语音放大电路设计 - 图文

学号： 20115042024

本科课程设计

学 院 物理电子工程学院 专 业 电子信息工程 年 级 2011级 姓 名 李德淮 课程名称 模拟电子技术基础 课程设计题目 语音放大器设计 指导教师 马建忠 成 绩

2013 年 6月19日

课程设计成绩评定书

设计题目 姓 名 专业 指导教师 李德淮 电子信息工程 马建忠 联系电话 语音放大器设计 学号 班级 18203763039 20115042024 11级电子信息工程本科班 办公地点 理科楼604 1 设计并制作一个由集成运算放大器组成的语音放大电路。该电路能识别不同频率范围的小信号放大系统； 设计任务 2 前置放大器输入信号：Vid≤10mV ，输入阻抗：Ri≥100k?，共模抑制比：KCMR≥60 dB； 3 有源带通滤波器频率范围为：300 Hz~3.4 KHz； 4 功率放大器最大不失真输出功率:Pom≥5W，负载阻抗:RL=4?； 5 输出功率连续可调直流输出电压≤50mV 静态输出电流≤100mA。 学院意见： 学院院长（签名）： 201 年 月 日 201 年 月 日 指导教师评语 成 绩： 指导教师（签字）：

目 录

1 课程设计目的 ............................................................................................................................... 4 2 课程设计内容及要求 ................................................................................................................... 4

2.1 设计内容 ............................................................................................................................. 4 2.2 设计要求 ............................................................................................................................. 4 3 语音放大电路设计方案 ............................................................................................................... 5

3.1 设计思路 ............................................................................................................................. 5 3.2 工作原理及硬件框图 ......................................................................................................... 5 3.3 硬件电路原理图 ................................................................................................................. 9 4 安装调试 ..................................................................................................................................... 11

4.1 前置放大电路的调试 ....................................................................................................... 11 4.2 有源滤波器的调试 ........................................................................................................... 11 4.3 功放的调试 ....................................................................................................................... 11 4.4 系统调节测出直流 ........................................................................................................... 12 5 性能测试 ..................................................................................................................................... 12 6 设计总结和体会 ......................................................................................................................... 13 7 实验器材 ................................................................................................................................... 14 参考文献 ......................................................................................................................................... 14

语音放大电路设计

1 课程设计目的

(1) 掌握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) 掌握有源滤波器的参数计算及其设计方法。

2 课程设计内容及要求

2.1 设计内容

设计一个语音放大电路，该电路由三部分组成，分别为前置放大电路、滤波电路和功率放大电路。

前置放大电路即为测量小信号放大电路，它的作用是不失真的放大语音信号，可以由两部分组成：一部分是语音输入级，另一部分是电压放大电路。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，在典型情况下，有用信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，而共模噪声可能高到几伏，故放大器输入漂移和噪声等到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。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。所以要还要用到滤波电路。

滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。需要让一定频率段的信号通过，而阻止不需要的信号段。这个频率段就是电路的带宽BW。

功率放大电路主要作用的向负载提供足够大的功率，要求输出功率尽可能高，即给负载RL（扬声器）提供一定的输出功率，而效率尽可能高。集成功放基本都工作在接近乙类（B类）的甲乙类（AB类）状态，静态电流大都工作在10-50mA以内，因此静态功耗很小，但动态功耗很大，且随输出信号的大小而变化。 2.2 设计要求 （1）前置放大电路

因为在通常情况下有用的输入信号很小，又要使放大器本身的共模抑制特性较好，精度较高，所以要求输入信号：Ui ?10mV, 输入阻抗：Ri ? 100K?

共模抑制比：KCMR? 60dB.

