運(yùn)放音調(diào)控制電路虛擬測試研究

李翔　唐妍梅

摘 ?要：采用基于運(yùn)放的音調(diào)控制電路作為案例，講解有源濾波電路的工作原理和分析方法。對音調(diào)控制電路的高低音轉(zhuǎn)折頻率和最大提升/衰減量等主要指標(biāo)與元器件參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，并利用Multisim軟件對音調(diào)控制電路的頻率特性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)相吻合，可使學(xué)生更深刻地理解由運(yùn)放構(gòu)成的有源濾波電路，并掌握利用Multisim軟件進(jìn)行頻域仿真的方法。

關(guān)鍵詞：有源濾波 ?音調(diào)控制 ?集成運(yùn)放 ?頻率特性 ?虛擬測試

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）02（a）-0035-05

Research on Virtual Test of Tone Control Circuit of Operational Amplifier

LI Xiang1 ?TANG Yanmei2

（1.School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology; 2.College of Physics and Technology， Guangxi Normal University， Guilin， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 541004 China）

Abstract： Op-amp-based tone control circuits are used for case teaching of active filter circuits. The main indicators including bass/treble corner frequency and maximum elevation/attenuation are theoretically derived according to component parameters， and then the frequency response of tone control circuits are evaluated using Multisim software. The simulation results coincide with theoretical calculations， and it can enhance the students' comprehension of op-amp-based active filter circuits， and help them learn the usage of Multisim software for simulation in frequency domain.

Key Words： Active filter; Tone control; Op-amp; Frequency characteristics; Virtual test

濾波電路是對信號進(jìn)行頻域處理的一類重要電路。在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中，由于學(xué)時所限，對于濾波電路往往只能概略介紹而不能詳細(xì)講授。而在與模擬電路相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生遇到有源濾波電路時，不易將實(shí)際電路與其頻響曲線聯(lián)系起來，更對其分析和設(shè)計方法感到難以掌握。

以運(yùn)放為核心的音調(diào)控制電路是高品質(zhì)音響系統(tǒng)的重要組成部分，也是運(yùn)放的典型線性運(yùn)用之一[1-3]。以音調(diào)控制電路為實(shí)例，結(jié)合Multisim仿真，能讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)，深入淺出地理解濾波電路的原理與設(shè)計，并將相應(yīng)的分析方法運(yùn)用到工程實(shí)踐中去。

1 ?音調(diào)控制電路概述

音響系統(tǒng)中所稱的“音調(diào)控制”，通常是指對音頻信號中的高音（treble）和低音（bass）分別進(jìn)行提升或衰減，并且這種提升或衰減是相對于中音頻（通常以1 kHz為準(zhǔn)）而言的。音調(diào)控制電路的作用是對音頻信號中的高音和低音成分進(jìn)行人為的加強(qiáng)（提升）或削弱（衰減），從而達(dá)到改變音色、渲染效果、滿足聽眾主觀喜好等目的。因而，設(shè)計音調(diào)控制電路的主要目標(biāo)是選擇恰當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)和元件參數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需的頻率特性[4-6]。典型的音調(diào)控制電路幅頻特性曲線如圖1所示。

由圖1所示的幅頻特性曲線具有下列主要指標(biāo)：（1）中音頻增益;（2）高、低音轉(zhuǎn)折頻率;（3）高、低音最大提升量和衰減量。一般而言，音調(diào)控制電路對中音頻無需放大，即中頻電壓增益為0dB，并且高、低音的最大提升量和衰減量都是對稱的。

利用運(yùn)放構(gòu)成音調(diào)控制電路時，是以圖2所示的反相比例運(yùn)算電路為基礎(chǔ)。若該電路中與分別為純電阻Z1和Z2，則其電壓傳輸特性為，實(shí)現(xiàn)反相比例運(yùn)算。而若將Z1和Z2代之以適當(dāng)?shù)淖杩咕W(wǎng)絡(luò)，則該電路的電壓增益為，從而可以實(shí)現(xiàn)各種不同的頻率特性，此即音調(diào)控制電路的基本原理。借助Multisim仿真軟件的輔助，可以直觀地展示幅頻特性曲線，并檢驗(yàn)其主要參數(shù)指標(biāo)是否與理論分析相吻合[7-12]。

