基于Simulink的音响放大器仿真研究
基于Simulink的锁相放大器微弱信号检测仿真分析
基于Simulink的锁相放大器微弱信号检测仿真分析作者：赵淑平来源：《数字技术与应用》2012年第11期摘要：介绍了锁相放大器检测微弱信号的原理，并用Simulink对其进行了仿真实现，分析了白噪声及谐波噪声对信号的影响，从提高输出信噪比的角度对检测参数设置进行了分析，为锁相放大器的设计提供了参考依据。
关键词：锁相放大器微弱信号检测 Simulink 信噪比中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0051-031、引言微弱信号检测技术是利用一系列信号处理方法，来提取和测量强噪声背景下的微弱信号，从而提高检测系统输出信号的信噪比，需要研究噪声幅度、频率、相位等的规律，同时分析信号频谱、相干性等特点[1]。
锁相放大器（Lock-inAmplifier，LIA）在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，它利用互相关检测原理，将待测信号和参考信号在相关器中实现互相关，实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用[2，3]。
2、锁相放大器检测微弱信号的原理2.1相关接收锁相放大器采用互相关接收技术，使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。
在相关接收中，可以把两个接收信号函数和以的相关函数表示为：（1）其物理意义为，两个信号相乘对时间再对事件取平均值，为两信号间的延迟时间。
因为接收的信号中包含有用信号成分以及噪声成分，那不妨设上述两个信号可以表示成：，。
所以式（1）可以表示成：最后可以简化为：（2）其中，，，分别为信号对信号、信号对噪声、噪声对噪声的相关函数。
由于噪声和信号是相互独立的，噪声之间也是相互独立的，则有，，，因此式（2）可以化简为：（3）上式的物理意义为：两个有用信号都是和噪声混在一起的，但总的相关函数却等于两个有用信号的相关函数，即表示通过相关器（乘法器）之后可以把噪声滤去。
2.2锁相放大器的原理正交矢量型锁相放大器实现的结构原理图如图1所示。
基于Simulink数字音效的研究
TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目：基于Simulink数字音效的研究目录摘要 (V)ABSTRACT (VII)第1章绪论............................................................ - 1 - 1.1背景 (1)1.2M ATLAB及S IMULINK基础 (1)1.2.1 Matlab介绍.................................................... - 2 -1.2.2 Simulink基础知识简介.......................................... - 2 - 1.3本文概要.. (4)第2章数字滤波与音效.................................................. - 7 - 2.1数字滤波简介. (7)2.2数字滤波器工作原理 (7)2.3数字滤波的数学模型 (8)2.3.1 直接卷积滤波.................................................. - 9 -2.3.2 递归滤波...................................................... - 9 - 2.4滤波计算的两个问题 (10)2.4.1 数组越界问题................................................. - 10 -2.4.2 溢出问题..................................................... - 10 - 2.5IIR滤波器与FIR滤波器 (10)2.5.1 IIR与FIR滤波器的设计........................................ - 10 -2.5.2 FIR与IIR滤波器的比较与选择.................................. - 13 - 2.6M ATLAB下滤波器的实现.. (13)2.6.1 通过编程实现................................................. - 13 -2.6.2 滤波器通过Simulink来实现.................................... - 16 - 第3章音效仿真与分析................................................. - 19 - 3.1均衡器 (19)3.1.1 均衡器简介................................................... - 19 -3.1.2 通常所见的均衡器............................................. - 19 -3.1.3 均衡器的作用................................................. - 19 -3.1.4 均衡器的设计................................................. - 20 -3.1.5 