(2) 滤波电路

人耳能听到的声音频率范围为20HZ～20kHZ,而一般语音范围位于300HZ～3.4KHZ之间。所以有源带通滤波电路的带通范围为300HZ ～ 3.4KHZ。 (3) 功率放大电路

负载阻抗（即扬声器的阻抗）RL=4? 输出功率Pom ? 5W

电源电压：V = +12V

(4）输出功率连续可调(输入短路时) 直流输出电压?50mV 静态电源电流?100mA

3 语音放大电路设计方案

3.1 设计思路

因为语音放大电路要求不仅能放大声音而且还要大大降低噪声的干扰，所以由语音信息输入、前置放大电路、滤波电路、功率放大电路四部分组成。可以把后三部分分别设计完成，仿真成功后连接在一起，整体电路仿真符合要求，则整体设计完成。

电路的原理框图如下：

信号输入 前置 放大器 有源帯通 滤波器 功率 放大器 输出 图1 放大电路工作原理图

3.2 工作原理及硬件框图 3.2.1 语音信息输入

话筒是一种常用的语音输入设备，它能将人的声音转化成微小的电压信号输出，其峰值最大为几十毫伏。 3.2.2 前置放大器

用两个同相放大电路的简单串联组合进行设计。如图2，它也称为同相串联差分放大电路。差分输入信号从两个放大器的同相端输入，可以有效的消除两输入端的共模分量，获得很高的共模抑制比和极高的输入电组，这种电路常用作高输入电阻的仪用放大电路。

图2 前置放大电路

电路工作原理是：

交流信号自同相端B点输入，输出信号经Rf反馈至A点。则反馈电压为： VA?R2?VO (1)

R2?Rf因为放大器的电压增益Avf?1?(RfR2)，故：

Vo?(1?RfR2)?Vi?R2?RfRf*VB (2)

由式（1）（2）可得反馈电压VA与输入电压VB相等，因此，电阻R1两端的电位相等，且相位相同，称R1为自举电阻。流经R1的电流可视为零，从而大大提高了交流放大器的输入电阻。输入电阻：

Ri?(R1//ric)?(1?Avf) （3）

式中，F为反馈系数:

F?R2 （4）

R2?Rf按照图2中所示的电路参数，由式（3）可得输入电阻:

Ri?(R1//ric)?(1?Avf?F)?200K? （5） 前置放大电路电压放大倍数为： Av?

RfVo?1??11 （6） ViR2对于前置放大电路的设置，对于输出阻抗较高的话筒，语音输入级的放大电路可以采用上述的自举式同相交流电压放大器，其电路如图2 所示。但是对于其集成芯片LM324也可以换成?A741,其采用双电源供电，其运放的增益带宽积虽然不高，但这里电压增益不高，故能达到语音放大的电路频响要求。 3.2.3 有源带通滤波器（BPF）

有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤 波电路。这里需要有源带通滤波电路。。有源滤波器同无源滤波器比较，处理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振。

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，把相同元件压空电压源滤波器的LPF和HPF串接起来可以实现Butterworth通带响应，如图3所示。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器。采用图3所示的滤波器，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号，整个通带增益为8dB，运放放大器为LM324.

有源带通滤波器电路图如下：

图3 有源带通滤波器示意图

带通滤波器A1的放大倍数计算： Avf1?1?27K??1.57 （7） 47K? Avf2?1?27K??1.57 （8） 47K?则带通滤波器的放大倍数为：

AV?Avf1?Avf2?1.57?2.46 （9） 对于滤波器这一级，用大家所熟悉的RC桥式振荡电路也是一个选择性很好的有源带通

2滤波器电路。该电路在满足R1=R2=R,C1=C2=C的条件下，Q值与中心频率f0分别为： Q?11?3?Avf2?27k??f0?47k?12*?*C1*C2*R1*R2?1 （10）

2*?*R*C在这里我们采用如图3 所示的有源带通滤波器，其中A1、A2为LM324。 3.2.4 功率放大电路

功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽功放电路和变压器耦合功放电路等。

TDA200X系列，包括TDA2003、TDA2002为单片集成功放器件。其性能优良，功能齐全，并附加有各种保护，消噪声电路，外接元件大大减小，仅有五个引出端，易于安装，因此也称为五端集成功放。

