语音放大器设计报告

语音放大器设计自动化081马丽丽目录一．设计任务与要求1.1设计任务1.2技术指标二．系统方案论证2.1各种方案比较与选择三．系统硬件设计3.1系统的总体设计3.2单元电路的设计，单元的参数计算四．系统测试4.1电路的测试方案4.2测试仪器4.3测试结果五．附录摘要话音放大器的作用是不失真地放大输入的音频信号。由于人发出的声音频率在340Hz～3400Hz之间，声波在传播中会产生反射、折射和干涉等现象，到达话筒的信号比人从声带中发出来的声音要小，同时话筒是一种换能器，它将声能转化为电能，话筒的输出信号一般很小，而输出阻抗很大，则要求对话音进行放大。由于声音在空气中传播产生谐波失真，谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真，则要在话音放大器中设计滤波器，提高输出信号的高保真性能。此外，话筒的频率特性、性噪比和灵敏度也直接影响着重现声音的音质。关键词麦克风前置放大带通滤波功率放大一．设计任务与要求1.1设计任务设计并制作有一定输出功率的话音放大电路。1.2技术指标（1）电路采用5V单电源供电；（2）前置放大器由两级放大器构成，其中放大器1的增益为20dB，放大器2的增益为20dB，第二级放大器增益可调；（3）带通滤波器：通带为300Hz～3.4kHz；（4）输出额定功率P0.2W，失真度10%；负载额定阻抗为8Ω。二．系统方案论证2.1各种方案比较与选择2.1.1麦克风话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。方案1：源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线．漏极D接电源正极。源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压。信号由源极经电容c输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2kΩ，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。方案2：漏极输出类似晶体三极管的共发射极放大器。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻Rd，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益。因而话筒灵敏度比源极输出时要高。总结：由于放大信号对灵敏度要求较高，故采用方案2可满足要求。2.1.2前置放大电路方案1：采用分立元件构成放大电路方案2：采用集成运放构成放大电路总结：由于分立元件电路构成较集成运放复杂，故采用方案2，便捷有效。2.1.3带通滤波方案1：带通滤波电路方案2：高通+低通滤波电路总结：由于300Hz～3.4kHz相差较大，带通滤波无法实现，故采用方案2。2.1.4功率放大方案1：采用分立元件构成功率放大电路方案2：采用集成运放构成功率放大电路总结：由于分立元件电路构成较集成运放复杂，故采用方案2，便捷有效。三．系统硬件设计3.1系统总体设计语音放大器的原理框图如图1所示。电路有三个部分构成，分别为前置放大电路、带通滤波电路和功率放大电路。前置放大器带通滤波器功率放大器喇叭麦克风图1话音放大器原理框图麦克风有多种类型，用于将声音转换为电信号，较常用的有驻极体话筒。前置放大电路用于对话筒的输入信号进行放大。带通滤波器用于滤除语音信号频带以外的噪声，最后由功率放大电路对语音信号进行功率放大驱动喇叭输出。3.2单元电路设计3.2.1电源去耦电路走线需要着重考虑，因为它决定了总的电感和电流流动的环路环路。这个环路很可能会辐射电磁干扰。在运放的旁边放置两个并联的一大一小电容并接地，能让电容到运放Vcc管脚之间的走线长度最小，从而减少环路面积，这能尽量减少由导线电感引起的电压降问题。由于回路环路减小了，所以辐射电磁干扰也减小了。通常两个电容选用10uF和0.1uF。3.2.2麦克风电路原理图如右图，漏级串联RL可将麦克风引起的电流变化转化为电压变化并可调整其静态工作点，从电容C端输出至后级进行处理。3.2.3前置放大（电路如图3.1所示）VCC5VR11.00k2R51.00kR620K_LINKey=A25%C910nFR410kR310kU2ALM358N32481C1147uF-SMTR29.1k1636150U2BLM358N32481VCC4C810uF-SMTC1010uF-SMTC210uF-SMTC110uF-SMT70R11390k图3.1前置放大电路原理图电容C1，C10为耦合电容，构成阻容耦合，具有“阻直流，通交流”的作用；电容C8，C9是电源去耦的两个电容，减少电线距离影响，由于LM358N是双运放芯片所以一个运放接了即可；R3，R4，C11构成分压偏置电电路，为运放提供静态工作点2.5V，使得运放正常工作且在交流状态下相当于对地短路；采用同相比例运算电路可提高输入电阻所以R11用于提高输入电阻；R6为20k电位器，用于改变运放增益值；电容C2的作用是使运放对于直流电压相当于电压跟随器，只放大交流电压。