在Simulink下均衡器的实现.................................... - 21 - 3.2延时器 (22)3.2.1 延时器简介................................................... - 22 -3.2.2 延迟器的用途................................................. - 22 -3.2.3 Simulink下延时的实现......................................... - 24 - 3.3混响器简介.. (24)3.3.1 混响器的类型................................................. - 25 -3.3.2 混响器的技术指标............................................. - 26 -3.3.3 混响器特点................................................... - 26 -3.3.4 混响器的作用................................................. - 26 -3.3.5 最佳混响时间................................................. - 27 -3.3.6 混响时间的主观评价方法....................................... - 27 -3.3.7 数字混响器的工作原理......................................... - 27 - 第4章仿真结果与分析................................................. - 29 - 4.1音效仿真. (29)4.2回声 (30)4.3合唱 (30)4.4混响 (32)4.5均衡器结果分析 (33)4.6总结 (37)第5章总结与展望. .................................................... - 39 - 5.1总结.. (39)5.2DSP技术展望 (39)参考文献............................................................... - 41 - 致谢................................................................... - 43 -附录................................................................... - 45 -基于Simulink的数字音效研究摘要众所周知，人们在音乐场聆听的是原汁原味的音乐，但是将音乐场的音乐录下来重放的时候，扬声器会产生与频率有关的相位移，这是由于扬声器音圈有电感以及其移动部分产生的电磁感应，随着频率信号的增加会产生很大的感抗，结果高频波被延迟，发出的声音中携带的高次谐波倍延迟，尽管其声学频谱和电信号频谱完全相同，但这种听起来让人感觉缺失高频成分，不清晰，变的虚渺和浑浊声音好像被捂住了，为了恢复其清晰度和分辨率，通常用音调控制电路或均衡器来增强某些频率部分，这样听起来会好一些。
基于Simulink大功率电子管放大器仿真
０ ９ ５ １ ０ ４ １
强
激
光
与
粒
子
束
２ 恒流曲线分析及建模
２． １ 电子管放大器恒流特性曲线仿真模型的建立 从曲线上找到适合的阳极 、 栅极电压及相应的 电子管放大器常规设计方法是根据电子管的恒流特性曲线 ， 脉冲电流 ， 根据脉冲余弦分解系数计算出各极直流分量 及 基波 电流 ， 从而算出 各极 输 入 功 率 、 输出功率和效率 等参量 。 这种设计过程往往需要进行大量重复的计算直至找到最佳工作状态 ， 而对工作曲 线进行 Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ建 即从恒流特性曲线出发 ， 省去中间计算过程 ， 又结合实际测试数据 ， 结果更真实 ， 覆盖点更全面 ， 利于最佳工 模， 作点的探寻 。 帘 ６ １ ６ Ｖ ４电子管放大器的恒流曲线图（ 图 ２ 是 ４ 栅电压固定为 １ 。 每条实曲线表 示 在 特定 阳极 ８ ０ ０Ｖ） 电流的条件下 ， 栅极电压与阳极电压的关系 ， 当选定阳 阴极电子受栅极调制 ， 在阳极激发出振荡电 极电压时 ， 压， 导致阳极电压下 降 ， 此 降 低 的 电 压 称 为 剩 余 电 压， 其中 犞ａ 犞ａ 犈ａ－犝ａ， 犈ａ 为阳极电压 ， 犝ａ ｄ＝ ｄ为剩余电压 ， 为振荡电压 。 当阳极 电 流 恒 定 时 ， 阳极剩余电压与栅 在此区域内选取合适的阳极 极电压呈近似线性关 系 ， 可 拟 合 电 子 四 极 管 阳 极 剩 余 电 压， 阳极电 剩余电压 ， 栅极电压的关系 曲 线 ， 建 立 合 理 的 函 数 关 系， 长短 流， 虚线分别表示栅极电流和帘栅极电流 。
７ 卷第 ９ 期 第２ 年９月 ２ ０ １ ５
强
激
光
与
粒
子
束
Ｈ Ｉ ＧＨ Ｐ ＯＷＥ ＲＬ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＡＮ ＤＰ Ａ Ｒ Ｔ Ｉ Ｃ Ｌ ＥＢ Ｅ ＡＭＳ
基于Multisim的音频放大器设计与仿真
河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｅ ｂ ｅ ｉ Ｓ ｏ ｔｗａ ｆ ｒ ｅ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ
