电路，本设计实验中使用一个整流桥来代替。

滤波电路由一个并联在整流电路与稳压电路之间的大电容构成。

稳压电路主要由稳压芯片78XX、79XX和外围电容构成，由此输出的电压即为所需的稳定正负电压。

本实验设计建立在理论基础之上，首先对设计原理图进行计算机仿真，在保证仿真结果与实验所需结果基本吻合的情况下，购买元器件进行实际电路设计，并使用示波器等测试仪器对电路进行检测与调试，以保证其正常工作。

1.3设计原理

线性稳压源电路设计以变压、整流、滤波、稳压四部分电路分别进行理论设计与电路仿真。

根据稳压电源的输出电压UO，输出电压Ui，输出纹波电压△UO，，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，然后合理地选择这些器件．

原理图如下：

1）降压部分：

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要的交流电压Ui。

虽然理论分析要求理想状态下负载变化时输出电压基本不变，电网电压变化输出电压基本不变。

但是，实际分析电源电路时要特别考虑的两个问题，第一，允许电网电压波动±10％，第二，负载有一定的变化范围。

2）整流电路：

降压后的交流电压u2通过整流电路整流变成单向脉动直流电压．直流脉动电压经过滤波电路变成平滑的、脉动小的直流电压，即滤除交流成分，保留直流成分。

整流电路采用的是桥式整流器，虽然桥式整流器需要4只整流二极管，但是整流效率比较高，脉动成分比较少，因此得到了广泛的应用。

3）滤波电路：

桥式整流后在负载RL上得到的是脉动直流电压，但是纹波仍然较大，还必须经过平滑滤波后才能实际应用。

为减小电压的脉动，通过电容滤波电路进行滤波，输出平滑的直流电压,滤波电路一般由电容组成。

由于电容的充放电作用，当电容容量足够大时，充入的电荷多，放掉的电荷少。

4）稳压电路：

由于输入电压u1发生波动，负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压Ui也会随之变化．为了维持输出电压Ui稳定不变，需加一级稳压电路．稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响而维持稳定的输出。

稳压电路组合使用两个正负输出的固定式集成稳压器以获得我们所需的正、负电压。

在稳压电路后还需进行滤波处理，用于克服稳压电路在深度负反馈工作下可能产生的自激振荡或，进一步减小输出电压中的纹波分量。

1.4具体实验原理仿真图：

电路参数设计如下：

（1）确定稳压电路的最低输入直流电压：

带入指标，得

确定电源变压器副边电压，电流及功率为：

取Ii为1.1A,

所以我们选择副端电压为15V，功率为30W的变压器。

（2）选择整流二极管和滤波电容，相对于二极管的整流效果，利用桥式整流器更容易实现，且方便，整流效果更好。

而滤波电容，由公式可得，

得电容选择为2200uF的电解电容。

（3）稳压器的选择：

本实验中选择固定式三端集成稳压器，L7812和L7912，该系列稳压块有过流，过热和调整管工作安全区保护，以防过载而损坏。

一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。

1.5实验内容：

仿真调试：

1）通过变压器后的波形，及幅值。

通过图形可以看出，降压后峰峰值为15.5V左右，符合要求。

2）通过桥式整流器

整波后波形如黄线，基本符合要求。

3）通过滤波电容，稳压器后：

此时已经是直流电压了，达到了实验目的，U1=12.028V,U2=-11.995V，达到了实验的基本要求。

正端纹波电压负端纹波电压

这也达到了我们的设计要求。

电路焊接与调试：

在实际电路焊接中，我们根据原理图连接电路，同时还特别注意了焊接的方法，防止虚焊和短接，并且特别注意桥式整流器和L7812，L7912的连接顺序。

在调试中，首先用示波器直流档分别测了正电压为12.03V，负电压为-11.96V，基本符合要求，测量纹波时，用毫伏表测量正，负的纹波电压，正端为0.3mF，负端为4mF，但在接入1K负载测量电压时，负端电压纹波显著增大，通过分析可知，此时电源的带负载能力不强，由于我们的滤波电容选取过小，所以在稳压管后，正，负端分别并联了220uF的电容，此时达到了预期的效果。

