Multisim仿真軟件在音響放大器設(shè)計(jì)電路中的應(yīng)用

林蘭平

(福州市委市政府會(huì)議保障中心，福建 福州 350001)

0 引言

近年來(lái)，電子產(chǎn)品盛行，各式各樣的電子產(chǎn)品逐漸融入人們的生活中。音響作為一個(gè)重要的聲音播放媒介應(yīng)用更加廣泛，不但可以滿足人們正常通信的需求，而且用其播放音樂(lè)越來(lái)越成為人們緩解生活壓力的一種方式。隨著微電子科技日趨成熟，人們對(duì)聲音品質(zhì)也有了更高的要求。本設(shè)計(jì)基于此背景利用模擬電子技術(shù)展開(kāi)對(duì)音響放大器的研究。

1 音響放大器的組成

1.1 音響放大器概述

音響放大器由語(yǔ)音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器和功率放大器組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音響放大器基本組成結(jié)構(gòu)

1.2 語(yǔ)音放大器

通常語(yǔ)音放大器就是話筒。話筒的主要作用是將外界輸入系統(tǒng)的聲音做一個(gè)形式上的轉(zhuǎn)換，即從聲信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。其主要過(guò)程是輸入的聲音通過(guò)聲波使內(nèi)部元件振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生電壓，轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行傳輸。因?yàn)樵捦驳碾娦盘?hào)是線圈振動(dòng)產(chǎn)生的，所以電壓較小但阻抗大。語(yǔ)音放大器能發(fā)揮很好的作用，將傳來(lái)的電信號(hào)無(wú)損地放大，但阻抗遠(yuǎn)大于話筒的阻抗。通常語(yǔ)音放大器內(nèi)部會(huì)有一個(gè)濾波器用來(lái)解決聲音在空氣中傳播過(guò)程中的諧波失真問(wèn)題。

1.3 混合前置放大器

混合前置放大器主要作用就是將之前不同來(lái)源的傳入信號(hào)進(jìn)行混合后放大。通常來(lái)講，音響放大器的混合前置放大器都有好幾路，這一器件會(huì)將輸出信號(hào)混合在一起，進(jìn)而傳入后面的放大器進(jìn)一步放大。

1.4 音調(diào)控制器

音調(diào)控制器的主要作用就是調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻，可以改變輸出聲信號(hào)中各頻率成分的相對(duì)強(qiáng)度。其內(nèi)部包含一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器，一般由電阻器與電容器組成。當(dāng)需要將低頻信號(hào)調(diào)高時(shí)，僅需衰減高頻信號(hào)即可；當(dāng)需要將高頻信號(hào)調(diào)高時(shí)，是也是如此操作。

1.5 功率放大器

功率放大器就是“功放”，其在音響放大器中起著組織、調(diào)配的關(guān)鍵作用，能夠?qū)⑶凹?jí)傳來(lái)的較弱信號(hào)放大后傳送給揚(yáng)聲器。其內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)放大器能夠?qū)⑶爸梅糯笃鬏斎氲碾娦盘?hào)進(jìn)一步放大；末級(jí)放大器將電流信號(hào)整合后形成大功率信號(hào)，從而帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

2 音響放大器的指標(biāo)要求及總體設(shè)計(jì)

由前文可知，本設(shè)計(jì)的音響放大器主要由語(yǔ)音放大器、混合前置放大器、音調(diào)控制器以及功率放大器組成。在設(shè)計(jì)中，電路的級(jí)數(shù)是首先要確定的，然后利用各級(jí)的級(jí)數(shù)、功能指標(biāo)參數(shù)要求對(duì)各級(jí)電壓的增益進(jìn)行分配，再?gòu)墓Ψ偶?jí)向前級(jí)依次計(jì)算各級(jí)電路的相關(guān)參數(shù)。

2.1 音響放大器的相關(guān)指標(biāo)要求

本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)一款音響放大器，可以通過(guò)話筒與其他媒體播放器輸入音頻并進(jìn)行聲音的放大，其中話筒輸入信號(hào)為5 mV，媒體播放器輸入電壓為100 mV，此外系統(tǒng)還可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出音調(diào)，系統(tǒng)擬定各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如下。

(1)額定功率：P0=0.5 W，失真度≯10%；

(2)負(fù)載阻抗：R=20 Ω；

(3)頻率響應(yīng)：40 Hz～10 kHz；

(4)音調(diào)控制特性：在1 kHz處的增益為0 dB，在40 kHz和10 kHz處有±12 dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH≮20 dB。

2.2 音響放大器總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)各級(jí)的電壓增益分配如圖2所示。

圖2 音響放大器各級(jí)電壓增益分配

利用圖中對(duì)電壓增益分配即可對(duì)各單元電路進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)各個(gè)放大級(jí)參數(shù)的合理調(diào)節(jié)，即可完成上述參數(shù)音響放大器的設(shè)計(jì)。