Ｖ ｏ ｌ ＿ ｌ ６ Ｎｏ ． ４
Ｄｅ ｃ ． ２ ０１ ４
扬声 器
音 源信 号输
图 ｌ 音 频 放 大 器 电路 结 构 图
总体 电路 设计 见 图 ２ 。
３ 功能模块 的设计 要求
３ ． １ 前 置 放大 器 电路
信号 功率放 大器是 “ 不理睬” 的， 所 以常常在功率 放大器之前增加一级或多级前置放大器 ， 将小信 号 的幅度放大到适合的范围 ， 再 由功率放大器进
１ 设 计 要 求
（ １ ） 具有 音 量调 节 的功能 ；
（ ２ ） 每个 声 道具有 １ ０ Ｗ 的功率 放大 ； （ ３ ） 双 电源供 电。
０ 引 言
音 频 放 大器 是模 拟 电路 中一 个 典 型 的综 合性
设计题 目， 它 包 含 了 功 率放 大器 、 前置放大器 、 电
பைடு நூலகம்
的微弱信号通过前置放大器进行 电压放大 ， 并应 保证失真系数尽可能小 ， 音 源的信号经过前置放
大 器 后 即 进 入 功 率 放 大器 中进 行 能量 的提 升 ， 以 便 驱 动 扬 声 器 工 作 还 原 为声 音 信 号 ［ ４ １ 。 该 电 路 主
要由三部分组成 ， 图ｌ 为其结构框图。
也可 对 电路实现设 计与仿 真 ， 结 果表 明 ： 该 方 法 通 过 实 际 应 用。 具有效率高 、 成 本低 、 可 行 性 强 的特 点 。 关键词 ： 音频放 大器； Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｓ ｉ ｍ仿真 ； 分 析 方 法 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９ 文献 标 志 码 ： Ａ
基于Multisim的实用低频功率放大器仿真设计
因为开关的K2的闭合和断开，有两种情况下，下面分别对应其断开和闭合两种情况对电路参数进行确定。
因为当输入信号在40—700nV时，K2断开，要求20 lgA≥16dB
有
若取
则可得：
取标称值为
又因为当输入在5~40mV时，开关闭合，要求：
故：
取标称值470Ω。最后经过核算，能够达到设计要求。
综合以上4种情况，可以得到图2.3.2所示的反馈式音调控制电路，图中RW2为低音调节，RW1为高音调节，为了使电路得到较满意的效果，C3、C2容量要适当，其容抗和有关电阻相比在低频时要够大，在中高频时要足够小，而C3的容抗选择是在低、中频时足够大，而在高频时要足够小，就是说C1、C2只让中、高音信号通过不让低音信号通过，而C3只在电路设计时时常设：
输入级输出为：
考虑到时题目所给的正弦信号入电压幅度范围很宽，为了均衡放大并使大多数类型的音源处于低噪声工作状态，所以前置放大级的电压增益分成两档，用开关K2控制。
当开关K2断开时，要求电路增益大于16dB，用于放大V1为40-700mV时的信号，当K2闭合时，电路增益大于35 dB，用于放大V1为5-40mV时的信号，故得电路2.2.2。
由于本设计不是对单一信号频率实施放大，而是对一个输入电压变化幅度大（5~700mV），频带范围宽（50~10000Hz ）的频带信号实施功率放大，所以不能只从简单的功率放大上考虑。至少应从以下几方面作较为全面的考虑：
1，解决本设计的电路对信号源，尤其是信号幅度小的影响。
2, 要求对整个频带内不同频率范围i，不同电压幅值信号都能均匀放大。
因此，所设计的低频功率放大电路，既能有效实现隔离，完成电路阻抗匹配，又能在一个频率范围内进行信号均衡放大的实用性电路。
基于Multisim的音频功率放大器设计与仿真
信息工程学院课程设计报告书题目: 基于Multisimde 音频功率放大器设计与仿真课程：电子线路课程设计专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：2015 年 1 月 3 日信息工程学院课程设计任务书信息工程学院课程设计成绩评定表摘要TDA2030功率放大电路具有失真小、功率大、所需元件少、制作简单、效果良好等优点，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或MP4等小型功放再合适不过，本论文便是用TDA2030来制作音频功率放大器原件。
高效率的音频功率放大器不仅仅是在便携式设备中需要，在大功率的设备中也占有较大的比重。
随着人们居住条件的改善，高保真音响设备和高档的家庭影院也逐渐兴起。
音频功率放大器在这些设备中起到了很重要的作用。
关键字：TDA2030功率放大电路、音频功率放大器、高效率AbstractTDA2030 power amplifier circuit with small distortion, high power, which needs few components, simple fabrication, the advantages of good effect, can use it to make power computer amplifying part or MP4 small power is again appropriate however, this thesis is to make use of TDA2030 audio poweramplifier original. Audio power amplifier with high efficiency is not only the need in portable devices, also account for a large proportion in high