音頻功率放大電路實驗報告

..學生序號6專業：學生序號6專業：____日期：地點：課程名稱：電路與模擬電子技術實驗指導張冶沁成績：__________________實驗名稱：音頻功率放大電路實驗類型：電路實驗同組學生____________一、實驗目的和要求〔必填 二、實驗內容和原理〔必填三、主要儀器設備〔必填 四、操作方法和實驗步驟五、實驗數據記錄和處理 六、實驗結果與分析〔必填七、討論、心得一、實驗目的和要求1、理解音頻功率放大電路的工作原理。2、學習手工焊接和電路布局組裝方法。3、提高電子電路的綜合調試能力。4、通過myDAQ來分析理論數據和實際數據之間的關系。二、實驗內容和原理音頻功率放大電路,也即音響系統放大器,用于對音頻信號的處理和放大。按其構成可分為前置放大級、音調控制級和功率放大級三部分。作為音響系統中的放大設備,它接受的信號源有多種形式,通常有話筒輸出、唱機輸出、錄音輸出和調諧器輸出。它們的輸出信號差異很大,因此,音頻功放電路中設置前置放大級以適應不同信號源的輸入。為了滿足聽眾對頻響的要求和彌補揚聲器系統的頻率響應不足,設置了音調控制放大器,希望能對高音、低音部分的頻率特性進行調節。為了充分地推動揚聲器,通常音響系統中的功率放大器能輸出數十瓦以上功率,而高級音響系統的功放最大輸出功率可達幾百瓦以上。擴音機的整機電路如下圖所示,按其構成,可分為前置放大級,音調控制級和功率放大級三部分。三、主要儀器設備1、示波器、信號發生器、穩壓電源。2、空電路板,電烙鐵等工具。3、μA741、電阻電容等元件。四、操作方法和實驗步驟1.靜態調試2.動態調試3.空載測量整機指標4.加載測量整機指標5.聽音試驗〔選做6.用myDQA調試前置放大級、音調控制級,比較用Multisim仿真和用myDAQ得到的結果進行分析比較。五、實驗數據記錄和處理1.靜態測試靜態電壓VO1VO2VO3實測值000動態調試〔電壓為有效值節點電壓實測值放大倍數實測值Vi=Vi110.2mV前置放大級Av16.10Vo1=Vi262.2mV音調控制級Av21.00Vo2=Vi362.2mV功率放大級Av332.80Vo3=Vo2.04V整機Av200.06空載測量整機指標整機電壓增益Av200.06最大不失真輸出電壓Vomax12.94V峰值輸入靈敏度Vimax62.79mV峰值噪聲電壓VN8.90mV峰峰值下限截止頻率fL45Hz上限截止頻率fH10.22kHz高低音控制特性當f=100HzVOVOAVOB低音凈提升量低音凈衰減量2.36V6.10V563mV8.25dB-12.45dB當f=10kHzVOVOAVOB高音凈提升量高音凈衰減量1.63V6.03V477mV11.36dB-10.67dB六、實驗結果與分析前置放大電路如右采用了LM741運放組成電壓串聯負反饋同相輸入比例放大器。電路中C2用于消除自激振蕩,視為開路,理論閉環電壓放大倍數為試驗測得6.10倍,非常吻合。前置級輸入電阻為Ri=R1=100kΩ,輸出電阻Ro=0音調控制級如右其中RP1和RP2是分別調節低音和高音的兩個電位器,調節RP1和RP2兩個電位器以改變反饋系數,從而改變放大器的幅頻特性,以達到音調控制作用。理論電壓放大倍數為當RP1和RP2均打到中間位置時,由于反饋網絡參數對稱,易知Zf=Zi,即Avf2=-1,實驗測得值為-1.00,非常吻合。功率放大級如右本實驗電路的功率放大級由集成功率器件TDA2030A連成OCL電路輸出形式。功放級電路中,電容C15、C16用作電源濾波。D2和D2為防止輸出端的瞬時過電壓損壞芯片的保護二極管。R11、C10為輸出端校正網絡以補償感性負載,其作用是把揚聲器的電感性負載補償接近純電阻性,避免自激和過電壓。理論電壓放大倍數為實測值為32.80倍,已非常接近理論值。而RP3的作用是調節電位器分壓值作為功放級輸入,起到音量調節作用。整機指標實測整機電壓增益為200.06倍,理論值為203.44倍,非常接近。噪聲電壓很小,表明電路抗干擾能力強,這也是由于使用了低噪聲前置級。空載最大不失真輸出電壓為12.94V,受到了外加工作電壓15V的限制,實際上測量最大不失真輸出功率可以驗證元件參數,但出于安全考慮沒有帶載測量。