3 各單元電路設(shè)計(jì)

3.1 語(yǔ)音放大器電路設(shè)計(jì)

基于此前的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，本系統(tǒng)的語(yǔ)音放大器選擇了由集成運(yùn)放組成的同相放大器，放大器的增益為：

語(yǔ)音放大器的電路如圖3所示。語(yǔ)音放大器電路由集成運(yùn)放和兩個(gè)電阻組合而成，通過(guò)圖示連接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)的放大。

圖3 語(yǔ)音放大器

為保證語(yǔ)音放大器的放大倍數(shù)為7.5，設(shè)計(jì)圖中Ri=10 kΩ，Rf采用電阻值為100 kΩ的電位器，這樣可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行靈活調(diào)整[1]。

3.2 混合前置放大器電路設(shè)計(jì)

混合前置放大器需要和功率放大器的特性相適應(yīng)，否則系統(tǒng)無(wú)法做到高保真。混合前置放大器的電路如圖4所示。

圖4 混合前置放大電路

電路圖中R’是一個(gè)平衡電阻，其阻值大小為R’=R1//R2//Rf。由電路圖可以表示出輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，即：

其中，vi1為前一級(jí)話筒的輸出信號(hào)，vi2為媒體設(shè)備的輸出信號(hào)。

3.3 音調(diào)控制器電路設(shè)計(jì)

通常來(lái)講，音調(diào)控制電路可以分為以下3類(lèi)。

(1)衰減式RC音調(diào)控制電路，可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)后失真的現(xiàn)象較為明顯。

(2)反饋型電路，與RC音調(diào)控制電路相比調(diào)節(jié)范圍較小，但同時(shí)也能避免一部分失真的現(xiàn)象。

(3)混合式音調(diào)控制電路，其電路相比于前兩種較為復(fù)雜，常常被用在高級(jí)的錄音機(jī)中。

在本系統(tǒng)中，考慮到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)為了保證電路的簡(jiǎn)潔與低失真，選擇反饋型電路用于音調(diào)控制器，反饋型音調(diào)控制電路原理如圖5所示。

圖5 負(fù)反饋型音調(diào)控制電路

電路圖中Z1和Zf是由RC組成的網(wǎng)絡(luò)。由于集成運(yùn)放A的開(kāi)環(huán)增益較大，因此有：

圖6 反饋型音調(diào)控制電路

根據(jù)本音響放大器系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)，若要讓AVL=AVH≥20 dB，由此前AVL的表達(dá)式可知，通常R1，R2和PR1的阻值會(huì)取上百歐至上千歐。若取PR1=470 kΩ，則有

3.4 功率放大器電路設(shè)計(jì)

功率放大器電路主要作用是為揚(yáng)聲器提供一定的輸出功率，本設(shè)計(jì)歸納選取了3種功率放大電路的方案，列舉如下。

隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到人們的日常生活中去，不僅改變了人們的生活方式、思維方式以及價(jià)值觀念、擴(kuò)大了人與人之間的交往空間，也在一定程度上促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步。新興技術(shù)和文化內(nèi)容的相互結(jié)合，逐漸形成了網(wǎng)絡(luò)文化。網(wǎng)絡(luò)文化的發(fā)展不僅為高校思想政治教育提供了契機(jī)。與此同時(shí)，也帶來(lái)了一定程度的挑戰(zhàn)和一系列的問(wèn)題。

(1)選擇SL34集成功放，這是一款低電壓的集成音頻功率放大器，有著低功耗、低失真的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)工作電壓為6 V，負(fù)載為8 Ω時(shí)，輸出功率在300 mW以上，常用作收音機(jī)和其他功放。

(2)選擇LM386音頻集成功率放大器，其優(yōu)點(diǎn)在于功耗低、電源電壓范圍大、電壓增益可調(diào)整、外接元件少和總諧波失真小等，在錄音機(jī)和收音機(jī)中應(yīng)用十分普遍。LM386的電源電壓為4～12 V，音頻功率為0.5 W。此外，其電源電壓范圍最高可使用到15 V，消耗靜態(tài)電流為4 mA，當(dāng)電源電壓為12 V，負(fù)載為8 Ω時(shí)，可以達(dá)到幾百mW的功率，其典型輸入阻抗為50 k。

(3)選擇TDA2030芯片組成的功放電路，其優(yōu)點(diǎn)在于靜態(tài)電流小并且有著較強(qiáng)的負(fù)載能力，能夠輸出較大的功率，最大可達(dá)到35 W左右，動(dòng)態(tài)電流可以帶動(dòng)4～16 Ω的揚(yáng)聲器，此外還具有保護(hù)電路。