1.6主要参考元器件

220V转双15V变压器，整流桥堆KBP206、三端集成稳压器（LM7812、LM7912），电容电阻

由于要求为输出±12V电压，本设计方案中所使用的三端稳压器为LM7812CT、LM7912CT，其外形与引脚如图所示。

LM7812CT、LM7912CT外形与引脚图

LM7812CT、LM7912CT的输出电压是±12V稳压电压。

由其构成的稳压电路设计图如图所示，电路中电容C5、C6作用是抵消长线电感效应，消除自激振荡，一般取C=0.33μF；C3、C4作用是消除高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取C=0.1μF。

正常工作时输入输出电压差至少要大于3V，即由输出电压uout为正负12V推算得输入电压uin至少为15V。

本设计方案使用整流桥堆KBP206进行整流。

整流桥堆KBP206的外侧两个管脚分别标有（+）、（-）标记，表示正负电压输出；内测两个管脚标有（~），表示交流电压输入。

KBP206芯片

2语音放大电路设计

2.1实验目的

1.掌握分立或集成运算放大器的工作原理及其应用；

2.掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法；

3.了解语音识别知识；

4.进一步培养工艺素质和提高基本技能。

2.2实验原理

语音放大电路由“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”构成。

电路结构如图所示，并且可以采用前几个实验的设计结果，通过适当的参数调整来实现本实验的要求。

电路指标如下：

扬声器

有源滤波器

功率放大器

前置放大器

输入信号

→→→→

1.前级放大电路

（1）输入信号Uid≦10mＶ；

（2）输入阻抗Ri=∞。

2.有源带通滤波器

（1）通带增益：

Av=1；

（2）通带频率范围300Hz～3KHz。

3．功率放大器

（1）负载阻抗RL＝8Ω；

（2）电源电压＋12V，－12V（直流稳压电源）。

2.3设计原理

（1）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，经放大以后多用单端形式输出，在典型情况下，有用信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，而共模噪声高达几伏，所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，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、低漂移的小信号电路。

（2）有源滤波电路

有源滤波电路是由有源器件与RC网络组成的滤波电路，按通带的性能可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。

