1、廣東交通職業技術學院畢 業 論 文（設 計）題目： 卡拉ok仿真系統 系 別： 電子系 專 業： 電子信息工程技術 姓 名： 學 號： 1113232138 指導教師： 日 期： 2013年12月 卡拉ok仿真系統摘要這是一個科學技術極度發展的的時代，這是一個人們生活節奏極度快速的時代。在這個極速的時代人們對音樂的播放和演繹都有了更高的要求，一、希望聲音的放大倍數盡可能的大；二、希望播放音樂的失真度盡可能的小；三、要求聲源的輸入越來越多。例如：一臺普通的功放機至少會有5到7個音頻的輸入接口；四、隨著社會發展的要求，節能環保的提倡，人們對機體本身的功耗要求越來越高，希望功耗盡可能的小；五、為了節

2、省材料，體積越小越好，耗材越少越好。 由于條件的限制我們設計一個兩路音頻的功放，一個供mp3的音頻輸入，還有一個用來供話筒的聲音輸入。這樣就可以做成一個小型的卡拉ok機了。關鍵詞：音頻功率放大器；proteus目 錄一、引言4二、音頻放大器的概述52.1音頻放大電路的回顧52.2音頻功率放大器的介紹62.2.1 a類(甲類)功率放大器62.2.2 b類(乙類)功率放大器62.2.3 ab類(甲乙類)功率放大器62.2.4 c類(丙類)功率放大器72.2.5 d類(丁類)功率放大器72.3放大器的技術指標7三、音頻功率放大器的設計103.1設計方案分析103.2前置放大電路設計103.3二級放大

3、電路設計123.3.1 低通濾波器設計123.3.2 高通濾波器設計143.3.3 二級放大電路電路設計163.4功率放大器設計173.5 直流穩壓電源設計18四、protues的仿真操作簡介204.1 protues的工作界面204.2 protues的仿真工具21五、電路的仿真235.1 前置電路的仿真235.1.1 輸入與輸出分析235.1.2 電路頻率響應特性分析245.2二級放大電路仿真255.2.1電路輸入與輸出分析255.2.2電路頻率響應特性分析265.3 功率放大電路功率仿真275.4 直流穩壓電源仿真285.5音頻功率放大電路仿真和分析295.5.1 電路輸入與輸出分析30

4、5.5.2電路頻率響應特性分析31參考文獻32附 圖33一、引言進入大學后生活條件和周圍的環境都發生了極大的變化，以前在家你可以開著音響大聲的放歌，打開麥克風大聲唱自己喜歡的歌謠。只要自己愿意就可以了，一般不會受限制的。真的是想唱就唱，想聽你就大聲的聽，讓音樂不斷的陶醉吧！上學后呢？我們依然想聽著被大聲播放的音樂，想對著mv唱自己喜歡唱歌曲。但是條件實在是不允許，我們沒有一個播放設備給我們大聲放歌，我們也沒有一個可以支持話筒輸入的設備來供我們唱歌。現在我們都會有一種感覺，沒有音樂的社會就像在地獄一樣，音樂已經是生活的一部分。我們又不可能去買那些很奢侈的東西吧很貴，沒有買的必要。當然我們是學生學

5、習也很重要，聽音樂和唱歌只是一個業余愛好而已。怎樣才能兩全其美呢？那就用自己所學的東西來設計一個卡拉ok機吧！這樣既可以學以致用，又能滿足我們自己的喜好。二、音頻放大器的概述2.1音頻放大電路的回顧音響技術的發展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應管四個階段。1906年美國的德福雷斯特發明了真空三極管，開創了人類電聲技術的先河。1927年貝爾實驗室發明了負反饋nfb（negative feedback）技術后，使音響技術的發展進入了一個嶄新的時代，比較有代表性的如“威廉遜”放大器，而1947年威廉遜先生在一篇設計hi-fi（high fidelity）放大器的文章中介紹了一種成功運用負

6、反饋技術，成為了hi-fi史上一個重要的里程碑。60年代由于晶體管的出現，使功率放大器步入了一個更為廣闊的天地。晶體管放大器細膩動人的音色、較低的失真、較寬的頻響及動態范圍等特點，各種電路也相應產生，如：“otl （output transformer less）” 無輸出放大器、“ocl（output capacitor less）”放大器等。 隨著晶體管制造技術的不斷提高和新技術的應用，各項實用性指標和可靠性指標都有很大改善，并不斷在向更大的輸出功率，更小的體積，更輕的重量，更多的功能和智能化方向發展，如美國crown公司的ma-5000vza功放，其最大輸出功率可達4000w/8，完善的