2 ?音調(diào)控制的基本原理

由圖2所示的反相比例運(yùn)算電路基礎(chǔ)上，引入適當(dāng)?shù)腞C反饋網(wǎng)絡(luò)，即可分別實(shí)現(xiàn)低音衰減、低音提升、高音衰減、高音提升這4種基本的音調(diào)控制電路，如圖3所示。

由圖3（a）和（c）所示電路中，相對于電阻R1、R2而言，電容C1對中、高音的容抗可忽略，因此電路對中、高音信號而言只起簡單的反相作用。隨著信號頻率的降低，C1容抗增大，使得其所在支路的總阻抗變大。對于圖3（a），R1、C1支路阻抗增大使得增益降低，故該電路為低音衰減電路;而對于圖3（c），支路阻抗增大使得增益提高，故為低音提升電路。與C1并聯(lián)的電阻R3起到限制最大衰減量（或最大提升量）的作用，由于R3的阻值為R1、R2的10倍，可知最大衰減/提升量為±20dB。此外，低音衰減（或提升）的轉(zhuǎn)折頻率出現(xiàn)在C1容抗等于R1（或R2）阻值時，即。

由圖3（e）和（g）所示電路中，電容C1分別與R1或R2并聯(lián)，故對低音不起作用。隨著頻率升高，C1容抗減小，圖3（e）電路增益降低，而圖3（g）電路增益提高，故前者為高音衰減電路，后者為高音提升電路。最大衰減量和提升量同樣由R3決定，由于R3的阻值為R1、R2的1/10，可知最大衰減/提升量為±20dB。高音衰減（或提升）的轉(zhuǎn)折頻率為。

在Multisim中分別搭建上述4種基本音調(diào)控制電路，即可由波特圖儀直接觀察其頻率特性，如圖3中的（b）（d）（f）和（h）所示，可見仿真結(jié)果與理論分析吻合得很好。

3 ?音調(diào)控制電路仿真驗(yàn)證

完整的音調(diào)控制電路如圖4（a）所示，該電路將圖3中4種基本音調(diào)控制電路的功能合為一體。電位器R3用于調(diào)節(jié)低音：其滑動頭在最右側(cè)時，R3與C1構(gòu)成圖3（a）所示的低音衰減電路;滑動頭在最左側(cè)時，R3與則構(gòu)成圖3（c）所示的低音提升電路。另一方面，用于調(diào)節(jié)高音：其滑動頭在最右側(cè)時，與構(gòu)成圖3（e）所示的高音衰減電路（由于R4阻值甚大，可忽略此時R4C3支路的分流作用）;滑動頭在最左側(cè)時，R5與C3則構(gòu)成圖3（g）所示的高音提升電路（忽略此時R4C4支路的分流作用）。

由圖4（a）所示各元件取值可知，該電路的中頻電壓增益、最大提升/衰減量以及轉(zhuǎn)折頻率等參數(shù)均與圖3相同。當(dāng)高低音分別調(diào)節(jié)至最大提升和最大衰減位置時，由Multisim仿真軟件中的波特圖儀測得其幅頻特性曲線如圖4（b）和（c）所示，可見實(shí)際幅頻特性在誤差范圍內(nèi)與上述指標(biāo)完全吻合，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4 ?結(jié)語

Multisim仿真軟件提供了對電路進(jìn)行虛擬測試的強(qiáng)大工具和手段，能夠?qū)Ω鞣N常用電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。利用Multisim中的波特圖儀，能直觀、便捷地測量電路的頻率特性，可加深學(xué)生對基于運(yùn)放的有源濾波電路的認(rèn)識和理解。

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