用低通滤波器和高通滤波器串接起来也可以组成带通滤波器。

（3）功率放大器

功率放大器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。

（5）在实验中，运放U1选择LM324芯片进行前置放大。

LM324N是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

LM324N的产品特性有：

（1）内部频率补偿；

（2）直流电压增益高（约100dB）；

（3）单位增益频带宽（约1MHz）；

（4）电源电压范围宽：

单电压（3-30V），双电压（±1.5-±15V）；

（5）低功耗电流，适合于电池供电；

（6）低输入偏流；

（7）低输入失调电压和失调电流；

（8）共模输入电压范围宽，包括接地；

（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。

2.4电路设计

如图3-1所示，语音放大器电路主要分为话筒输入电路、前级放大电路、带通滤波电路、功率放大电路、喇叭输出电路这五部分组成。

下述设计方案主要围绕这五部分电路进行单独设计与整体设计。

语音放大器电路的总体设计原理图如图所示。

语音放大器电路

（1）驻极体话筒语音输入电路

驻极体话筒语音输入电路的作用是将人说话时的声音信号转换为电信号以后输入到电路中。

驻极体话筒如图所示。

驻极体话筒

驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。

它属于最常用的电容话筒。

由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。

驻极体话筒在使用前需要对其极性、灵敏度等一系列参数进行简单的检测。

①极性的判别：

将万用表拨至R×1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。

再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。

②灵敏度检测：

将万用表拨至R×1kΩ档，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。

吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。

若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。

检测出其极性后便可选择合适的偏置电路进行设计。

本方案所使用的设计原理图如图所示。

驻极体话筒语音输入电路

（2）前置放大电路

声音从语音输入电路输入，转化后输出的电信号输入至前置放大电路。

前置放大电路的作用是将输入的电信号中的小幅度有用信号进行放大，同时对共模噪声有一个良好的抑制。

因此，前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号电路。

本方案中在具体选用放大电路时，为提高放大倍数，故使用两级集成放大。

其中第一级使用同相放大器，其具有输入电阻高、输出电阻低的特点，故选作输入级，但需要选用高共模抑制比的集成运放。

第二级使用反相放大器，其输出电阻为零，故作为输出级。

本方案中的前置放大电路原理图如图所示。

前置放大电路（已供电±12V，未标示）

此两级集成运算放大电路的增益可由两个电位器R7、R10来根据实际情况进行调节。

输入电压uin与输出电压uout之间的关系为

（3-1）

其中R6=R8=1kΩ，R7、R10为10kΩ电位器。

此放大电路的输入电阻为无穷大，输出电阻为零，选用高共模抑制比的集成运放，即可满足设计要求。

（3）二阶有源带通滤波器

带通滤波器电路的作用是滤除频率范围在300Hz~3kHz之外的高频和低频噪声，而仅保留300Hz~3kHz之间的语音信号。

本方案中所设计的带通滤波器是由一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器串接组成。

电路原理图如图所示。

二阶有源带通滤波器

此二阶带通滤波器的设计指标为：

fp1=300Hz,fp2=3kHz,AUP=1。

由带通滤波器的构成方式可得，其中的低通滤波器和高通滤波器分别需满足：

fLP=3kHz,fHP=300Hz。

具体设计方案如下：

①二阶有源低通滤波器的设计

基本电路图如图所示。

其设计指标为：

通带截频fLP=3kHz，通带放大倍数AUP=1。

二阶有源低通滤波器

此滤波器为压控电压源二阶有源低通滤波器，输入信号uin经过两个RC环节的滤波后通过一个电压跟随器输出信号uout。

设计时使R1=R2=R，C1=C2=C。

实际使用元器件进行设计时，由于可供选择的电阻与电容标称值的限制，RC无法与理论值相等，故选用较为近似的两个0.33μF电容和两个100Ω电阻。

此时与理论值之间的误差很小，因此满足设计要求。

计算机仿真结果如图所示

低通滤波器频率特性

由波特仪所示的频谱图可以看出，当f=3.01kHz时增益为-2.856dB，在误差范围内能够满足设计要求。

②二阶有源高通滤波器的设计

基本电路图如图3-10所示。

其设计指标为：

通带截频fHP=300Hz，通带放大倍数AUP=1。

二阶有源高通滤波器

此滤波器为压控电压源二阶有源高通滤波器，输入信号uin经过两个RC环节的滤波后通过一个电压跟随器输出信号uout。

设计时使R3=R4=R，C3=C4=C。

所以，当滤波器中的电阻R与电容C之间满足上式关系时，此滤波器就能够满足fHP=300Hz时的指标要求。

实际使用元器件进行设计时，由于可供选择的电阻与电容标称值的限制，RC无法与理论值相等，故选用较为近似的两个0.82μF电容和两个1kΩ电阻。

同时由于0.82μF的电容难以找到，所以在相应的电路中使用的是对应成比例的两个0.082μF的电容和10两个1kΩ电阻。

此时与理论值之间的误差很小，因此满足设计要求。

计算机仿真结果如图所示

低通滤波器频率特性

由波特仪所示的频谱图可以看出，当f=302.087Hz时增益为-3.006dB，在误差范围内能够满足设计要求。

③两级滤波器级联

将两级滤波器串接后构成一个带通滤波器。

由波特仪可得其频率特性如图所示。

带通滤波器频率特性

由图3-12所示频率特性图中可得，当频率为f=301.444Hz时通带增益为-3.054dB，当频率为f=3.06kHz时通带增益为-2.975dB。

在误差范围内满足设计要求。

语音信号经过话筒转化为电信号，然后由前置放大电路对有用信号的幅度进行放大，再送至带通滤波器，滤除有用信号以外的高、低频噪声后，输出较为纯净的语音电信号。

（4）功率放大器

有用信号经过带通滤波器的滤波作用后输入至功率放大器电路。

功率放大器（简称功放）的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。

本实验使用一片TDA2030集成功率放大芯片及其外围电路构成功率放大电路。

其引脚与封装如图所示。

具体电气参数见附录。

TDA2030引脚与封装

由此芯片构成的功率放大电路设计图如图3-14所示。

功率放大电路

此功率放大电路采用正负双电源供电方式，供电电压为±12V，其中5号管脚接12V电压，3号管脚接-12V电压。

功率放大电路的输出是一个喇叭，其参数为电阻为8Ω、额定功率为1W。

额定功率一般指能够连续输出的有效值（RMS）功率额定功率，是指功效在不失真的情况下，连续工作8小时以上不发生损坏的功率。

这个功率标称具有实际使用价值。

在理论上，扬声器的额定功率并不意味着一定需要这么大功率的才推得动，扬声器的驱动难易主要由其灵敏度和阻抗特性来决定；也不意味着不能配输出功率大于扬声器额定功率的功放，只要音量不盲目加大，大功率功放一样可以配小功率扬声器。