图4 LM386功率放大电路

功率参数测试：

P静态?VCC?IR （11）

PV?VCC?iR （12）

POM2UO? （13）

RPOM?100% ??（14）

P动态在使用集成芯片构成集成功放的电路时，也可以用TDA2003。TDA2003位单片机成功

放器件，有5个引出端，外接少量元件就可以构成运放电路其输出功率为10～35W(与供电电源的大小和电路的形式有关)，并附加有各种保护、消噪声电路。在这里采用LM386。 在使用集成功率放大器时，应注意以下几点： （1）均应安装适当的散热器。

（2）必须在电源引脚旁加去偶电容，以防自激。

（3）为防止功率放大电路对前级的影响，功放级的电源要单独连接。

（4）注意观察稳压电源上电流表的指示，若电流过大，应关闭电源，检查电路。 （5）为防止功放电路对前级的影响，功放级的电源线要单独连接，接线不要交叉，并尽可能短。

3.3 硬件电路原理图

用Multisim软件绘制整体原理图，并进行仿真。 下图为真个语音放大电路的仿真图：

分别由前置放大电路，有源带通滤波器，功率放大电路等三部分组成。图中的A1、A2为集成芯片LM324，在Vi1端输入的是语音信号。

在图5 中，使用面包板搭建的仿真实验电路。

图5 整体电路连接图

图5为前置放大电路的仿真输入、输出波形，示波器A端与图5中的Vi1相连接，示波器B端与第一级前置放大电路的输出端变相连接相连接。输入电压为20mV,频率为100HZ。 如图6所示（输入为20mV/Div，输出为100mv/Div）。.

图6 前置电路的仿真

图7为带通滤波电路的仿真输入、输出波形，示波器A端与图(5)前置放大电路的输出端相连接，示波器B端与带通滤波电路的输出（即1号线）相连接。输入电压为80mvV频率为1000Hz。 如图7所示（输入为100mV/Div，输出为10mV/Div）。

图7 滤波电路的仿真

图8 为前两级电路的仿真输入、输出波形，示波器A端与图5中Vi相连接，示波器B端与图5中负载（4?）的左端相连接。输入电压为8mV, 频率为4000HZ。此时在负载的输出端几乎没有输出信号，由此可看出在此频率下，信号无法输出。

图8 前两级仿真效果结果图

图9 面包板实验电路

4 安装调试

4.1 前置放大电路的调试

安装由左到右，前一部分以LM324为中心，后部分以LM386为中心。通电前认真检查，确定无误后，才可调试与测试。

静态调试：调零和消除自激振荡。

动态调试：在语音信号输入端输入电压（输入正弦电压、幅值和频率自选），测量输出电压，观测与记录输出电压与输入电压的波形。计算出其电压放大倍数。 4.2 有源滤波器的调试

静态调试：调零和消除自激振荡。

动态调试：在有源带通滤波器的输入端输入电压（输入正弦电压、幅值和频率自选），测量输出电压，观测与记录输出电压与输入电压的波形。计算出其电压放大倍数。 4.3 功放的调试

静态调试：集成输入对地短路，观察输出有无振荡，如有振荡，采取消除振荡措施消除振荡。

功率参数测试：

注意：测试应在输出信号不失真的条件下进行，因此测试过程必须用示波器监视输出信号。

（1）测量最大输出功率POM.输入f=1000Hz的正弦输入信号，并逐渐加大输入电压幅度，直至输出电压VO的波形出现临界削波时，此时负载两端的电压的最大值UO,则其输出

功率为(9)

（2）测量电源供给的平均功率PV.近似认为电源供给整个电路的功率即为PV，所以在测试UO同时，只要在供电回路传入一直直流电流表提供的平均电流IR,即可求出PV，则其平均功率为8

