1、 广东交通职业技术学院 毕 业 论 文（设 计） 题目： 卡拉 OK仿真系统 系 别： 电子系 专 业： 电子信息工程 技术 姓 名： 学 号： 1113232138 指导教师： 日 期： 2013年 12月 卡拉 OK 仿真系统 摘要 这是一个科学技术极度发展的的时代， 这是一个人们生活节奏极度快速的时代。在这个极速的时代人们对音乐的播放和演绎都有了更高的要求，一、希望声音的放大倍数尽可能的大；二、希望播放音乐的失真度尽可能的小；三、要求声源的输入越来越多。例如：一台普通的功放机至少会有 5到 7个音频的输入接口；四、随着社会发展的要求，节能环保的提倡，人们对机体本身的功耗要求越来越高，希望
2、功耗尽可能的小；五、为了节省材料，体积越小越好，耗材越少越好。 由于条件的限制我们设计一个两路音频的功放，一个供 MP3 的音频输入，还有一个用来供话筒的声音输入。这样就可以做成一个小型的卡拉 OK机了。 关键词： 音频 功率放大器 ； Proteus3 目 录 一、引言 . 4 二、音频放大器的概述 . 6 2.1 音频放大电路的回顾 . 6 2.2 音频功率放大器的介绍 . 6 2.2.1 A 类 (甲类 )功率放大器 . 7 2.2.2 B 类 (乙类 )功率放大器 . 7 2.2.3 AB 类 (甲乙类 )功率放大器 . 7 2.2.4 C 类 (丙 类 )功率放大器 . 7 2.2.
3、5 D 类 (丁 类 )功率放大器 . 8 2.3 放大器的技术指标 . 8 三、音频功率放大器的设计 . 11 3.1 设计方案分析 . 11 3.2 前置放大电路设计 . 11 3.3 二级放大电路设计 . 13 3.3.1 低通滤波器设计 . 13 3.3.2 高通滤波器设计 . 15 3.3.3 二级放大电路电路设计 . 17 3.4 功率放大器设计 . 17 3.5 直流稳压电源设计 . 18 四、 Protues 的仿真操作简介 . 20 4.1 protues 的工作界面 . 20 4.2 protues 的仿真工具 . 21 五、电路的仿真 . 23 5.1 前置电路的仿真 .
4、 23 5.1.1 输入与输出分析 . 23 5.1.2 电路频率响应特性分析 . 24 5.2 二级放大电路仿真 . 24 5.2.1 电路输入与输出分析 . 25 4 5.2.2 电路频率响应特性分析 . 26 5.3 功率放大电路功率仿真 . 27 5.4 直流稳压电源仿真 . 29 5.5 音频功率放大电路仿真和分析 . 29 5.5.1 电路输入与输出分析 . 30 5.5.2 电路频率响应特性分析 . 30 参考文献 . 32 附 图 . 32 5 一、引言 进入大学后生活条件和周围的环境都发生了极大的变化，以前在家你可以开着音响大声的放歌，打开麦克风大声唱自己喜欢的歌谣。只要自己
5、愿意就可以了，一般不会受限制的。真的是想唱就唱，想听你就大声的听，让音乐不断的陶醉吧！上学后呢？我们依然想听着被大声播放的音乐，想对着 MV 唱自己喜欢唱歌曲。但是条件实在是不允许，我们没有一个播放设备给我们大声放歌，我们也没有一个可以支持话筒输入的设备来供 我们唱歌。现在我们都会有一种感觉，没有音乐的社会就像在地狱一样，音乐已经是生活的一部分。我们又不可能去买那些很奢侈的东西吧 很贵，没有买的必要。 当然我们是学生学习也很重要，听音乐和唱歌只是一个业余爱好而已。怎样才能两全其美呢？那就用自己所学的东西来设计一个卡拉 OK 机吧！这样既可以学以致用，又能满足我们自己的喜好。 6 二、 音频放大
6、器的概述 2.1 音频放大电路的回顾 音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906年美国的德福雷斯特发明了真空三 极管，开创了人类电声技术的先河。1927 年贝尔实验室发明了负反馈 NFB（ Negative feedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如 “ 威廉逊 ” 放大器，而 1947年威廉逊先生在一篇设计 hi-fi（ High Fidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为 了 hi-fi史上一个重要的里程碑。 60 年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。晶体管放大器细腻