7、可靠性設計使它在苛刻的環境中可連續工作，使得生產者可作3年免維護的保證；插入可編程的輸入處理模塊usp3；可對12000臺功放的工作狀態進行程控調節和各種參數檢測。各種完善的可靠性保護措施，使它的可靠性大大提高。1983年，m.b.sandler等學者提出了d類放大的pcm（脈碼調制）數字功放的基本結構。美國tripass司設計了改進的d類數字功放，取名為“t”類功。1999年意大利powersoft公司推出了數字功放的商業產品，從此，第4代音頻功率放大器，數字功放進入了工程應用，并獲得了世界同行的認可，市場日益擴大，最終將替代各類模擬功放。2.2音頻功率放大器的介紹按照電流導通角的大小可分為

8、a類(甲類)、ab類(甲乙類)、 b類(乙類)、c類(丙類)和d類(丁類)功率放大器。2.2.1 a類(甲類)功率放大器a類(甲類)功率放大器電流導通角=180，理想效率為50%，一般適用于小信號電壓放大器。a類功率放大器的主要特點是：放大器的工作點q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內，所以瞬態失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。有較大的非線性失真，由于效率比較低 現在設計基本上不在再使用。2.2.2 b類(乙類)功率放大器b類(乙類)功率放大器電流導通角=90，理想效率為78.5%。b類功率放大器的主要特點是：放大器的靜態點在

9、(vcc，0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在vi的正半周期內，一管導通另一管截止，輸出端為正半周正弦波；同理，當vi為負半周期內，輸出端為負半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78.5%)，但是因放大器有一段工作在非線性區域內，故其缺點是交越失真較大。即當信號在-0.6v 0.6v之間時，兩管都無法導通而引起的。2.2.3 ab類(甲乙類)功率放大器ab類(甲乙類)功率放大器電流導通角90180，理想效率為50%78.5%。ab類(甲乙類)放大器，實際上是a類(甲類)和b類(乙類)的結合，每個器件的導通時間在50100之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類

10、放大器的偏置按b類(乙類)設計，然后增加偏置電流，使放大器進入ab類(甲乙類)。ab類功率放大器的好處是：可以避免交越失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。2.2.4 c類(丙類)功率放大器c類(丙類)功率放大器電流導通角78.5%。c類功率放大器的主要特點是：處在c類狀態時，放大器的電流波形有較大的失真，因此只能用調諧回路作為負載，以濾除諧波分量，選出信號基波，從而消除失真。2.2.5 d類(丁類)功率放大器d類(丁類)功率放大器功率管處于開關狀態，理想效率為90%100%。d類(數字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號變換成脈沖信號,然后用脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放

11、大器，也稱為開關放大器。具有效率高的突出優點。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路和低通濾波器等四部分組成。它有以下好處：1 具有很高的效率，通常能夠達到85%以上。2 體積小，可以比模擬的放大電路節省很大的空間。3 低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少，便于設計調試。2.3放大器的技術指標評價一個功放系統或設備是否符合高保真要求，一般應采用主觀聽音評價和客觀指標測試相結合的方式來進行，并以客觀測試指標為主要依據。因為采用儀器測試設備的性能指標能得到很直觀的可供參考比較的定量結果，無疑是最科學而值得信賴的。音頻功放的技術指標，主要包括輸出功率、頻率特性、信噪比、瞬態響應以

12、及非線性失真等。其中，輸出功率、頻率特性等，通常稱為靜態特性指標，它們是用穩態信號測量的。而瞬態特性和非線性失真等，則稱為動態特性指標，它們是用非穩態信號測量確定的。1、 額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數值(r1%)的最大功率稱為額定功率，表達式；po= uo2/rl (2-1)u0為負載兩端的最大不失真電壓，rl為額定負載阻抗。測量條件如下：信號發生器輸出頻率為1khz，電壓u1=20mv正弦信號。功率放大器的輸出端接額定負載電阻rl(代替揚聲器)，輸入端接u1，逐漸增大輸入電壓u1；直到u0的波形剛好不出現諧波失真(r1%)，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓。測量后應迅速減小u1，以