power devices. With the development of people's living conditions improve, high fidelity audio equipment and high-end home theater also gradually on the rise. Audio poweramplifier plays a very important role in these devices.Keywords: TDA2030 power amplifier circuit, audio power amplifier, high efficiency目录1前言 (1)1.1音频放大器的发展 (1)1.2 音频放大器设计背景 (1)1.3 音频放大器设计意义 (1)2任务与条件 (3)2.1初始条件 (3)2.2要求完成的主要任务 (3)2.3设计方案 (3)3选择器件与参数运算 (4)3.1运放NE5532介绍 (4)3.2 TDA 2030介绍 (5)3.3功率计算 (6)4单元电路设计 (7)4.1主电源电路 (7)4.2调音电路 (7)4.3功率放大电路 (8)5电路设计仿真 (10)5.1仿真电路图 (10)5.2仿真结果 (10)总结 (12)参考文献 (13)1前言1.1音频放大器的发展上个世纪80 年代以前，输出功率仅几瓦的声频功率放大器都要采用分立元件来制作。
基于Simulink的音响放大器仿真研究(毕业设计)
图2-6（b） 高频调节等效电路（高频提升）
图2-7（a）反馈式音调控制器框图
图2-7（b） 反馈式音调控制频响曲线示意图
低频等效电路图2-4（a）中电路电压放大配属的数学表达式为
（式2-5）
其中 （式2-6）
或 （式2-7）
=2π =（ ）/（ ）或 =（ ）/（2π ）
音箱是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。有源音箱就是带有功率放大器(即功放)的音箱系统。把功率放大器和扬声器发声系统做成一体，可直接与一般的音源(如随身听、CD机、影碟机、录像机等)搭配，构成一套完整的音响组合。本文阐述了通过Matlab/Simulink仿真，利用UA741运算放大器以及功率放大器LA4102所组成的音响放大电路实现对话筒输入信号以及拾音信号进行放大的功能，为我们了解信号的放大原理以及强化对芯片的理解和应用提供便利。
RC网络各元件参数选择，首先根据音调控制特性要求，已知 和 处的增益及调节范围，求出 和 。
（式2-16）
（式2-16）
（式2-16）
（式2-16）
再由音调控制器电压放大配属模值要满足
（式2-16）
并综合考虑各电阻的选取原则综合考虑，一般 ， ， 取几至几十千欧， 取及至几百千欧，取 （或 ），则 选 （或 ）。 取 。因 ， ，选 ， ，选 。集成运算放大器选择高输入阻抗、低输出阻抗，考虑到到话放级、混放级，为减少种类和数量，选集成运放芯片UA741。因为采用单电源供电，所以要设置偏置电阻， 。
话放级 混放级 音调级 功放级
5mV 50mV 150mV 120mV =3V
20dB 9.5dB -2dB 28dB
利用Multisim10.0对OTL音频功率放大器进行仿真实验
ｉ 应 用 ，其 对 于 硬件 电路 设 计 有 着 极 为 重 要
： ：
一 Ｖ ｐ ｓ ｉ ｎ Ｊ —
Ｔ ： 仅 有
，
避免交越失真现象的发生 ，其输 出功率也有所 增加， 电源 电流变大 。另外 ，在输 出电压为达 到 电源 电压时，功率放大器效率已 ％。
大器 电路 的仿真结果 进行分析 ，结果显示 ＡＢ 类功率放大器能够将 Ｖ ４ 、Ｖｓ 电压改为 Ｏ ・ ７ ５ Ｖ，
， 、
｛ 功率放大器 实验结构不够理想 ，这在很 大 上是 由于 电路 性能参数误差及 电路参数选
间管耗计算公式为：
； 当造成的。当前，Ｍｕ ｈ ｉ ｓ ｉ ｍｌ ０ ． ０仿真软件 ｐ ｎ 。 ｅ ｚ ｉ ｃ ２
半周导通 ，平均管耗计算公式为
一
．
：
｝ 导作用。
时，
２ 丌． Ｉ ｏ ‘‘
积 ４ ，当
Ｉ ｔ ＂
２仿真实验 Ｍｕ １ ｔ ｉ ｓ ｉ ｍ １ ０ ｏ仿 真 软 件对 Ｏ Ｔ Ｌ音频 功 率
．
ｌ Ｔ Ｌ 音频 功率放大器 电性 能理论推导 分
【 ｍ ａ ｘ Ｊ ｝ ， 输出 最 大 功 率 （ ～ ） ￣ ｃ ｃ ， 放 大 器 性 能 的 实 验 仿 真 电 路 如 图Ｉ 所 示 ， 在
上 述推 导并 未考 虑 Ｂ类放 大 电路 受功 能 如 图 ３所 示， 当 处 于 ４ ０ Ｈ ｚ ￣ １ ・ ４ ５ ＭＨ ｚ的 条 件
下 ，通 频 带 能 够 通 过 增 大 电路 中 的 电 容值 延 伸
ｆ 形则 与之相 反 ，可 以得 出负载 Ｒ Ｔ电压：
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1.1 原理简述
音响设备是使用广泛的电子产品，其中的电路就是音响放大器。尽管由于功能和性能的不同，电路的结构有多所不同，但基本组成相同，图1-1是其原理框图
图1-1 原理框图
话筒（MIC）将声音变成电信号，该信号很弱（约为几毫伏）需要经过放大器放大到数十毫伏。拾音（Line In，从收录机、电唱机等取出）信号，一般该信号较大（50～100mV）。可直接和被放大了的话筒信号一同进入混合放大器，经放大后输入音调控制器，根据人们对不同音调的要求进行调剂，一得到不同的频响增益，经功率放大后送给扬声器。
摘