前置放大电路第一级增益理论值为20log(1+R2/R1)≈20.1dB；输入阻抗为390k+5k=395kΩ；第二级放大电路增益理论值为Au=0～R6max/R5=0～20,所以增益理论值为-∞～40dB。3.2.4带通滤波（电路如图3.2所示）图中R12，R14，C14组成分压偏置电路，为运放提供静态工作点2.5V，使得运放正常工作；前一级为低通滤波电路，后一级为高通滤波电路，两者串联构成通带大约为300Hz～3.4kHz的带通滤波电路，图中各个构成滤波电路电阻，电容参数值根据附录1计算得出。电路图见下页图3.2912131410U1ALM358N32481U1BLM358N324810VCC5VR816kR74.3kC33.3nFC410nFC5100nFC6100nFR109.1kR94.7k11C1210nFC1310uF-SMT0C710uF-SMTR1210kR1410kC1447uF-SMT18VCC0图3.2带通滤波电路原理图3.2.5功率放大（电路如图3.3所示）图3.3功率放大电路原理图此电路为LM386外接元件最少电路，已足够本次设计使用。四．系统测试4.1电路的测试方案1）输入端：正常工作时，输出至示波器，弹动麦克风，观察有无波形产生。2）前置放大：断开前后电路，正常连接运方，输入正弦波，用示波器观察一级放大波形是否正常，然后第二级，直至正常放大。3）滤波电路：断开前后电路，输入一定频率的正弦波，使用示波器观察输出，调节不同频率，观察是否满足实验要求，并记录通频带长度。4）功率输出：断开前端电路，输入一定幅值的正弦波，调整电位器，使喇叭两端电压至最大不失真，记录数据。4.2测试仪器（如表4.1）表4.1测试仪器仪器型号万用表MASTECHMY61示波器MATRIXOSCILLOSCOPEMOS-620B信号发生器MOTECHFG-506A恒压源MOTECHLPS-3054.3测试结果4.3.1前置放大电路增益测试输入正弦信号，在输出信号不失真前提下，在语音信号频段范围内300Hz-3.4kHz，测出放大器的增益参考表格如下：表4.2前置放大电路增益测试数据频率（Hz）Vin（mV）Vout_min（mV）Vout_max（V）Gmin(dB)Gmax(dB)300801.64-∞46.241500801.64-∞46.243400801.64-∞46.24整个频段范围的最小增益：-∞，最大增益：46.24dB满足设计要求（2）。4.3.2带通滤波器指标测试表4.3带通滤波电路增益测试数据输入频率（Hz）30010001500200034003440Vin(V)1．001．001．001．001．001．00Vout(mV)694960980920720690所以下限截止频率为300Hz，上限截止频率为3.44kHz基本满足设计要求（3），且根据设计原理图及实际测试可知本设计达到设计要求（1）。带通滤波电路频率响应00.20.40.60.81200500100015002000250030003440频率/Hz放大倍数图4.1带通滤波电路频率响应曲线4.3.3功率放大电路指标测试功率放大电路空载时可输出最大不失真电压峰峰值为3.64V；4.3.4话音放大器整体指标测试（1）额定功率接8.2Ω是可输出的失真度小于10%的最大Vpp为3.08V，此时根据公式PO=Vo2/RL计算得出额定功率为0.148w，没有达到设计要求；（2）频率响应表4.4话音放大器整体频率响应输入频率（Hz）3030036010001500200028003400Vout(V)0.010.961.061.521.381.321.060.88话音放大器整体频率响应0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00303601000180025003400频率/Hz20logAu/dB图4.2话音放大器整体频率响应曲线注：这里放大倍数为输出滑变随机一点电压值，放大倍数仅为示例下限截止频率为360Hz，上限截止频率2.8kHz。（3）输入阻抗测得输入阻抗为391kΩ；（4）噪声电压输入为零时，输出负载上的电压值为64mV。五．附录附录：滤波电路选择电容，电阻表二阶低通二阶高通