语音放大器的设计全面.docx
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语音放大器的设计全面
电子电工教学基地
实
验
报
告
实验课程：
模拟电路实验及仿真
实验名称：
语音放大电路的设计
设计人员：
完成日期：
2012年6月27日
1、引言
在电子电路中，输入信号常常受各种因素的影响而含有一些不必要的成份（即干扰），或者输入信号是不同频率信号混合在一起的信号，对前者应设法将不必要的成份衰减到足够小，而后者应设法将需要的信号提取出来。
而且随着社会的发展，在我们的日常生活中也经常会出现一系列的问题：
如在检修各种机器设备的时候，我们要根据故障设备的异常声来寻找故障，这种异常的声响的频谱覆盖面往往很广；同时另外的一种情况我们在打电话的时候，有时往往因声音或干扰太大而难以听清对方的声音，这时我们就需要一种既能放大语音信号又能降低外来噪声的仪器。
而且语音放大电路目前的运用很广泛：
适用于很多的家用电器上面的运用。
例如：
便携式收音机、对讲机等很多方面的运用。
为了达到这样的一个目的，我们就要考虑到设计一个能识别300~3000HZ频率范围内的小信号放大系统，我们可以用设计一个集成运算放大器组成的语音放大电路。
一、设计目的及要求
【设计目的】
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.通过实验总结回顾所学的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。
【设计要求】
1）选取单元电路及元件
根据设计要求和已知条件，确定前置放大电路、有源带通滤波电路、功率放大电路的方案，计算和选取单元电路的原件参数。
2）前置放大电路的组装与调试
测量前置放大电路的差模电压增益AU、共模电压增益AUc、共模抑制比KCMR、带宽BW、输入电压Ri等各项技术指标，并与设计要求值进行比较。
3）有源带通滤波器电路的组装与调试
测量有缘带通滤波器电路的差模电压增益AUd、带通BW，并与设计要求进行比较。
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、输出效率η、直流输出电压、静态电源电流等技术指标。
5）整体电路的联调与试听
6）应用Multisim软件对电路进行仿真分析
【性能指标】
1.前置放大器：
输入信号：
Uid≤10mV
输入阻抗：
Ri≥100k
2.有源带通滤波器：
频率范围：
300Hz～3kHz
增益：
Au=1。
3.功率放大器：
最大不失真输出功率：
Pomax≥1W
负载阻抗：
RL=8（4）
电源电压：
+5V，+12V，-12V
4.输出功率连续可调
直流输出电压≤50mV
静态电源电流≤100mA
二、总原理框图及总电路图
1.语音放大电路由“输入电路”、“前置放大器”、“有源带通滤波器”、“功率放大器”、“扬声器”几部分构成：
2.实验总电路：
三、设计思想及基本原理分析。
【设计思想】
输入端采用麦克风形式，声音通过麦克风输入前置放大电路，进行一次放大后输入二阶有源带通滤波电路，对通频带（300Hz-3000Hz）以外的信号进行滤波，以消除杂音，最后将经过放大和滤波的信号输入功率放大电路，进行功率放大后将声音通过扬声器输出。
【基本原理】
1．前置放大电路
前置放大电路可采用两级负反馈放大器、差分放大电路，也可以用集成运放构成的测量用小信号放大电路等。
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。
一般来说，信号的最大幅度可能仅有几毫伏，共模噪声可能高达几伏。
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。
在设计前置小信号放大电路时，可参考运算放大器应用的相关；
2.有源滤波电路
有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。
有源滤波电路的种类有低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波器，本实验着重讨论典型的二阶有源滤波器。
3.功率放大电路
功率放大的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。
四、单元电路分析，元件介绍和元件参数计算。
【前置放大电路】
方案一：
方案二：
方案一是一级放大，其增益过小，且不够稳定，带动不起后级电路。
因此，在前置放大器的选择上，我们采用方案二的两级放大。
运算放大器使用LM324。
通过第二级放大电路中的电位器来调节放大的倍数。
这个电路非常简单，而且原理清晰。
通过仿真可知，输出很完整，基本上没有噪声。
在第一级放大电路中，AU1=1+R3/R1=1+10≈10。
在第二级放大电路中，AU2=1+（R10+R5）/R6≈1～100。
所以总的放大倍数为：
AU=AU1.AU2≈100～200。
前级放大部分最终设计电路如下：
【带通滤波器设计】
方案二高通与低通是分开做的，在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串联起来可以实现带通滤波器的功能，而且带通滤波器的低频截止频率fL由HPF的截止频率决定，高频截止频率fH有LPF的截止频率决定。
与方案一相比较，方案二的通带较宽，通带截止频率易于调整。
因此，我们采用的带通滤波器是方案二，电路图如下图所示，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号。
