语音放大器

1语音放大器设计摘要：本项目设计的话音放大器是将输入的音频信号不失真地放大并用扬声器输出的一个简易装置。语音放大器电路主要由驻极体话筒，前置放大电路，带通滤波器电路，功率放大电路和负载为8Ω的扬声器组成。人的声音信号频率一般在300HZ到3.4kHz之间，语音信号通过前置放大将信号放大（前置放大电路的增益为40dB），然后通过带通滤波器将低于300HZ，高于3400Hz的信号滤掉，得到合适频率的声音信号，功率放大电路放大信号的电流，使得滤波后的语音信号能够驱动负载，通过喇叭输出信号，得到所需要的不失真的放大的声音。本项目设计的语音放大器使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。具有失真度小（σ=5.3%），输入灵敏度高（Ui=5mv），噪声电压小（U=5.32mv），输入阻抗大（Ri=8.8kΩ）的特点。关键字：语音放大器；前置放大；带通滤波；功率放大2目录1．设计任务与要求1.1设计任务1.2设计要求1.3技术指标2．系统方案论证2.1前置放大电路方案的论证与比较2.1.1方案一2.1.2方案二2.1.3方案论证与选定2.2带通滤波电路方案的论证与比较2.2.1方案一2.2.2方案二2.2.3方案三2.2.4方案论证与选定3.系统硬件设计3.1系统总体设计3.2单元电路设计原理3.2.1驻极体话筒3.2.2前置放大电路3.2.3带通滤波器3.2.4功率放大电路4.系统测试4.1电路的测试方案4.2语音放大器的测试指标4.3调试数据4.3.1单元电路的调试数据4.3.2整体电路的调试数据34.4测试数据4.4.1单元电路的测试数据4.4.2系统的测试数据4.5话音放大器整体指标测试4.6使用的仪器型号5．实验总结6．附页6.1型号LM386集成运放芯片的相关资料6.2型号LM386集成运放芯片的相关资料6.3有源滤波器设计原理41、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基本要求（1）、电路采用9V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；放大器2的增益可调；（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。1.3设计技术指标（1）、额定功率：在电路输出失真度小于某一个规定值时所对应的最大的输出功率。PO=Vo2/RL（2）、频率响应：主要是指幅频特性，即fL～fH。（3）、输入阻抗（4）、输入灵敏度：话音放大器输出额定功率时所需的输入电压（有效值）。（5）、噪声电压：输入为零时，输出负载上的电压。（6）、失真度2.系统方案论证2.1、前置放大电路方案的论证与比较2.1.1方案一：一级放大电路如下图1所示，该放大电路为一级反相放大，其放大倍数为10012RRAu5R11kΩR2100kΩU1ALM358M32481VCC9VR310kΩC110µFC210µF190VCC602图1一级放大电路图2.1.2方案二：二级放大电路如下图2二所示，该放大电路为二级反相放大，放大倍数为100*3512RRRRAuR110kΩR2100kΩU1ALM358M32481U2ALM358M32481R310kΩVCC9VR610kΩR710kΩC110µFC210µF198R5100kΩ067VCC217153图2二级放大电路图2.1.3方案论证与选定由上述方案一，方案二比较得到，两者的采用集成运放构成的放大电路增益是一样，但是方案一是一级放大，电路不够稳定，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。2.2、带通滤波电路方案的论证与比较2.2.1方案一单运放构成的压控电压源二阶带通滤波电路，电路简单。6R16.2kΩR224kΩVCC9VU3ATL082CM32481R3200kΩC32.2nFR4200kΩC16.8nF6241VCC3图3单运放压控电压源二阶带通滤波电路图2.2.2方案二压控高通滤波电路与低通滤波电路级联构成带通滤波电路，电路的频带宽，且容易控制。R16.2kΩR224kΩR53.6kΩC12.2nFC26.8nFVCC9V1C30.1µFC40.1µFR67.5kΩ6V120mVrms30Hz0°U3ATL082CM32481U4ATL082CM324812R9200kΩR10200kΩ7C510µFVCC410058图4压控高通滤波电路与低通滤波电路级联构成带通滤波电路2.2.3方案三多阶滤波电路，电路的滤波特性好，但是电路复杂。2.2.4方案论证与选定由上述三个方案比较得到：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由HPF的截止频率决定，高频截止频率有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。虽然方案三的滤波特性要比方案一，方案二的好，但是电路要复杂的多，在本项目的条件下，方案二即可满足实验要求。因此，我们采用的带通滤波器是方案二73.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5图所示。电路主要由三个部分构成，分别为前置放大电路、带通滤波电路和功率放大电路。采用驻极体话筒将声音信号转化成电信号，前置放大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。语音信号（驻极体话筒）前置放大电路带通滤波电路功率放大电路扬声器图5语音放大器的原理框图3.2、单元电路设计原理3.2.1驻极体话筒驻极体传声器是一种用驻极体材料制造的新型传声器。