第22期2022年11月无线互联科技
Wireless Internet Technology
No.22November,2022
作者简介：林兰平(1977 )，女，福建福州人，工程师，本科；研究方向：应用电子技术㊂
Multisim 仿真软件在音响放大器设计
电路中的应用
林兰平
(福州市委市政府会议保障中心，福建㊀福州㊀350001)
摘㊀要：文章研究了音响放大器设计的4个主要部分，即语音放大器㊁混合前置放大器㊁音调控制器和功率放大器㊂首先对可行方案进行分析，然后分别设计各单元电路并计算相关元器件参数，最后在仿真软件中测试了相关技术参数指标，能够有效地保证声音质量，同时能够实现对音调的调节，验证了系统设计的可行性和有效性㊂该设计对于实际音响放大器的研究有一定参考价值㊂
关键词：模拟电子技术；语音放大器；功率放大器；音调控制
0㊀引言
㊀㊀近年来，电子产品盛行，各式各样的电子产品逐渐融入人们的生活中㊂音响作为一个重要的声音播放媒介应用更加广泛，不但可以满足人们正常通信的需求，而且用其播放音乐越来越成为人们缓解生活压力的一种方式㊂随着微电子科技日趋成熟，人们对声音品质也有了更高的要求㊂本设计基于此背景利用模拟电子技术展开对音响放大器的研究㊂1㊀音响放大器的组成1.1㊀
音响放大器概述
㊀㊀音响放大器由语音放大器㊁混合前置放大器㊁音调控制器和功率放大器组成，其基本结构如图1所示㊂
图1㊀音响放大器基本组成结构
1.2㊀语音放大器
㊀㊀通常语音放大器就是话筒㊂话筒的主要作用是将外界输入系统的声音做一个形式上的转换，即从声信号变为电信号㊂其主要过程是输入的声音通过声波使内部元件振动进而产生电压，转化为电能进行传输㊂因为话筒的电信号是线圈振动产生的，所以电压较小但阻抗大㊂语音放大器能发挥很好的作用，将传来的电信号无损地放大，但阻抗远大于话筒的阻抗㊂通常语音放大器内部会有一个滤波器用来解决声音在空气中传播过程中的谐波失真问题㊂1.3㊀混合前置放大器
㊀㊀混合前置放大器主要作用就是将之前不同来源的传入信号进行混合后放大㊂通常来讲，音响放大器的混合前置放大器都有好几路，这一器件会将输出信号混合在一起，进而传入后面的放大器进一步放大㊂
1.4㊀音调控制器
㊀㊀音调控制器的主要作用就是调节音响放大器的幅频，可以改变输出声信号中各频率成分的相对强度㊂其内部包含一个低通滤波器和一个高通滤波器，一般由电阻器与电容器组成㊂当需要将低频信号调高时，仅需衰减高频信号即可；当需要将高频信号调高时，是也是如此操作㊂1.5㊀功率放大器
㊀㊀功率放大器就是 功放 ，其在音响放大器中起着组织㊁调配的关键作用，能够将前级传来的较弱信号放大后传送给扬声器㊂其内部的驱动放大器能够将前置放大器输入的电信号进一步放大；末级放大器将电流信号整合后形成大功率信号，从而带动扬声器发声㊂2㊀音响放大器的指标要求及总体设计
㊀㊀由前文可知，本设计的音响放大器主要由语音放大器㊁混合前置放大器㊁音调控制器以及功率放大器组成㊂在设计中，电路的级数是首先要确定的，然后利用各级的级数㊁功能指标参数要求对各级电压的增益进行分配，再从功放级向前级依次计算各级电路的相关参数㊂2.1㊀音响放大器的相关指标要求
㊀㊀本系统拟设计一款音响放大器，可以通过话筒与其他媒体播放器输入音频并进行声音的放大，其中话筒输入信号为5mV，媒体播放器输入电压为100mV，此外系统还可以进行手动调节输出音调，系统拟定各项参数指标如下㊂
(1)额定功率:P 0=0.5W，失真度ɱ10%;(2)负载阻抗:R =20Ω;
(3)频率响应:40Hz ~10kHz;
(4)音调控制特性：在1kHz 处的增益为0dB，在40kHz 和10kHz 处有ʃ12dB 的调节范围,AVL =AVH ɲ20dB㊂
2.2㊀音响放大器总体设计