經(jīng)過(guò)比較上述3個(gè)方案，考慮到本系統(tǒng)的實(shí)際需求[3]，額定功率為0.5 W，最終選用LM386。

4 音響放大器的仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 Multisim仿真軟件

本文仿真采用的Multisim是一款具備非常豐富的仿真分析能力的仿真軟件。相比于其他電路仿真軟件，該軟件含有齊全的數(shù)字電路元件數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供了數(shù)十種虛擬儀器，可以直接觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)。在模擬電路和數(shù)字電路的仿真應(yīng)用中，Multisim有著無(wú)可比擬的便捷性和優(yōu)越性。

Multisim在電路實(shí)驗(yàn)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的 Multisim 8可以進(jìn)行單片機(jī)等微控制單元的仿真，進(jìn)而進(jìn)行印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì)。Multisim不僅可以彌補(bǔ)經(jīng)費(fèi)不足導(dǎo)致元器件和儀器的缺乏，而且在應(yīng)用中不存在原材料的消耗、元器件短路、接觸不良等實(shí)際問(wèn)題，也不會(huì)因?yàn)檎{(diào)整儀器不當(dāng)而產(chǎn)生故障或損壞等。因此，Multisim軟件是一個(gè)非常適用于虛擬實(shí)驗(yàn)的工具，在電子類(lèi)的開(kāi)發(fā)研究工作中發(fā)揮事半功倍的效果[4]。

本文利用Multisim8軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，在工作區(qū)對(duì)電路進(jìn)行搭建，連接示波器，對(duì)電路相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合適的賦值并逐步調(diào)試，電路正確運(yùn)行后可點(diǎn)擊示波器，在圖示儀界面輸出實(shí)時(shí)波形，觀察電路的波形圖即可對(duì)電路的設(shè)計(jì)正確與否進(jìn)行驗(yàn)證分析。Multisim整個(gè)操作界面就如同一個(gè)操作臺(tái)一般，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果易于理解。

4.2 語(yǔ)音放大器仿真

根據(jù)此前設(shè)計(jì)的電路圖在仿真軟件中連接電路，如圖7所示，按照上一章的參數(shù)設(shè)定電路中的電阻和電容，保存成電路文件。

圖7 語(yǔ)音放大電路仿真

表1 語(yǔ)音放大器仿真測(cè)試結(jié)果

對(duì)語(yǔ)音放大器的幅頻特性進(jìn)行測(cè)量，得到語(yǔ)音放大器上下限頻率測(cè)試結(jié)果。由上、下限頻率的規(guī)定可知，當(dāng)電壓放大倍數(shù)的幅值20log|Av|下降3 dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率就是fH和fL，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 語(yǔ)音放大器上下限頻率

4.3 混合前置放大器仿真

按照設(shè)計(jì)的混合前置放大器電路圖在Multisim中連接電路，如圖8所示，依據(jù)此前的計(jì)算結(jié)果設(shè)置各元器件的具體參數(shù)值，再將其保存為電路文件。

圖8 混合前置放大器仿真

在仿真環(huán)境搭建好電路圖后，對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)試。將頻率為1 kHz的正弦波輸入電路，對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，使輸出的VO不失真，再將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 混合前置放大器仿真測(cè)試結(jié)果

對(duì)混合前置放大器的幅頻特性進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)在電路中接入頻率特性測(cè)試儀，得到混合前置放大器的頻率下限與上線的測(cè)試結(jié)果。由上、下限頻率的規(guī)定可知，當(dāng)電壓放大倍數(shù)的幅值20log|Av|下降3 dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率就是fH和fL，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 頻率上下限測(cè)試結(jié)果

4.4 音調(diào)控制器仿真

按照設(shè)計(jì)的音調(diào)控制器電路在Multisim中連接電路，如圖9所示，依據(jù)此前的計(jì)算結(jié)果設(shè)置各元器件的具體參數(shù)值，再將其保存為電路文件。

圖9 音調(diào)控制電路仿真

在仿真環(huán)境搭建好電路圖后，對(duì)音調(diào)控制特性進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試了低音的提升與衰減，將高音調(diào)節(jié)電位器PR2移至中間位置，即總電阻的一半，將低音調(diào)節(jié)電位器移至最左邊，即總電阻的全部，進(jìn)行如下調(diào)試。

(1)對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的f=40 Hz，Vm=100 mV，再對(duì)音量調(diào)節(jié)電位器PR3進(jìn)行調(diào)節(jié)，令電路的輸出電壓最大，由此得到PR3的值以及輸出電壓幅值：PR3=0 kΩ，Vom=698.0 mV。

(2)使PR3的值和輸入信號(hào)的幅度保持不變，在音調(diào)控制電路中接入頻率測(cè)試儀并將工作頻率設(shè)置在40 Hz到1 kHz之間，得到幅頻響應(yīng)曲線，同時(shí)記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)幅頻響應(yīng)曲線的觀察，記錄低音部分升高的最大值：F=40 Hz時(shí)，低音的最大提升量=17.004 dB。