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低、输入灵敏度高的特点的特点，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。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。驻极体传声器的输出不能直接与音频放大器相接，需要加一个隔直电容。当驻极体话筒接电源工作时要加一个适当的上拉电阻。3.2.2前置放大电路前置放大电路对于整个系统来说非常重要，从驻极体话筒输入的小信号通过前置放大电路放大，与此同时噪声信号，漂移信号也会在前置被放大。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。通常可以由运放构成的交流放大电路实现。电路设计如下图6所示：图6前置放大电路图8电容C2，C1为耦合电容，构成阻容耦合，具有“阻直流，通交流”的作用；电容C4，C7是电源去耦的两个电容，减少电线距离影响，由于LM386是双运放芯片所以一个运放接了即可；采用单电源供电9V，R6，R71构成分压偏置电电路，为运放提供静态工作点4.5V，使得运放正常工作且在交流状态下相当于对地短路；R5为100k电位器，用于改变运放增益值；前置放大电路第一级增益理论值为dBRR20)10100log(20)12log(20（1）第二级放大电路最大增益理论值为dBRR20)10100log(20)12log(20(2)所以增益理论值为-∞～20dB。3.2.3带通滤波器滤除人语音信号频率之外的信号，即要求带通滤波器的通带频率为300Hz-3.4KHZ。由于频带较宽，采用压控高通滤波电路与低通滤波电路级联构成带通滤波电路，改变上限截止频率和下限截止频率是可以互不影响。(1)、低通滤波电路KHzCCRRfH4.3121121(3)707.0Q(4)341RRAv(5)由RC有源滤波电路设计的原则得到：选取C=0.0068uF325.40068.0*3400100100CfKc(7)取Av增益为1,所以150.6325.4422.11R（实际选取6.2K）350.23325.4399.52R（实际选取24K）9R3开路，R4为0，C1=0.33C=0.0022uF(2)、高通滤波电路HzCCRRfL30012121(8)707.0Q(9)341RRAv(10)由RC有源滤波电路设计的原则得到：选取C=0.1uF333.31.0*300100100CfKc(11)所以749.3333.3125.11R(实际选取3.9K)5025.7333.3251.22R（实际选取7.5K）R3开路，R4为0（3）、带通滤波器的电路图如下图7所示：图7带通滤波器的电路图10图7中R10，R9，C5组成分压偏置电路，为运放提供静态工作点4.5V，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。3.2.4功率放大电路功率放大器用来放大电流，使信号能够驱动负载（喇叭）。要求输出功率尽可能大，效率尽可能高，非线性失真尽可能小。电路图8如下图所示图8功率放大电路4．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（2）、前置放大：静态调试：调零和消除自激振荡。动态调试：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：静态调试：测量静态工作点，消除自激振荡。动态调试：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：静态调试：将输入端对地短路，观察输出有无振荡，如果有振荡，采取消振措施以消除振荡。11动态调试：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语音放大器的测试指标（1）、额定功率在电路输出失真度小于某一个规定值时所对应的最大的输出功率。LooRUP2（12）（2）、频率响应主要是指幅频特性，即fL～fH。（3）、输入阻抗（4）、输入灵敏度话音放大器输出额定功率时所需的输入电压（有效值）。（5）、噪声电压输入为零时，输出负载上的电压。（6）、失真度4.3调试数据4.3.1单元电路的调试数据（1）、前置放大电路的调试：输入电压mVUid158输出电压VUod2.7电压增益6.451582.7mVVUUAidodud（13）（2）、有源带通滤波器的调试：当电压的幅度为最大值的0.707倍时上限截止频率HzfL312下限截止频率KHzfH256.3通频带BWf：312Hz~3.256KHz（3）、功率放大电路的调试：输出波形最大不失真时的值失真度σ=2.3%（4）、系统联调：12①、当时VUi0，输出的直流输出电压VUo51.1②、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：0~281mV.③、输入适当幅值的正弦电压，当输出电压Uo的幅度为最大值：0.707Uomax倍时，HzfL310kHzfH215.3④、输入电压mVUi212输出电压VUo4.20总的电压增益2.96iouUUA（5）、静态工作点前置放大电路的静态工作点：vUvUPN49.449.411vUvUPN49.449.422滤波电路静态工作点：vUvUPN76.477.433vUvUPN41.441.4444.4测试数据4.4.1单元电路的测试数据（1）、前置放大电路增益测试表1前置放大电路增益测试数据整个频段范围的最小增益：-理论：-最大增益：40.2理论：40表2带通滤波电路频率特性测试数据输入Ui=1.10V频率（Hz）电压（V）增益频率（Hz）电压（V）增益2000.48-7.1315001.120.28频率（Hz）Vin（mV）Vout_min（V）Vout_max（V）Gmin(dB)Gmax(dB)300206021.2-40.31500206020.9