音箱是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。有源音箱就是带有功率放大器(即功放)的音箱系统。把功率放大器和扬声器发声系统做成一体，可直接与一般的音源(如随身听、CD机、影碟机、录像机等)搭配，构成一套完整的音响组合。本文阐述了通过Matlab/Siห้องสมุดไป่ตู้ulink仿真，利用UA741运算放大器以及功率放大器LA4102所组成的音响放大电路实现对话筒输入信号以及拾音信号进行放大的功能，为我们了解信号的放大原理以及强化对芯片的理解和应用提供便利。
关键词：有源音箱、功率放大器、扬声器、Matlab/Simulink、UA741、LA4102、话筒
Speaker is the sound signals into electrical signals to restore a device to restore the authenticity of the performance as an important criterion for evaluation of speakers. Active Speaker is with a power amplifier (or amp) and speaker system. The power amplifier and speaker sound system, made one, directly with the general source (such as Walkman, CD, DVD player, VCR, etc.) with, constitute a complete set of sound combinations.This paper elaborate the theory simulation though Matlab/Simulink,use the circuit formed by operational amplifier UA741 and power amplifier LA4102 to realization the function that amplification the microphone input signal and the pickup signal. Provide convenient for us understanding the principle of signal amplification and strengthen our understanding and uds about the chips.
音响系统中用来放大音频信号的放大器又叫扩音机，人们习惯地称之为“功放”（有些并不是单纯的功率放大器）。放大器有多种多样的电路结构，但就音质效果而言，广泛使用的晶体管，集成电路放大器要达到电子管放大器同样水平，需要增加多个附属电路和实施多个技术措施。因晶体管功放电路结构简单，工作电压低和集成电路的集成度高，外围电路少，所以仍然是放大器的主流。
Key words:Active Speaker、Power Amplifier、Speaker Sound、Matlab/Simulink、UA741、LA4102、Microphone
我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，这属于低频范围，对于幅度信号很小的音频比如说驻极体话筒输出的信号只有几mv，我们需要对它进行电压放大和功率放大才能变成我们需要的可以驱动扬声器发出声音的大信号，为了更好的了解这一原理及放大过程，我们进行了此次课程设计，下面首先对电压放大器的概念进行一下说明，因为它是功率放大的基础。电压放大器是应用最为广泛的一种放大器。我们称输入阻抗无限大，输出阻抗无限小，输出电压与输入电压成固定比例的放大器为理想电压放大器，现实中理想电压放大器并不存在，从理论上可以证明满足环路反馈深度无限大，反馈响应速度无限快的放大器是理想电压放大器，这是应该记住的两个重要的条件。由于现实的放大器件都不是理想的线性器件，所以实际应用中采用深度环路负反馈是得到近似理想放大器的重要方法，由运放构成的线性放大器电路就是这种应用的实例。
1.2 音响放大器的基本组成
音响放大器由话筒（MIC）、拾音装置（Line In）、话筒放大器、混合前置放大器、音调控制器、功率放大器和扬声器组成，如图1-1所示。
1.3 各部分电路的作用
1.3.1 话筒放大器
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到 (亦有低输出阻抗的话筒如 ， 等)，所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号(最高频率达到10kHz)，为适应多种话筒，应选用高输入阻抗的集成运算放大器，并采用同相端输入。
1.3.2 混合前置放大器
混合放大器放大的对象时两路信号，采用加法运算的形式，根据他们新阿红的大小，分别采用不同的比例系数。混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大。
1.3.3 音调控制器
音调控制器的目的是调节一相放大器的频率响应，以满足人们对音调的不同要求。常用的有衰减式、反馈式、图解式，其中反馈式因为调节方便，原件较少，在中、小功率的收录机中得到广泛应用。
1.3.4 功率放大器
功率放大器给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能大。功率放大器有常见的单电源供电的TTL电路和正负双电源供电的OCL电路。有集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。在此设计制作中采用LA4102型集成音频功率放大器。