13、免損壞功率放大器。2、 頻率響應音頻功放的頻率特性，是反映它對不同信號頻率放大能力的物理量。通常采用輸出電平隨頻率變化的關系曲線來描述。指的是振幅頻率特性，習慣上稱為幅頻特性或頻率響應(簡稱為頻響)。在說明音頻功放的頻率特性時，有兩點必須明確給出。即：一是有效頻率范圍。頻率范圍，20hz20khz全面反映出該功放的頻率特性指標。對于音頻功放的頻率特性指標而言，其有效頻率范圍越寬，且在該頻率范圍內相對參考電平的不均勻度越小。則說明該音頻功放的頻率特性指標就越好。放大器的電壓增益相對于中音頻fo (1khz)的電壓增益下降3db 時所對應的低音頻率f l和高音頻率f h稱為放大器的頻率響應。3、諧

14、波失真諧波失真是指信號通過音頻設備后，新增加的諧波成分。它是原信號波形中沒有的波形變化，是不希望發生的。其值以新增加的諧波成分的均方根值與原信號電壓的均方根值的百分比來表示即： （2-2）式中 u1 正弦波基波電壓有效值;u2 ,u s. un 2次、3次、n次諧波電壓有效值。諧波失真是電路或器件工作時的非線性引起的。高保真放大器的諧波失真一般應控制在0.05以下，目前許多優秀的放大器失真度均可達到0.01。降低放大器諧波失真度的措施有：施加適量的電壓或電流負反饋。選用ft較高、線性好的放大器件。盡可能提高各級對管參數的一致性或對稱性。采用甲類放大，選用優秀的電路，如雙差分放大、全互補輸出或全

15、對稱等。 4、信號噪聲比 信號噪聲比 (s/n)指信號通過音頻設備后增加的各種噪聲(如低頻呼聲、感應交流聲、嘀嘀聲等)與指定信號電平的db差值，或信號幅度與噪聲幅度之比，其值常用分貝表示，有時也以重放設備輸出的絕對噪聲電壓或電平值來表示，這時標為噪聲電平。現代高保真后級功放的s/n一般能達到90db以上，問題不會很突出。我們知道，多級放大器的s/n主要取決于第一級，故在系統中，我們要著重提高前級或前置放大器的s/n。由于影響s/n的因素很多，提高s/n便顯得很棘手，有時費了九牛二虎之力，能使之提高兩三個db已屆戰果輝煌。而人耳對噪聲又很敏感，所以提高s/n往往成為設計及制作的主攻目標。雖然因素

16、很多，但也不是無章可循，除了器件本身的噪聲以外、放大器噪聲的來源概括起來主要有三個途徑：電源干擾、空間干擾和地線干擾。只要從以下幾個方面人手，s/n一般便可達到令人滿意的水平。適當降低信號源的輸出內阻。合理設定前級或前置放大器的增益，避免使之過大，能滿足系統增益要求略有富余便可，這在業余制作時往往被忽略。使用高性能的穩壓電源供電。各放大級盡可能單獨或并聯供電(即各級電源端經一只隔離電阻直接與電源連接，并加接退耦電容)。嚴格區分模擬地線與數字地線，各級地線分別定線，一點接地。機殼的接地點應通過試驗確定。合理布線、使輸入信號引線盡可能短。超過4cm長的均應使用屏蔽線，屏蔽層單端接地，各電位器、開關

17、外殼也應可接地小信號放大電路板應遠離電源變壓器。三、音頻功率放大器的設計3.1 設計方案分析本次設計的音頻功率放大器分為音頻放大和直流電源兩大部分。可由以下所示框圖實現前置放大器二級放大器功率放大器揚聲器聲源圖3-1 音頻功率放大框圖音頻放大電路的功能是將其他電子設備的音源信號進行放大，然后再經過功率放大，最后去推動揚聲器輸出，簡單說就是一個擴音器變壓器全橋整流電路線性直流穩壓電路電源輸入220v交流穩壓電源輸出圖3-2 直流電源框圖直流電源部分則負責將220v交流電轉換為低壓直流電供放大電路使用，為了減小電源波動引起的噪聲對放大電路的影響，電源部分將采用線性直流穩壓電源。3.2前置放大電路設