㊀㊀根据以上的技术指标，设计各级的电压增益分配如图2所示㊂
图2㊀音响放大器各级电压增益分配
利用图中对电压增益分配即可对各单元电路进行具体设计，通过对各个放大级参数的合理调节，即可完成上述参数音响放大器的设计㊂3　各单元电路设计
3.1㊀语音放大器电路设计
㊀㊀基于此前的技术指标参数，本系统的语音放大器选择了由集成运放组成的同相放大器，放大器的增益为:
A VF =1+
R f
R 1
语音放大器的电路如图3所示㊂语音放大器电路由集成运放和两个电阻组合而成，通过图示连接方式实现对电信号的放大
㊂
图3㊀语音放大器
为保证语音放大器的放大倍数为7.5，设计图中R i =10kΩ,R f 采用电阻值为100kΩ的电位器，这样可
以根据不同的需求进行灵活调整[1]㊂3.2㊀混合前置放大器电路设计
㊀㊀混合前置放大器需要和功率放大器的特性相适应，否则系统无法做到高保真㊂混合前置放大器的电路如图4所示㊂
电路图中R  是一个平衡电阻，其阻值大小为R  =R 1//R 2//R f ㊂由电路图可以表示出输入电压与输出电压之间的关系，即:
v o =-R f R 1v i 1+R f
R 2
v i 2()
其中,v i 1为前一级话筒的输出信号,v i 2为媒体设备的输出信号㊂
根据此前音响放大器各级的增益分配框图可知,
若想令话筒与媒体设备输出经混响级后的输出保持平
图4㊀混合前置放大电路
衡，就需要
R f
R 1ʈ3,R f
R 2
=1，因此本设计中选定R f =39Ω,R 1=20kΩ,R 2=39kΩ㊂此外，图中的C 1和C 2为耦合电容，均选用10μf 的极性电容㊂3.3㊀音调控制器电路设计
㊀㊀通常来讲，音调控制电路可以分为以下3类㊂
(1)衰减式RC 音调控制电路，可以实现较大范围的调节，但调节后失真的现象较为明显㊂
(2)反馈型电路，与RC 音调控制电路相比调节范围较小，但同时也能避免一部分失真的现象㊂
(3)混合式音调控制电路，其电路相比于前两种较为复杂，常常被用在高级的录音机中㊂
在本系统中，考虑到相关技术指标，同时为了保证电路的简洁与低失真，选择反馈型电路用于音调控制器，反馈型音调控制电路原理如图5所示
㊂图5㊀负反馈型音调控制电路
电路图中Z 1和Z f 是由RC 组成的网络㊂由于集成运放A 的开环增益较大，因此有:
A vf •
=
V o
•
V i
•
ʈ-
Z f
Z 1
若出现不同的信号频率,Z 1与Z f 阻抗的比值也会有所变化，因此A vf •
也会跟随着信号频率的变化而改变㊂假设Z 1和Z f 包含不同的RC 元件，则可以组成4种不同样式的电路，若将这4种电路共同组成一个电路，就可以获得兼备此4种功能的反馈型音调控制电[2]㊂
图6㊀反馈型音调控制电路
根据本音响放大器系统的参数指标，若要让A VL =A VH ȡ20dB，由此前A VL 的表达式可知，通常R 1,R 2和PR 1的阻值会取上百欧至上千欧㊂若取PR 1=470kΩ，则有
C 2=
1
2πf L 1PR 1=0.008μF R 2=
PR 1
f L 2
f L 1
-1=52kΩ对上式取标称值，则有C 2=0.01μF,R 2=51kΩ，结合上面的条件就有R 1=R 2=R 3=R =51kΩ,PR 1=
PR 2=470kΩ,C 1=C 2=0.01μF,R 4=110R a =
3R
10
=15kΩ,C 3=470pF㊂由于在低音的条件下，音调控制器电路的输入阻抗会和R 1近似相等，因此级间的耦合电容可取C i =C o =10μF㊂3.4㊀功率放大器电路设计
㊀㊀功率放大器电路主要作用是为扬声器提供一定的输出功率，本设计归纳选取了3种功率放大电路的方案，列举如下㊂