带通滤波器最终设计电路如下：
高通部分：
令==C=0.1µF，=2,
由已知条件：
fH=1/（2лC）=3000Hz，
得≈7.5KΩ，≈3.74kΩ。
低通部分：
令=2=0.022µF，=0.01µF同理可得==R,
由已知条件：
fH=1/（2лR）=300Hz，
得==R≈3.74kΩ。
【功率放大电路设计】
TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块，它接法简单，价格实惠，额定功率为14W，电源电压为±6～±18V。
输出电流大，谐波失真和交越失真小（±14V/4欧姆，THD=0.5%），具有优良的短路和过热保护电路。
采用LM386作为功率放大器虽然外围电路相对简单并且稳定性较好，但是仿真软件Multisim中没有找到LM386，基于TDA2030的优点而且又便于仿真，我们最终决定采用方案一。
功率放大部分最终设计电路如下：
五、主要器件介绍
【柱极体传声器】
传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器。
驻极体传声器是一种用驻极体材料制造的新型传声器。
它具有结构简单、灵敏度高等优点，被广泛应用于语言拾音、声信号检测等方面。
驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。
声电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。
声电转换的关键元件是振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开，这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。
从而产生了随声波变化而变化的交变电压信号，如此就完成了声音转换为电信号的过程。
电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率。
驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。
因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。
因此，不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。
而场效应晶体管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻极体电容产生的电压信号，同时以比较低的阻抗在源极S或者漏极G输出信号，实现阻抗变换。
【LM324】
1）LM324系列器件为价格便宜的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。
LM324的引脚排列见图2。
LM324的特点：
1.短路保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V
4.低偏置电流：
最大100nA
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
【TDA2030A】
TDA2030A是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图1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、失真小等特点。
并具有内部保护电路。
TDA2030A的电路特点：
[1].外接元件非常少。
[2].输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。
[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，因此工作安全可靠。
主要保护电路有：
短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。
[6].TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。
无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。
引脚情况：
1.脚是正向输入端；2.脚是反向输入端；3.脚是负电源输入端；4.脚是功率输出端；5.脚是正电源输入端。
六、电路仿真
第一级前置放大电路：
输入最大值5mV,输出有效值479mV,Au=135;
带通滤波器
带通滤波器的波特图如下：
从波特图中读出Au=0.98;fl=300Hz;fh=3000Hz
但从输入输出正弦波幅值计算Au=479/417=0.87
功率放大电路
输入有效值417mV,输出有效值2.047V,Au=4.8
七、实际电路分析
【故障的分析】
1.没有输出波形。
第一次在输入端加入正弦信号时示波器没有输出，逐级排查故障，前置放大和带通滤波器输出完整正弦波，再接上功率放大部分，信号发生器和滤波器瞬间自动断电。
推断功率放大有问题，仔细检查电路发现有一处没有焊接，另有一处错接电容，改好电路后却发现带通滤波输出波形异常，用万用表一个个检查元件发现都没有烧毁，调试滑动变阻器也无济于事，最后换了运放后，带通波形正常，才知道是LM324烧坏了。
2.功率放大电路出现截止失真。
在仿真时，我们在输入端加的是5mV正弦交流电，仿真结果输出波形完整，没有失真。