18、計聲音源的種類有很多種，如傳聲器（話筒）、電唱機、及線路傳輸等，這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號直接輸入到功率放大器中的話，如輸入過低的信號，功率放大器輸出功率不足，不能充分發揮功放的作用；如輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴重過載失真，這將失去音頻放大的意義。所以一個實用的音頻功率放大系統必須設置前置放大器，以便使放大器適應不同的的輸入信號，使其與功率放大器的輸入靈敏度相匹配。前置放大電路的作用簡單說來就是“緩沖”，將外部輸入的音頻信號進行放大并輸出。本次設計的前置放大電路是一個高輸入阻抗、高共模低

19、抑制比、低漂移的小信號放大電路，設計中將采用op07來設計前置放大電路。對于前置放大電路來說，輸入阻抗越大越好，輸出阻抗越小越好，所以本設計采用反相比例放大器，如圖3-3圖3-3反相比例放大器輸出電壓 u0=-if rf （3-1）而 if=i1= （3-2）最后得出 auf= （3-3）輸入電阻為 rif=r1 （3-4）輸出電阻為 r0=0 （3-5）平衡電阻為 r2=r1rf （3-6）若設計一個放大倍數為10倍的前置放大電路，輸入電阻 r1將采用10k的電阻，希望達到的放大倍數為10倍。則根據公式，負反饋rf將采用100k的電阻。因為r2=r1rf ，且r10.08uf。設計中電容采用

20、0.082uf的電容。設計出電路圖如圖3-6圖3-6 低通濾波器則圖3-6中電壓放大倍數為 (3-15)rad/s (3-16)3.3.2 高通濾波器設計高通濾波器是容許高頻信號通過、但減弱（或減少）頻率低于截止頻率信號通過的濾波器。對于不同濾波器而言,每個頻率的信號的減弱程度不同。它有時被稱為低頻剪切濾波器；在音頻應用中也使用低音消除濾波器或者噪聲濾波器。高通濾波器與低通濾波器特性恰恰相反。典型的一階有源高通濾波器如圖3-7圖3-7（a）反相輸入高通濾波器 （b）同相輸入高通濾波器設計中采用集成運放高通濾波器的同相輸入接法其中傳遞函數 (3-17)在理想特性下通帶電壓放大倍數 (3-18)通

21、帶截止角頻率 (3-19)若設計一個放大倍數為3倍的高通濾波器，則設計中負反饋選擇20k電阻，為了達到3倍的放大倍數，電阻r1和r選擇10k電阻。因為人可以聽到的聲音范圍為20hz20khz,則 （3-20） rad/s (3-21)由于r選擇10k電阻，則c0.8uf。設計中電容采用0.75uf的電容。設計出電路圖如圖3-8圖3-8 高通濾波器則圖中電壓放大倍數為 (3-22)133 rad/s (3-23)3.3.3 二級放大電路電路設計將低通濾波器和高通濾波器相連接，則形成如下二級電路：圖3-9 二級放大電路電路圖則圖3-9中實際通帶電壓放大倍數為au=au低通au高通=9 (3-24)

22、由 （3-25）可知該二級電路的通帶頻率約為21.2hz19.4khz。3.4功率放大器設計功率放大器的作用是給音響放大器的負載提供所需要的輸出功率。功率放大器的主要性能指標有最大輸出不失真功率、失真度、信噪比、頻率響應和效率。目前常見的電路結構有otl型、ocl型。有全部采用分立元件晶體管組成的功率放大器；也有采用集成運算放大器和大功率晶體管構成的功率放大器；隨著集成電路的發展，全集成功率放大器應用越來越多。由于集成功率放大器使用和調試方便、體積小、重量輕、成本低、溫度穩定性好，功耗低，電源利用率高，失真小，具有過流保護、過熱保護、過壓保護及自啟動、消噪等功能，所以使用非常廣泛。本次設計將采

23、用正向比例運算放大器連接ocl互補對稱電路，使輸入信號功率放大。正向比例運算放大器負反饋使用可調電阻，使放大功率可調。喇叭使用8的喇叭，互補對稱電路用15直流電源供電。可估算ocl電路輸出功率為w (3-26)圖3-10 集成運放ocl電路其中d1、d2用于消除交越失真。反相比例運算放大器放大倍數為15倍。3.5 直流穩壓電源設計由于本次設計全部采用15v直流電源，則必須設計一個直流穩壓電源，將220v的交流電源經過降壓和穩壓之后成為穩定的15v直流電源。直流穩壓電源設計思路如以下框圖降壓整流穩壓圖3-11 直流電源框圖因為本設計需要對稱的雙電源，因此必須選擇次級有三端抽頭的變壓器，經全橋電路