(1)选择SL34集成功放，这是一款低电压的集成音频功率放大器，有着低功耗㊁低失真的优点，当工作电压为6V，负载为8Ω时，输出功率在300mW 以上，常用作收音机和其他功放㊂
(2)选择LM386音频集成功率放大器，其优点在于功耗低㊁电源电压范围大㊁电压增益可调整㊁外接元件少和总谐波失真小等，在录音机和收音机中应用十分普遍㊂LM386的电源电压为4~12V，音频功率为0.5W㊂此外，其电源电压范围最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V，负载为8Ω时，可以达到几百mW 的功率，其典型输入阻抗为50k㊂
(3)选择TDA2030芯片组成的功放电路，其优点在于静态电流小并且有着较强的负载能力，能够输出较大的功率，最大可达到35W 左右，动态电流可以带动4~16Ω的扬声器，此外还具有保护电路㊂
经过比较上述3个方案，考虑到本系统的实际需求[3]，额定功率为0.5W，最终选用LM386㊂4㊀音响放大器的仿真实验4.1㊀Multisim 仿真软件
㊀㊀本文仿真采用的Multisim 是一款具备非常丰富的仿真分析能力的仿真软件㊂相比于其他电路仿真软件，该软件含有齐全的数字电路元件数据库，并提供了数十种虚拟仪器，可以直接观察电路的运行状态㊂在模拟电路和数字电路的仿真应用中,Multisim 有着无可比拟的便捷性和优越性㊂
Multisim 在电路实验方面具有独特的优势㊂本系统设计采用的Multisim 8可以进行单片机等微控制单元的仿真，进而进行印制电路板(PCB)的设计㊂Multisim 不仅可以弥补经费不足导致元器件和仪器的缺乏，而且在应用中不存在原材料的消耗㊁元器件短路㊁接触不良等实际问题，也不会因为调整仪器不当而产生故障或损坏等㊂因此,Multisim 软件是一个非常适用于虚拟实验的工具，在电子类的开发研究工作中发挥事半功倍的效果[4]㊂
本文利用Multisim8软件对设计的电路进行仿真，在工作区对电路进行搭建，连接示波器，对电路相关参数进行合适的赋值并逐步调试，电路正确运行后可点击示波器，在图示仪界面输出实时波形，观察电路的波形图即可对电路的设计正确与否进行验证分析㊂Multisim 整个操作界面就如同一个操作台一般，操作简单，结果易于理解㊂4.2㊀语音放大器仿真
㊀㊀根据此前设计的电路图在仿真软件中连接电路，如图7所示，按照上一章的参数设定电路中的电阻
和电容，保存成电路文件㊂
在搭建好电路后，首先对动态指标A v 进行了测试，将频率为1kHz 的信号作为输入，对信号幅度进行不断调节，使输出的V 0不失真，再将实测值与理论值进行对比，仿真结果如表1所示㊂
表1㊀语音放大器仿真测试结果
R 1R f V i V o A v =1+
R f
R 1
A v =V o /V i
(实测)10kΩ
multisim示波器在哪100kΩ
10mV
77.79mV
1111
10kΩ
50kΩ
10mV
59.643mV 6  5.9610kΩ
70kΩ
10mV
79.747mV
8
7.97对语音放大器的幅频特性进行测量，得到语音放大器上下限频率测试结果㊂由上㊁下限频率的规定可知，当电压放大倍数的幅值20log |A v |下降3dB 时，对应的频率就是f H 和f L ，测试结果如表2所示㊂
表2㊀语音放大器上下限频率
f H
f L
测量值
69.1577kZ
0Hz
图7㊀语音放大电路仿真
4.3㊀混合前置放大器仿真
㊀㊀按照设计的混合前置放大器电路图在Multisim 中
连接电路，如图8所示，依据此前的计算结果设置各元器件的具体参数值，再将其保存为电路文件
㊂
图8㊀混合前置放大器仿真
㊀㊀在仿真环境搭建好电路图后，对输出电压进行测试㊂将频率为1kHz 的正弦波输入电路，对信号幅度进行不断调节，使输出的V O 不失真，再将实测值与理论值进行对比，仿真结果如表3所示㊂