7、动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如： “OTL （ Output Transformer Less） ” 无输出放大器、“OCL （ Output Capacitor Less） ” 放大器等。 随着晶体管制造技术的不断提高和新技术的应用，各项实用性指标和可靠性指标都有很大改善，并不断在向更大的输出功率，更小的体积，更轻的重量，更多的功能和智能化方向发展，如美国 CROWN 公司的 MA-5000VZA 功放，其最大输出功率可达 4000W/8，完善的可靠性设计使它在苛刻的环境中可连续工作，使得生产者可作 3年免维护的保证；插入可编程的输入处理模块 US
8、P3；可对 12000台 功放的工作状态进行程控调节和各种参数检测。各种完善的可靠性保护措施，使它的可靠性大大提高。 1983年， M.B.Sandler 等学者提出了 D 类放大的 PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。美国 Tripass 司设计了改进的 D 类数字功放，取名为 “T” 类功 。1999 年意大利 POWERSOFT 公司推出了数字功放的商业产品，从此，第 4 代音频功率放大器，数字功放进入了工程应用，并获得了世界同行的认可，市场日益扩大，最终将替代各类模拟功放 。 2.2 音频功率放大器的介绍 按照电流导通角的大小可分为 A类 (甲类 )、 AB类 (甲乙类 )、 B 类
9、 (乙类 )、 C类 (丙类 )和 D类 (丁类 )功率放大器。 7 2.2.1 A 类 (甲类 )功率放大器 A 类 (甲类 )功率放大器电流导通角 =180，理想效率为 50%，一般适用于小信号电压放大器。 A类 功率 放大器的主要特点是：放大器的工作点 Q设定在负载线的中点附近，晶体管 在输入信号的整个周期内均导通。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便 。有较大的 非线性失真 ，由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用 。 2.2.2 B 类 (乙类 )功率放大器 B类 (乙 类 )功率放大器电流导通角 =90，理想效率为 78.5%。 B
10、类 功率 放大器的主要特点是：放大器的静态点在 (VCC， 0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在 Vi的正半周期内， 一管 导通 另一管 截止，输出端 为 正半周正弦波；同理，当 Vi为负半周期内 ， 输出端 为负 半波正 弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高 (78.5%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是 “交越失真 “较大。即当信号在 -0.6V 0.6V之间时， 两管 都无法导通而引起的。 2.2.3 AB 类 (甲乙类 )功率放大器 AB 类 (甲乙类 )功率放大器电流导通角 90 78.5%。 C类 功率 放大器的主要特点是： 处在 C类 状
11、态时，放大器的电流波形有较大的失真，因此只能用调谐回路作为负载，以滤除谐波分量，选出信号基波，从而消除失真。 8 2.2.5 D 类 (丁 类 )功率放大器 D类 (丁 类 )功率放大器功率管处于开关状态，理想效率为 90% 100%。 D类 (数字 音频 功率 )放大器是一种将输入模拟 音频信号 变换成脉冲信号 ,然后用脉冲信号去控制大功率 开关 器件通 /断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和 低通滤波器 等四部分组成。 它有以下好处： 1 具有很高的效率，通常能够达到 85%以上。 2 体积小，可以比模拟的放