24、整流和電容濾波后，輸出對稱的正負電源。要構成線性直流穩壓電源，最簡單的方法就是采用三端集成穩壓器。這種集成電路塊內部完整地集成了采樣電路、比較放大、調整電路、保護電路和啟動電路等功能，但是外部引腳只有三個端口，分別接輸入電源、地，另一個端口輸出，其使用十分簡單，只要將三個端口按規定接入電路就可以使用。由于需要15v直流電源，則集成三端穩壓電源模采用7815 和 7915為負三端穩壓，7815為正三端穩壓。直流穩壓電源的設計圖如下圖3-12 直流穩壓電源圖中可看出220v的交流電源經變壓器（tr1）降壓后，經過由d1、d2、d3和d4組成的全橋整流電路輸出直流，再由穩壓電路輸出穩定的直流，提供給

25、放大電路使用。圖中c1、c2、c3和c4都為濾波電容。四、proteus的仿真操作簡介設計中采用proteus仿真軟件對電路各部分進行仿真。proteus不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。proteus isis是英國labcenter公司開發的電路分析與實物仿真軟件。它運行于windows 操作系統上，可以仿真、分析(spice)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是： (1)實現了單片機仿真和spice電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、rs232 動態仿真、i2c 調試

26、器、spi 調試器、鍵盤和 lcd 系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。 (2)支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051 系列、avr 系列、pic12 系列、pic16 系列、pic18 系列、z80系列、hc11系列以及各種外圍芯片。 (3)提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境。(4)具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和spice 分析于一身的仿真軟件，功

27、能極其強大。本章介紹 proteus isis 軟件的工作環境和一些基本操作。4.1 proteus的工作界面proteus isis的工作界面是一種標準的windows界面，如圖所示。包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態欄、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。圖4-1 proteus isis的工作界面4.2 proteus的仿真工具在proteus中的仿真主要使用到以下五種工具：圖4-2 仿真使用到的工具其中虛擬信號時仿真是輸入的信號，如模擬信號、數字信號等。電壓探針和電流探針是在所要測量的地方插入一個探針，測量該探針

28、的電壓或電流。具體使用方法如圖4-3虛擬儀器是測量時所要使用的虛擬的儀器，具體儀器如圖4-3圖4-3 虛擬儀器曲線圖表是根據所插入的探針而生成的曲線圖，可生成的曲線圖表有以下幾種：圖4-4 曲線圖表設計中輸入信號使用模擬信號，用電壓探針和電流探針生成曲線圖表，從而進行輸入、輸出分析、頻率響應分析、噪聲分析和傅里葉分析。五、電路的仿真5.1 前置電路的仿真在前置放大電路的輸入端輸入10mv的正弦信號，在輸出段插入電壓探頭，分別對電路進行輸入、輸出分析和頻率響應分析。圖5-1 前置放大電路5.1.1 輸入與輸出分析圖5-2 前置放大電路輸入和輸出分析圖圖中知輸出信號與輸入信號反相，當系統的輸入信號

29、電壓值為-10mv，輸出信號對應電壓值為103mv，放大倍數約為10，與前置放大電路的計算值100/10=10（倍）相符。5.1.2 電路頻率響應特性分析圖5-3 前置放大電路頻率響應特性分析圖（1）圖5-4 前置放大電路頻率響應特性分析圖（2）系統的最大頻率增益為20db，則下降3db可知截止頻率為55.6khz。系統通帶頻率范圍為10hz55.6khz。5.2二級放大電路仿真在二級放大電路的輸入端輸入10mv的正弦信號，在輸出段插入電壓探頭，分別對電路進行輸入、輸出分析和頻率響應分析。圖5-5 二級放大電路5.2.1電路輸入與輸出分析圖5-6 二級放大電路輸入和輸出分析圖由圖可知電路對輸入信號進行了同相放大，放大倍數約為88.0/1088。5.2.2電路頻率響應特性分析圖5-7 二級放大電路頻率響應分析圖（1）圖5-8 二級放大電路頻率響應分析圖（2）圖5-9 二級放大電路頻率響應分析圖（3）由圖可知系統的最大頻率增益為19.1db, 則下降3db