不过，在选购扬声器时，一定要注意与功放的功率匹配问题，最好不要选购功率比功放更大的产品，因为在调高音量时功放的输出功率很容易超过它的额定功率从而产生削波失真，如图所示，严重时会烧毁扬声器的线圈从而导致扬声器的毁坏。

所以保持功放的“余量”是系统搭配中重要的因素。

削波失真

2.5电路调试

此部分电路的调试主要分为计算机仿真调试与实际电路调试。

（1）计算机仿真调试

由于计算机对语音信号的采集录入与处理需要一定的时间，故在计算机仿真调试时采用输入正弦信号代替语音进行调试。

首先将前置放大电路、带通滤波电路、功放电路这三部分电路相互断开后，各自输入正弦信号，并用示波器查看输出波形，以此确定其功能完好。

然后将前置放大电路、带通滤波电路、功放电路这三部分电路串接后，在前置放大电路的输入端输入50mV、1kHz的正弦信号，将示波器接至功放电路输出端，查看输出波形，同时微调输入信号的幅值与频率，观察输出波形的变化，以确定整体电路的功能完好。

以上一系列调试完成，并确定整体电路功能完好后，便可进行实际电路调试。

（2）实际电路调试

实际电路调试过程中，为便于分别对各个模块电路进行调试，将语音输入电路、前置放大电路、带通滤波电路、功放电路、喇叭这五部分电路的输入输出之间断开，使这五部分电路之间并无输入输出关系，且分别供电。

具体调试步骤总结如下：

①信号发生器输入正弦信号调试。

此调试方案为分别对各部分电路进行供电，测量其输入输出是否满足其设计功能。

首先对LM324供电，将信号发生器调至1V、1kHz后接至前置放大电路的输入端，用示波器查看前置放大电路的输出，同时微调输入信号幅值或频率，观察输出信号变化情况，以此确定此电路功能完好。

保持对LM324供电，将信号发生器调至1V、1kHz后接至带通滤波器电路的输入端，用示波器查看带通滤波器电路的输出，同时调整输入信号的频率至300Hz或3kHz，测算输出信号幅值是否为输入信号幅值的0.707倍即，以此确定此电路功能完好。

断开对LM324的供电后，对TDA2030供电，将信号发生器调至50mV、1kHz后接至功放电路的输入端，用示波器查看功放电路的输出（除去喇叭，既为空载），同时调整输入信号的幅值，当输入信号大于一定值时，输出波形将出现削波失真，记录下刚好出现失真时的输入信号的幅值，即“功放电路最大不失真输入电压”。

本实验中此电压值约为345mV。

断开对TDA2030的供电。

将信号发生器调至1V、1kHz后直接接至喇叭的正负端，听由喇叭输出的声音，同时微调输入信号的频率，判断声音是否有变化，以此确定喇叭是否能正常工作。

确定个部分电路功能完好以后，将前置放大电路、带通滤波电路、功放电路的输入输出按照设计图前后串接起来，但话筒输入电路与喇叭均保持独立。

并连接供电线路，使两块芯片统一供电。

②语音输入测试

对话筒输入电路供电12V并接地，将示波器接至话筒输入电路的输出端。

用嘴对准驻极体话筒吹气，同时调整示波器幅度旋钮并观察输出波形，若出现剧烈冲击信号，则话筒输入电路能够正常工作。

在保证话筒输入电路工作正常后，将话筒输入电路连接至前置放大电路，并与芯片统一供电。

此时将示波器接至功放电路输出端，进行接喇叭之前的主要调试。

当用力对话筒吹气时，调整前置放大电路的增益，使得示波器中的波形出现大面积削波失真。

然后将嘴贴近话筒说话，微调（调小）前置放大电路的增益，使得示波器中的波形几乎不出现削波失真。

此时撤去示波器，将喇叭接至功放电路的输出端。

继续将嘴贴近话筒说话，微调前置放大电路的增益，使喇叭尽量正常输出声音。

此时可使用手机贴近话筒后轻声播放歌曲，微调前置放大电路的增益，使喇叭尽量正常输出歌曲。

至此，实际电路的调试已经完成。

2.6主要参考元器件

集成运算放大器LM324，集成功率放大器TDA2030，电阻电容，电位器，驻极体话筒，喇叭。