通頻帶寬測得為45Hz~10.22kHz,人耳能感受到的頻率為20Hz~20kHz,因此截止頻率上限偏低,頻率響應缺乏充足的高音部分。低音、高音的凈提升量和凈衰減量均接近實驗參考值±10dB。聽音試驗整機測試完成后,將功放級輸出端連在實驗室的音箱上,用音樂播放器通過音頻線連接前置放大級作為輸入,在音箱上成功播放了龐麥郎的新歌《阻止你哭泣》,調節RP1對低音有明顯的控制作用,調節RP2對高音有明顯的控制作用,而調節RP3對整體音量起決定性作用。七、討論、心得本次實驗做了兩周,而且親自動手焊電路板,感受頗多。首先第一次焊電路板感到十分新奇,一開始也有點緊張,還好在細心操作下未曾傷到手或引起跳閘之類的事故。第一次焊好的電路板有一處電容接線錯誤的地方,能在上電之前及時發現,實在是萬幸,究其原因是沒有把電路原理圖和電路板上的位置正確對應,這一點應該積累經驗。電路焊接本身的一個問題在于我過分追求美觀,把焊錫面做得比較圓滑,后來了解到,其實應該用更少量的焊錫,防止虛焊,也方便改接,畢竟實用性最重要。第二次課的功放電路測試基本還算順利,聽音實驗也很成功,尤其是通過自己焊接的電路板在音箱上放出了歌曲,感到很有成就感,同時還理解到了音頻設備之間阻抗匹配的重要性,以及低音、高音增益的原理,明白了調節均衡的意義所在,我自己是個吉他手,演出的時候也接觸過不少音頻設備,現在多少能夠理解各種音頻器件的工作原理和重要參數了,相信對我的演藝副業也有一定幫助。另外我們小組組織了一次myDAQ使用學習,特意借用了圖書館三樓的研究空間,花了一個小時左右完成了入門并成功調試出了真實波形和仿真波形同時顯示。現場圖片會打包和實驗報告上傳至ftp。整理本次實驗數據,將實測值與理論估算值相比較并加以分析。答：見實驗報告正文2.分析實驗中出現的異常現象。答：沒有特別異常的現象,唯一一點不尋常的現象的某些功放級電路板通電后發現無法放大信號,或者直流穩壓源電壓被降下來了,這是由于功放級存在質量問題,內部被燒壞或者一開始就不符合出廠標準,但這也是可以解釋的,所以實際上還是沒出現不能解釋的異常。3.引起噪聲、自激、失真現象的原因是什么？答：引起噪聲的原因有電源干擾噪聲、接地回路噪聲、設備內部噪聲等,而放大電路較為靈敏,在很高的放大倍數下,很小的干擾也可能被放大得很明顯；自激現象是由于環路增益大于1,反饋前后信號的相位差在360°以上,也就是形成了正反饋,較小的噪聲信號不斷自我加強,從而引起自激振蕩；4.在音頻功率放大電路實驗中,擴音機的整機電路按其構成可分為前置放大級、音調控制級和功率輸出級三部分。5.在Pspice軟件中仿真中,常用ACSweep、DCSweep、Transient對電路掃描分析,簡述三種掃描方式用于分析什么參數？請以擴音機放大電路為例說明。答：ACSweep用于分析電路的頻率特性,在擴音機電路中可以分析其通頻帶寬；DCSweep用于分析直流通路中的電壓傳輸特性,在擴音機電路中沒用,因為各級之間都是以電容耦合,直流信號加不進去；Transient瞬態分析用于分析特定頻率和輸入下,輸出電壓隨時間變化的關系,可以觀察輸出波形是否失真,因此在擴音機電路中可以找到最大不失真輸出電壓,也可以用于觀察負載上的電流、電壓或功率。6.音頻功放電路中各個電位器的作用分別是什么？答：RP1控制低音增益,RP2控制高音增益,RP3控制整機音量。各級電路放大倍數的理論值分別是多少？答：前置放大級為6.1倍,音調控制級為1倍〔反相,功率輸出級為33.35倍,整機為203.44倍〔反相8.C1、C2作用？分別是什么電容？使用時注意事項。答：C1是電解電容,起到耦合作用,容量較大,在接入電路的時候必須接對極性,在通頻帶內看做短路,對直流視作開路；C2是瓷片電容,起到消除自激振蕩的作用,容量較小,通頻帶內視作開路。9.靜態時輸出端有電壓什么原因,怎樣處理？答：一般是由于元件內部參數不對稱造成的失調電壓,一般較小,在輸入信號大的情況下可以忽略,但若要處理,可以預先輸入電壓用于平衡失調電壓,在此基礎上認為是"零輸入"。或者更換更精密的運放。放大倍數出現異常,應該怎樣檢查？如何改正？答：首先分級排查是哪一級或哪幾級的放大倍數出了問題,在示波器上觀察是不適因為電壓已經失真,若并非失真,當確定某一級的放大倍數有誤,應檢查信號輸入端電阻和負反饋回路電阻的阻值之比是否正確,電阻元件是否損壞,根據情況更換正確阻值的完好元件。