对混合前置放大器的幅频特性进行测量，通过在电路中接入频率特性测试仪，得到混合前置放大器的频率下限与上线的测试结果㊂由上㊁下限频率的规定可知，当电压放大倍数的幅值20log |A v |下降3dB 时，对应的频率就是f H 和f L ，测试结果如表4所示㊂
表3　混合前置放大器仿真测试结果
V i 1V i 2V O (实测)V O =-R f 1V i 1R 1
+V i 2R 2
(
)
(理论)
10mV
10mV
29.551mV
3020mV
10mV
49.047mV
5020mV
20mV
59.081mV
6020mV
30mV
69.056mV
70
表4　频率上下限测试结果
f H
f L 测量值
165.637kHz
1.317
Hz
4.4㊀音调控制器仿真
㊀㊀按照设计的音调控制器电路在Multisim 中连接电路，如图9所示，依据此前的计算结果设置各元器件的具体参数值，再将其保存为电路文件㊂
图9㊀音调控制电路仿真
㊀㊀在仿真环境搭建好电路图后，对音调控制特性进行了测量㊂测试了低音的提升与衰减，将高音调节
电位器PR2移至中间位置，即总电阻的一半，将低音调节电位器移至最左边，即总电阻的全部，进行如下调试㊂
(1)对信号发生器进行调节，使调节后的f =40Hz,Vm =100mV，再对音量调节电位器PR3进行调节，令电路的输出电压最大，由此得到PR3的值以及输出电压幅值:PR3=0kΩ,Vom =698.0mV㊂
(2)使PR3的值和输入信号的幅度保持不变，在音调控制电路中接入频率测试仪并将工作频率设置在40Hz 到1kHz 之间，得到幅频响应曲线，同时记录当前数据㊂经过对幅频响应曲线的观察，记录低音部分升高的最大值:F =40Hz 时，低音的最大提升量=17.004dB㊂
(3)移动PR1滑动端使其处于电位器最右端，即变阻器PR1的百分比为0%，重复以上步骤，记录低音的最大衰减量:F =40Hz 时，低音的最大衰减量=-16.933dB㊂
相同的方法测试高音的提升和衰减㊂将低音调节电位器PR1移至中间位置，即总电阻的一半，将低音调节电位器PR2的滑动端移至最左边，即总电阻的全部，然后进行如下调试㊂
(1)对信号发生器进行调节，使调节后的f =10kHz,Vm =100mV，再对音量调节电位器PR3进行输出电压幅值:PR3=0kΩ,Vom =463mV㊂
(2)使PR3的值和输入信号的幅度保持不变，在音调控制电路中接入频率测试仪并将工作频率设置在10k
Hz 到1kz 之间，得到幅频响应曲线，同时记录当前数据㊂经过对幅频响应曲线的观察，记录低音部分升高的最大值:F =10kHz 时，低音的最大提升量=13.274dB㊂
(3)移动PR2滑动端使其处于电位器最右端，即变阻器PR1的百分比为0%，重复以上步骤，记录低音的最大衰减量:F =10kHz 时，低音的最大衰减量=-12.78dB㊂
4.5㊀功率放大电路仿真
㊀㊀起初在设计中选用的功率放大器为集成功放，在使用的仿真软件Multisim8中的元器件库没有功率放大器的集成块，因此该单元电路需要使用分立元器件来仿真㊂而此前选用的LM386内部的电路又比较复杂，搭建难度较大，因此选用电路原理图进行仿真，在这里采用了与工作原理相同的OTL 功放，电路如图10所示㊂
按照电路图在Multisim 中连接电路，再将其保存为电路文件㊂对电路进行调试，在没有输入信号时对电位器R2进行调节，通过仿真万用表对K 点的直流电压进行测试，由于静态时V k =0.5V cc ，当测得电压等于0.5V cc 时,R 2=14kΩ㊂

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