(3)移動(dòng)PR1滑動(dòng)端使其處于電位器最右端，即變阻器PR1的百分比為0%，重復(fù)以上步驟，記錄低音的最大衰減量：F=40 Hz時(shí)，低音的最大衰減量=-16.933 dB。

相同的方法測(cè)試高音的提升和衰減。將低音調(diào)節(jié)電位器PR1移至中間位置，即總電阻的一半，將低音調(diào)節(jié)電位器PR2的滑動(dòng)端移至最左邊，即總電阻的全部，然后進(jìn)行如下調(diào)試。

(1)對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的f=10 kHz，Vm=100 mV，再對(duì)音量調(diào)節(jié)電位器PR3進(jìn)行調(diào)節(jié)，令電路的輸出電壓最大，由此得到PR3的值以及輸出電壓幅值：PR3=0 kΩ，Vom=463 mV。

(2)使PR3的值和輸入信號(hào)的幅度保持不變，在音調(diào)控制電路中接入頻率測(cè)試儀并將工作頻率設(shè)置在10 kHz到1 kz之間，得到幅頻響應(yīng)曲線，同時(shí)記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)幅頻響應(yīng)曲線的觀察，記錄低音部分升高的最大值：F=10 kHz時(shí)，低音的最大提升量=13.274 dB。

(3)移動(dòng)PR2滑動(dòng)端使其處于電位器最右端，即變阻器PR1的百分比為0%，重復(fù)以上步驟，記錄低音的最大衰減量：F=10 kHz時(shí)，低音的最大衰減量=-12.78 dB。

4.5 功率放大電路仿真

起初在設(shè)計(jì)中選用的功率放大器為集成功放，在使用的仿真軟件Multisim8中的元器件庫(kù)沒(méi)有功率放大器的集成塊，因此該單元電路需要使用分立元器件來(lái)仿真。而此前選用的LM386內(nèi)部的電路又比較復(fù)雜，搭建難度較大，因此選用電路原理圖進(jìn)行仿真，在這里采用了與工作原理相同的OTL功放，電路如圖10所示。

圖10 功率放大電路仿真

按照電路圖在Multisim中連接電路，再將其保存為電路文件。對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)對(duì)電位器R2進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)仿真萬(wàn)用表對(duì)K點(diǎn)的直流電壓進(jìn)行測(cè)試，由于靜態(tài)時(shí)Vk=0.5Vcc，當(dāng)測(cè)得電壓等于0.5Vcc時(shí)，R2=14 kΩ。

觀察了交越失真的現(xiàn)象，將電路中的D1和D2兩個(gè)二極管短接，從Vi端輸入交流正弦信號(hào)，頻率為1 kHz，通過(guò)示波器對(duì)輸出電壓Vo的波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以觀察到交越失真較為明顯。

此外，對(duì)功率放大電路的最大不失真輸出電壓進(jìn)行了測(cè)量，將頻率為1 kHz的交流信號(hào)輸入Vi處，接入示波器對(duì)輸出電壓Vo的波形進(jìn)行觀測(cè)，如圖11所示。當(dāng)出現(xiàn)上述的交越失真時(shí)，移動(dòng)電位器R3使輸入信號(hào)增大，測(cè)得最大不失真輸出電壓Vom為4.336 V[5]。

圖11 最大不失真波形

對(duì)音響放大器輸入靈敏度進(jìn)行了測(cè)量，將頻率為1 kHz的正弦交流信號(hào)輸入Vi處，增大輸入信號(hào)。當(dāng)輸入電壓達(dá)到Vom即4.336 V時(shí)，測(cè)得相應(yīng)輸入電壓即電路輸入靈敏度Vs為16 mV。

由以上仿真結(jié)果可以看出，本次設(shè)計(jì)的音響放大器系統(tǒng)能夠很好地滿足預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)要求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的保真放大效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要完成了對(duì)音響放大器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，通過(guò)對(duì)音響放大器各單元電路的分別設(shè)計(jì)與研究，實(shí)現(xiàn)了音響放大器的整體研究。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠完成對(duì)聲音信號(hào)保真放大的要求，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出音調(diào)的控制，系統(tǒng)的額定功率、負(fù)載阻抗、頻率響應(yīng)以及音調(diào)控制特性都能很好地滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求，同時(shí)也通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本音響放大器系統(tǒng)的可行性與有效性。就功能方面來(lái)講，本系統(tǒng)還有著較大的提升空間，還可以增加多路音頻輸入以及多播放模式切換等功能。今后，筆者還會(huì)不斷學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)，作為興趣愛(ài)好將這一音響放大器系統(tǒng)做得更加完美。