但是在测量实物时，信号发生器最小只能输入50mV正弦交流电，示波器显示输出为截止波形，然后我们逐级排查故障，前置放大和带通滤波器输出都不截止，问题在功率放大部分。
我们重新仿真，发现功率放大部分的输入电压最大值不能超过2.1V，否则截止，而滤波后输出最大电压值约6.7V。
我们调节了前级放大和功率放大部分的滑动变阻器，减小放大倍数，成功改善了截止。
但是实物测量中发现TD2030发烫，再次检查电路没有问题，更换新的TD2030后不再发烫，推断是故障1发生时也损坏了功率放大器。
【测量结果】
1.前置放大器：
Uimax=50mv,Uomax=9.531v，
增益：
Av=Uo/Ui=190.62
2.带通滤波器：
Uimax=9.426，Uomax=9.531v，增益：
Av=Uo/Ui==0.99
fH=3098Hz，fL=310Hz，通频带：
BW=fH–fL=2788Hz
3.功率放大器：
最大不失真输出功率的测量（输入1KHZ正弦波，调到输出最大不失真状态）
Pomax=U2omax/2RL=/（2*8）=6.45W
4.功率放大器直流输出电压和静态电流的测量：
输入对地短路，测量直流输出电压=40.50mv
将万用表调至电流档，量程为100mA，并将表笔串接在12V电源与集成功放的电源端，测量静态电流I=13.33mA。
*说明：
因为在实际调试过程中改动过滑动变阻器组织，调整了放大倍数，所以实际测得放大倍数与仿真结果不同。
放大效果：
我们用mutisim软件里的麦克和喇叭进行仿真，能听到理想的声音放大效果。
实物测量时，输入正弦信号，调信号频率。
可以清晰的听到放大输出声音随频率而改变，形成美妙的音乐，而且声音干净，几乎没有噪音。
直接对麦克说话，喇叭却不能发出声音，对麦克吹气货轻敲麦克，喇叭有声音发出。
用手机播放音乐，将手机紧挨麦克，音乐得到放大，但是存在噪声。
因为实验时间太紧张，我们没有来得及研究驻极体麦克的偏置电压电路，直接将其串接在电路中，没加偏置电压是造成不能发声的直接原因。
八、元件清单。
元件清单
型号
数量
型号
数量
电容100nF
3
电阻1MΩ
1
电容0.1uF
1
电阻100kΩ
2
电容0.022uF
1
电阻3.74kΩ
3
电容0.01uF
1
电阻1kΩ
2
电容22uF
2
电阻7.5kΩ
1
电容220uF
2
电阻100Ω
2
电容220nF
1
电阻20kΩ
1
LM324AD
1
电阻1Ω
1
TDA2030
1
滑动电阻10kΩ
1
散热片
1
滑动电阻1kΩ
1
芯片座
1
单联板
1
驻极体话筒
1
排针
若干
喇叭8Ω1W
1
导线
若干
九、设计过程的体会、创新点以及建议。
【高和】
与上次稳压电源的设计相比较，音频放大器的设计电路更加复杂，因此设计过程更为艰辛，尤其是在调试过程中出现了很多意想不到的问题，但是我们就是在这样犯错、查错与纠错的过程中收获了知识，提高了技能。
首先，我们先设计电路，进行仿真，让我进一步熟悉Multisim软件的使用。
Multisim仿真软件中的波特图绘制功能，能帮助我们直观的看到滤波器的幅度响应，用它来测量通频带简捷方便。
我们还用Multisim中的麦克录音然后经设计好的音频放大电路放大，真实的感受设计成果。
通过仿真，能够帮助我们排除很多错误，轻易调试参数，优化设计效果。
焊接之前，我们先进行电路规划布局，因为我们采用的是拖焊，合理的电路规划能让我们的焊接效果简洁整齐，也便于后来查找电路错误。
这次焊接过程中，我们最大的错误就是一次完成整个电路的焊接，造成后来的调试过程很麻烦，还因此烧毁了一些元件。
我们不应该看到电路仿真结果很理想，就直接焊完整个电路，仿真与实物操作是有差距的，焊接过程中稍有疏忽就会犯错误留下隐患，而且一处错误还可能会引发更多的故障。
从这次电路焊接过程中，我深刻体会到，今后焊接复杂电路，一定要逐级焊接，逐级检查电路，确保前级电路正确无误后再进行下一部分电路的焊接，这样既便于排查寻找错误，也更加安全。
此外，我感到自己在电路设计方面所掌握的知识远远不够，对元器件的了解甚少，在电路设计之前没有广泛深入的去探究相关知识。
例如，因为我们在以往的实验中的运放一直用的是LM324，这次也不加思索的选择了LM324，但后来从同学处得知NE5532具有更好的噪声性能，用作音频放大时音色温暖，保真度更高。
相比起电路设计与焊接，最纠结的还是电路调试，不仅是知识与技能的考验，更是态度与心理的考验。
仿真已经确保了电路没有大问题，故障往往处在一些小的细节上，我们一定要耐心与细心的检查电路再能发现问题。
例如带通滤波器波形异常，我们，先改变滑动变阻器调节放大倍数，无济于事，又用万用表一个个去检查带通部分的元件是否烧毁，花了两个半小时才发现是LM324坏了。
无论多么麻烦，千万不要放弃，就一定能找到结局问题的办法。
【张建萍】
辛苦了一周时间终于完成了语音放大器的板子，经过测试波形和各项指标都在误差允许范围内符合要求。
语音放大功能只能放大吹气和手机铃声，说话放大却效果不好。
但是检查不出什么问题了，我们只能这样交了。
当然实验过程中并不一帆风顺，也是困难重重，遇到了很多问题。
但是经过我们的认真检查，反复测试，对元件挨个排查更换，终于完成了实验。
通过这次设计实验，我的心得主要有：
在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则，将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间。
你要清楚各种电路接法,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.