12、大电路节省很大的空间。 3 低失真， 频率响应 曲线 好。外围元器件少，便于设计调试 。 2.3 放大器的技术指标 评价一个 功放 系统或设备是否符合高保真要求，一般应采用主观听音评价和客观指标测试相结合的方式来进行，并以客观测试指标为主要依据。因为采用仪器测试设备的性能指标能得到很 直 观的可供参考比较的定量结果，无疑是最科学而值得信赖的。 音频功放的技术指标，主要包括输出功率、频率特性、信噪比、瞬态响应以及非线性失真等。其中，输出功率、频率 特性等，通常称为静态特性指标，它们是用稳态信号测量的。而瞬态特性和非线性失真等，则称为动态特性指标，它们是用非稳态信号测量确定的。 1、 额定功率 音
13、响放大器输出失真度小于某一数值 (r1%)的最大功率称为额定功率，表达式； Po= Uo2/RL (2-1) U0为负载两端的最大不失真电压， RL为额定负载阻抗。 测量条件如下：信号发生器输出频率为 1kHz，电压 U1=20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻 RL(代替扬声器 )，输入端接 U1，逐渐增大输入电压 U1；直到 U0的波形刚好不出现谐波失真 (r1%)，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小 U1，以免损坏功率放大器。 2、 频率响应 音频功放的频率特性，是反映它对不同信号频率放大能力的物理量。通常采用输出电平随频率变化的关系曲线来描述。指的是振幅频率
14、特性，习惯上称为幅9 频特性或频率响应 (简称为频响 )。 在说明音频功放的频率特性时，有两点必须明确给出。即：一是有效频率范围。频率范围， 20Hz 20kHz全面反映出该功放的频率特性指标。对于音频功放的频率特性指标而言，其有效频率范围越宽，且在该频率范 围内相对参考电平的不均匀度越小。则说明该音频功放的频率特性指标就越好。 放大器的电压增益相对于中音频 fo (1kHz)的电压增益下降 3dB 时所对应的低音频率 f L和高音频率 f h称为放大器的频率响应。 3、谐波失真 谐波失真是指信号通过音频设备后，新增加的谐波成分。它是原信号波形中没有的波形变化，是不希望发生的。其值以新增加的谐
15、波成分的均方根值与原信号电压的均方根值的百分比来表示 即： 1 22322 U UUUT H D n （ 2-2） 式中 U1 正弦波基波电压有效值 ;U2 ,U s. Un 2 次、 3 次、 n 次谐波电压有效值。 谐波失真是电路或器件工作时的非线性引起的。高保真放大器的谐波失真一般应控制在 0.05 以下，目前许多优秀的放大器失真度均可达到0.01。降低放大器谐波失真度的措施有： 施加适量的电压或电流负反馈。 选用 ft较高、线性好的放大器件。 尽可能提高各级对管参数的一致性或对称性。 采用甲类放大，选用优秀的电路，如双差分放大、全互补输出或全对称等。 4、 信号噪声比 信号噪声比 (S
16、/N)指信号通过音频设备后增加的各种噪声 (如低频呼声、感应交流声、嘀嘀声等 )与指定信 号电平的 dB 差值，或信号幅度与噪声幅度之比，其值常用分贝表示，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，这时标为噪声电平。现代高保真后级功放的 S/N 一般能达到 90dB 以上，问题不会很突出。我们知道，多级放大器的 S/N主要取决于第一级，故在系统中，我们要着重提高前级或前置放大器的 S/N。由于影响 S/N的因素很多，提高 S/N便显得很棘手，有时费了九牛二虎之力，能使之提高两三个 dB 已届战果辉煌。而人耳10 对噪声又很敏感，所以提高 S/N往往成为设计及制作的主攻目标。虽然因素很多
17、，但也不是无章可循，除了器件本身的 噪声以外、放大器噪声的来源概括起来主要有三个途径：电源干扰、空间干扰和地线干扰。只要从以下几个方面人手， S/N一般便可达到令人满意的水平。 适当降低信号源的输出内阻。合理设定前级或前置放大器的增益，避免使之过大，能满足系统增益要求略有富余便可，这在业余制作时往往被忽略。 使用高性能的稳压电源供电。 各放大级尽可能单独或并联供电 (即各级电源端经一只隔离电阻直接与电源连接，并加接退耦电容 )。 严格区分模拟地线与数字地线，各级地线分别定线，一点接地。机壳的接地点应通过试验确定。 合理布线、使输入信号引线 尽可能短。超过 4cm长的均应使用屏蔽线，屏蔽层单端接地，各电位器、开关外壳也应可接地小信号放大电路板应远离电源变压器。