11.如何測量音頻功放電路的輸入靈敏度和噪聲電壓？〔測量方法？什么儀器測？電位器位置？答：RP1和RP2打到中間位置,RP3打到最右端,將示波器的CH1和CH2分別接到功放電路的輸入和輸出端,用信號發生器產生正弦波到輸入端,從零開始增大輸入信號,在示波器上觀察輸出電壓是否失真,當達到失真邊界時,記錄輸入電壓,即為功放電路的輸入靈敏度；維持電位器狀態,將輸入端對地短路,測量輸出信號,在示波器上觀察峰峰值〔不可用平均值,此時的電壓即為噪聲電壓。12.如何測量音頻功放電路的高音的凈提升量？〔測量方法？計算表達式答：先將RP1、RP2電位器調至中間位置,調節輸入信號〔f=1kHz,使輸出電壓為最大輸出電壓的10％左右〔0.5V左右,測出VO。將低音電位器RP1調到中間位置,使高音電位器RP2調至C端,測出VOC。則高音凈提升量為〔單位為分貝：13.電子電路調試應遵循哪些基本原則？答：先靜態,后動態；先分級,后整機；插拔關閉電源。比較Multisim、myDAQ、pspice之間的聯系和區別,用仿真軟件對實際電路設計的促進作用,通過myDQA比較理論數據和實際數據之間的區別和聯系。〔重點分析>答：本學期在仿真中主要使用multisim和pspice,由于課程要求,多數情況下使用了pspice,但我個人認為兩者都有其優缺點。最大的感受之一是Multisim的元件庫比pspice更全,市場上的芯片有時在pspice中找不到,而multisim有,而且pspice中即使找得到器件,也要分為有仿真模型和無仿真模型的,很令人困擾,multisim中這些元件的仿真模型還非常精確；在對電路的仿真分析中,它們都具有直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、直流掃描分析、溫度分析、參數分析、最壞情況分析、蒙特卡羅分析的功能,然而Multisim還可以對電路進行失真分析、直流/交流靈敏度分析、零點/極點分析、交流傳遞函數分析、RF<射頻>電路仿真、自定義類型仿真,雖然我暫時還不會用；multisim還有一個亮點是出色的虛擬儀表,這些儀表和現實中的儀表幾乎一樣,可以實時觀察電路運行狀態,在一些有電位器或函數發生器的電路中尤為方便；總的來說,multisim的功能更容易上手。Pspice的功能其實比較復雜,也更嚴謹。比如在電路中如果有接線錯誤,multisim可以繼續仿真,但得出的是錯誤的結果,pspice則會禁止仿真,并在圖中提示錯誤的位置以便更改；pspice最方便的功能之一在于靜態工作點可以直接在電路中顯示,而無需像multisim一樣逐點查看；multisim最大的一個問題在于,當在放大電路中使用參數掃描增大輸入信號的時候,輸出信號會無限制地線性增大,這雖然是理想的情況,但卻不符合現實,pspice給出的圖線則是比較符合現實的情況,也正是利用這一點,pspice可以無需通過肉眼判斷波形失真,僅憑對輸出電壓和輸入電壓比值作圖即可判定拐點。myDAQ是個奇妙的儀器,它的出現甚至可以讓我們在風景優美的野外做電路實驗。myDAQ通常需要和multisim配套使用,在multisim中把ELVISmx中的虛擬儀表同電路相連,只要電腦驅動識別了myDAQ,就可以在儀表中同時顯示仿真得到的波形和myDAQ連接真實電路得到的波形,并進行對比。有一點區別在于真實數據的曲線通過采樣獲取,如果信號頻率繼續增大,若采樣頻率跟不上,到一定程度就無法很好地刻畫真實數據,而采樣頻率和USB性能有關,也因此,真實數據的點比仿真數據更加"離散"。對于功放電路的前兩級,我們用myDAQ測定的數據往往不是特別穩定,但其均值基本和理論值接近,從后面的圖片可以看到比仿真值略大了一點,這是因為手動調節電位器的時候難以保證放大倍數恰好符合理論值要求,和真實實驗是一樣的道理。Multisim仿真本次我選用multisim的原因有三：pspice中找不到TDA2030,而multisim有現成的為了和myDAQ對接方便,索性直接用multisim仿真整機Pspice的使用我已經很熟了,我認為兩者都能很好地完成這次的仿真