（3）计算效率?如式10 4.4 系统调节测出直流

经过以上对各级放大电路的局部调试之后，可以逐步扩大到整个系统的联调。 （1）令输入信号ui=0，测量输出的直流输出电压。

（2）输入f=1kHz的正弦信号，改变ui幅值，用示波器观察输出电压uo波形的变化情况，记录输出电压uo最大不失真幅度所对应的输入电压ui的变化范围。

（3）输入ui为一定值的正弦信号，改变输入信号的频率，观察uo的幅值变化情况，记录uo下降到0.707uo之内的频率变化范围，即为有源滤波器的带宽BW。

（4）计算总的电压放大倍数Au?uoui。

5 性能测试

前置放大电路放大倍数的计算,滤波器放大倍数的计算

ui=0.996mv、uo=9.40v、uo'=9.91v

所以前置放大器的放大倍数

AV?UOUi?9.400.996?9.438

滤波器的放大倍数为：

A'V?U?'UO?9.91/9.40?1.05

带通滤波器通频带的测试：

fL=3.18KHz , fH=3.80KHz 滤波器的带宽：

BW=fH-fL=620Hz 理论计算值：

Av=10 A'=1.35 BW=620Hz

v理论值与实际值比较:

表 1真实值与实际值的比较

测试值 理论值 前置放大器的Av 9.438 10 滤波器的Av’ 1.05 1.35 滤波器的带宽BW 620 1300 我们可以从表中可知：

测试值与理论值存在着一定的误差，引起误差的原因有很多： （1）系统误差，有实验仪器自身引起的误差； （2）读数误差，由于读数时的估读引起的误差； （3）由于连接线路时所部的局不好，造成的实验误差；

（4）由于仪器在工作时温度随时间的变化而内阻也随着变化，造成的系统误差； （5）由于人为的操作失误造成的系统误差。

6 设计总结和体会

（1）正所谓“夸夸其谈终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实际、探索是不够的，所以在本学期暨模电、数电刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认知，而且还及时、真正的做到了学以至用。

（2）这两周的课程设计，虽然些许累，但我们充实而快乐。三人一组，首先是合作。明确的分工是做好这次实验的基础，然后我们要分工找查资料，文献去辅助我们的课程设计。接着是在面包板上搭建元器件和线路，由于之前没做过，导致我们的布局线路不美观。以及交错，可能引起自激等效果影响实验。调试阶段，有过元器件损坏等情况。小组讨论以及在马老师的指导下，总算是最后达到了我们计划的设计。

（3）此次的语音放大器实验中，我学会了很多的东西。真的，它不仅仅只是一次简单的模电实验，它从各方面提高了我的素质、知识和动手能力。 此次实验因为时间比较紧张，加上有考试，所以没有太多的精力去投入，我想，假如给我们更多的时间，我们相信会弄的更好。

（4）前置放大电路，由于电路过于简单，不能对电路的整体增益进行合理的调节，而且反馈电路中没有电容，不能控制由于由于电路过于简单，不能对电路的整体增益进行合理的调节，而且反馈电路中没有电容，使得电压稳定性不好，而且进入滤波电路的直流分

量过大，引起噪声过大。

（5）但是反馈电路中没有电容，不能控制温度漂移，两个8.2K的电阻应该换成较大的滑动变阻器，便于调节电路中的电流。

7 实验器材

表 2 实验器材

型号 LM386 μA741 电阻100K 电阻47K 电阻8.2K 电容10uF 电容0.1uF 电容0.068uF 喇叭4W 数量 2 1 2 2 4 3 2 2 1 型号 LM324 电阻4.7K 电阻10K 电阻27K 电阻1Ω 电容470uF 电容1uF 电容0.0068uF 麦克风 数量 1 1 1 2 1 1 3 2 1

参考文献：

[1]刘树林.低频电子线路[M].北京：电子工业出版社，2003: 78-80. [2]杨素行.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005：212-220. [3]成立.电子技术北[M].北京：北京理工出版社，2000 : 91-95. [4]贾书圣.模拟电子线路[M].北京：北京理工大学出版社，1996: 81-86. [5]何小艇.电子系统设计[M].杭州：浙江大学出版社，2004：70-81.

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