基于Simulink的音响放大器仿真研究(毕业设计)

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。
2.1 设计方案
总体设计思路是先整体后局部。按照各级功能及技术指标要求，首先确定整机电路级数及电压赠与分配，而后分别选择，设计格机电路元器件及参数。通常从功放级开始向前逐级设计。根据技术指标要求：音响放大器输入电压（5mV），输出功率 ，由 ，求出 ，取 ，则整体电路电压放大倍数 （增益20lg600，约为55.56dB）。功率级属于大信号出入（100mV以上），其电压放大倍数一般为几十倍。音调级在 =1kHz时，电压放大倍数为1倍（0dB），实际上有衰减，故取0.8倍。混放级和话筒放大级，既要考虑自身的输入信号大小，又要考虑集成运放增益带宽乘积的限制，一般混放级 取几倍，话放级 取10倍左右，各级电压增益分配如图2-1所示
低音频区 ， 开路，当 调至最左端时低频提升最大，其等效电路分别如图2-4（a）和2-4（b）所示。
图2-4（a） 音调控制器低频等效电路（低频衰减）
高音频区 ， 可视为短路，起等效电路图如图2-5所示。图（a）中 ， ， 组成星形连接，图（b）为星形变换为△连接后的等效电路。
电阻关系为
（式2-2）
混响前置放大器的电路由运放UA741CP组成，这是一个反向加法器电路，输出电压 的表达式为
（式2-1）
图2-2 话筒放大器与混合前置放大器电路设计
2.3 音调控制器设计
2.3.1 音调控制器的组成和音调调节的基本原理
根据反馈式音调控制器的框图要求，由RC网络和放大器组成的闭环系统，放大器要求 ， ，所以采用集成运算放大器较好，其电路组成如图2-3所示。
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。
（式2-3）
（式2-4）
图2-4（b） 音调控制器低频等效电路（低频提升）
图2-5（a） 音调控制器高频等效电路（星形等效电路）
图2-5（b） 音调控制器高频等效电路（△形等效电路）
若取 ，则 。当 调至最右端和最左端时，分别对应高频衰减、提升最大的情况。图2-6（a）和2-6（b）分别为其等效电路图，图中因 ， 阻性大，可视为开路。
2.4 功率放大电路设计
由于采用集成功率放大器，电路设计变得十分简单，只要查阅手册便可得到功放块外围电路的元件值。设计如图2-8所示。
图2-8 功率放大器原理图
3.1 集成元算放大器UA741
物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。
或 （式2-15）
其模值
（式2-16）
由式（4）知，当 时，模值为 比中频（ ）下降3dB。当 时，有 ，比中频下降17dB。当 在 和 间变化，因 ，且 ，可近似认为增益以-6dB/otc斜率变化。同理可分析出图2-6（b）中电路的电压放大倍数的模值是将式（4）根号内分子分母调换，其频响曲线对称于水平轴（0dB）上下。且 在 和 间变化时，近似以6dB/oct斜率变化。实际应用是常取 ， , , 分别在 , 间变化时其增益近似按 变化，因此设计时，可近似按 和 考虑。
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。
（式2-10）
当 时， 开路，有 （相当于20dB）（取 ）。当 时， ，比 下降了3dB。而当时，有 ，比中频上升3dB。 在 和 之间变化时其增益近似按-6dB/oct斜率变化。
高频等效电路2-6（a）可分析出电路电压放大倍数的数学表达式为
（式2-11）
其中 （式2-12）
或ห้องสมุดไป่ตู้（式2-13）
（式2-14）
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， 。
图2-3 音调控制和音调调节原理图
图中RC网络由 ～ ， ， ， ～ 组成，通常 ， ， ， 。
2.3.2 音调控制器的基本原理
音调控制器是以中品（1kHz）增益（0dB）为基础，对地音频和高音频区的增益进行提升和衰减。中频 时， ， 相当于短路， 开路， 很大相当于开路，其中频 （相当于0dB）。
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。
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。
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.