课程知识的主要是偏重于理论的学习，而实验给了我们自己动手实践的机会，因此实验非常重要。
刚开始做实验的时候，由于自己的理论知识基础不好，在实验过程遇到了许多的难题，也使我感到理论知识的重要性。
但是我并没有气垒，在实验中发现问题，自己看书，独立思考，最终解决问题，从而也就加深我对课本理论知识的理解，达到了“双赢”的效果。
实验中我学会了各种放大电路的性能的验证；用Multisim软件，来仿真一些实际的电学仪器，实验过程中培养了我在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力以及培养了良好的工程素质和科学道德，例如团队精神、交流能力、独立思考、测试前沿信息的捕获能力等；提高了自己动手能力，培养理论联系实际的作风，增强创新意识。
本学期实验一共做了多个放大实验，包括：
晶体管共射极单管放大器，负反馈放大器，集成运算放大器指标的测试，通过这些实验，对各指标的测试，让我深刻体会到实验前的理论知识准备，也就是要事前了解将要做的实验的有关材料，如：
实验要求，实验内容，实验步骤等的重要性，最重要的是要记录什么数据和怎样做数据处理，等等。
虽然做实验时，老师会讲解一下实验步骤和怎样记录数据，但是如果自己没有一些基础知识，那时是很难做得下去的。
在这次实验中，使模拟电子技术这门课的一些理论知识与实践相结合，更加深刻了我对模拟电子技术这门课的认识，巩固了我的理论知识。
经过这次的测试技术实验,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验操作能力。
总之，我学到很多东西，加强了我的动手能力，并且培养了我的独立思考能力。
【翟晗】
较之上一次设计实验，语音放大器的电路更为复杂，设计难度更大！
但是上一次实验我们积累了些许经验，并且用到这一次的实验中。
利用Multisim软件对设计好的电路进行仿真是我们做的第一步，因为在上一次的实验中利用仿真结果焊接电路让我们的实验非常顺利。
这一次我们也应用的更加彻底，并且将音频文件通过仿真电路放大。
得到的结果则让我们欣喜，但是让我们预想不到的麻烦还在后面。
也许是过于依赖仿真结果忽略了实际中的误差，也许是我们过分自信于自己的焊接技术。
我们错误的选择一次性完成整块电路板，当我们为自己的成果感到高兴的时候。
电路的实际效果却给我们泼了一盆冷水，我们又开始繁琐的调试，调试的过程则充满了未知性！
调试结果不理想还是小事，甚至部分元件就因为我们的调试而被烧毁，后来在实验室调试的时候我还亲眼见到某个女生的电容直接炸飞，让人心惊。
在后来的调试中，我们一直没有得到想要的结果，这令我们意识到自己的知识水平已不足以解决这个问题。
难能可贵的是我们得到其他组的建议，根据这个建议我们采用了NE5532用作音频放大电路中来。
这个经历让我意识到一个人或者一个单独的团队的力量是有限的，更多的优秀建议或者思路在你周围的同学身上。
我们应该抱着谦虚的态度认真听取他人的意见，并且学习他人优秀的方法来弥补自己的不足。
这种协作互补帮助我们成功。
这个实验要让我选取印象最深的一段过程，想必就是调试了。
这个过程耗时最久，见效最慢，最考验我们的耐心和细心。
甚至有时经过两三个小时的调试，结果却变得更加不理想。
那时的我们变得焦躁，浮躁！
正是同组同学的耐心和认真的态度影响了我，让我也慢慢耐下性子一点一点试探着前行，最终得到了还算理想的结果。
我很感谢我的两位同伴，感谢我们互相信赖互相扶持完成整个实验！
十一、参考文献。
[1]侯建军，电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计，高等教育出版社，2007.10
[2]刘颖，模拟电子技术，北京交通大学出版社，清华大学出版社，2008.3
[3]路勇，电子电路实验及仿真，北京交通大学出版社，清华大学出版社，2004
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