音响放大器课程设计报告

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目录

一设计要求 ..................................................................... 2

二设计的作用目的 ............................................................... 3 三设计的具体实现 ............................................................... 4

1 •系统概述 ................................................................. 4

2.单元电路设计，仿真与分析 ................................................... 5

2.1功率放大电路（第三级） .................................................. 5

2.2音制（第二级） ...................................................... 9

2.3混合放大输入级（第一级） ............................................... 20

3电路的调试 ................................................................ 24

四. 心得体会及建议 ............................................................ 25

1.心得体会 .................................................................. 25

2 •建议 .................................................................... 25

五. 附录（元器件列表） ........................................................ 26

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六. 参考文献・・・ ............................................................ 27

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音响放大器设计报告

一.设计要求

设计一个音响放大电路，当输入信号源和话筒的声音时，输出一个放音和音量都可调 音响。具体要

求：

（1） 输出功率P大于或等于1W,负载阻抗R=8Q,失真＜5%O频响特性:低频

截止频率fL=40HZ,高频截止频率fh=2OKHZ （人耳的听觉范I制）。 （2）

音制：中频fO=lKHZ处增益是OdB,当频率为IOOHZ和8KHZ处有

12dB的调节范围，低频和高频段得最大增益为20dB （放大倍数AVLm和 AVHm均是10倍。

（3） 话筒输岀灵敏度是5-8mVo

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二・设计的作用、目的

音响放大电路是把麦克风和拾音（从录音机、电唱机中取出）信号一起混合放大但乂 不岀现失真的电路。可以放大mp3,碟机等输出的模拟信号，我们常见的音频功放和此 原理大致相同，将此电路应用于实际，可以放大音乐，并且人们可以调节其音调和声 音的大小，其中的音制级电路可以调节音频信号低频段和高频段的增益，从而达 到不用的试听效果。通过对此音频放大的模拟，我们可以从中学到很多贴近生活的知

识，了解常其内部原理，于此同时乂能巩

我们学习的模拟电路知识，将课本上所学

与实际相联系，培养我们设计电路，模拟电路的兴趣，为我们进一步的学习打下坚实 的基础。

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三.设计的具体实现

1 •系统概述

音响设备是是使用广泛的电子设备，其中电路是音响放大器。尽管由于功能和性 能的不同其电路有所不同，但基本组成相同，其原理框图:图1.1

图1・1原理框图

该电路主要由三部分组成，混合前置放大级，音制级，和功率放大级三大 部分组成。 第-•级，混合前置放大级，模拟选用的是LM324AD集成运放芯片，将输入的话 筒信号和

磁带放音机信号做加法运算。其中话音放大级输出5-8 mv的微弱电压，仿真 中用幅值为5 mv的正弦波代替。磁带收音机输出用幅值为50 mv的正弦波代替。

第二级，音制级。为了达到理想的试听效果，让输入的音频信号在低频段 100 HZ处和

高频段8000 HZ处各有±12dB的增益。其中中频段IkHZ处增益为OdB,

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电压放大倍数为一倍，实际上有衰减，故取0.8倍。

第三级，为功率放大级，此处使用的是由集成运放与晶体管组成的OCL功率放 大器电路。

电压放大倍数为60倍，增益为28dB0

设计总体方案

设计思路是先整体后局部。按照各级功能及技术要求，首先确定各级增益分配， 而乂分别选

择，设计各级电路元器件以及参数。通常从功放级开始向前逐步设计。根 据技术指标要求音响放大器输入信号5mv,功率输出p>=lwz由公式

P=∪2∕R>=1W7得出U>=2.8v,収u=4v,则整体放大电路电压放大倍数A∪=4V∕5mv=800

（增益约为55.5dB）0功率级属于大信号输入（IOOmV以上）其电压放大倍数一般为儿 十倍。当音调在中频段是既（f二IkhZ）时，电压放大倍数为1倍（增益为OdB）,但在实 际中会有衰减，所以一般取0.8倍。混放和话筒放大级，不但要考虑自身输入的信号 大小，还要考虑在集成运放中增益带宽积的一般混放级AU取儿倍话放级取10倍 左右。 其大致框图如1.2

→ 15Of 50mv 12OmV

3v

话放级 AUI=IO 20dB 混放级 Au2=3 9.5dB 音调级 Au3=0.8 ・2dB 功放级 Au4=25 28dB 图1.2大致框图

2.单元电路设计，仿真与分析

24功率放大电路,第三级L

功率放大器（简称功放）的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定

的输出功率•当负载一定时,希望输出的功率尽可能大,输出信号的非线性失真尽

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可能地小,效率尽可能髙。由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图

1・3所示，其中，运放为驱动级，晶体管门〜T4级成复合式晶体管互补对称电 路

图1.3功率放大器电路图

电路工作原理

三极管Tl、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。T3、

T4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第-•只决定，即为PNP 型。R5、R6、R15及二极管Dl. D2所组成的支路是两对复合管的基极偏置电 路，静态是支路电流IO可由下式计算：

IO=(2Vcc-2VD)∕(R4+R5+RP2)

(2.1.1) VD 为二极管的正向压降

为减小静态功耗和克服交越失真，静态时Tl. T3应工作在微导通状态，即 满足下列关

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系：VAB/VD1+VD2/BE1+VBE3

称此状态为有甲乙类状态。二极管DI、D2与三极管Tl、T3应为相同类型 的半导体材料，如图DI、D2为硅二极管2CP10,则Tl、T3也应为三极管。R15 用于调整复合管的微导通状态，其调节范国不能太大，一般釆用儿百欧姆或 1K0电位器（最好采用精密可调电位器）。安装电路时首先应使R15的阻值为 零，在调整输岀级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。否 则会因R15的阻值较大而使复合管损坏。

R8、R10用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为儿十欧 姆至儿百欧姆，Rll、R12为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为 儿欧姆。R7、R9称为平衡电阻使Tl、T3的输出对称，一般为儿十欧姆至儿百 欧姆。Rl3、C3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因扬声器 呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。此外，感性 负载易产生瞬吋过压，有可能损坏晶体三极管T2、T4o Rl3、C3的取值视扬声 器的频率响应而定，以效果最佳为好。一般R12为儿十欧姆，C3为儿千皮法至 0.1FO

功放在交流信号输入时的工作过程如下：当音频信号Vi为正半周时，运放 的输出电压VC上升，VB亦上升，结果T3、T4截止，Tl> T2导通，负载RL中 只有正向电流L且随Vi增加而增加。反之，当Vi为负半周吋，负载RL中只 有负向电流iL且随Vi的负向增加而增加。只有当Vi变化-周时负载RL才可获 得一个完整的交流信号。

静态工作点设置：

设电路参数完全对称。静态时功放的输出端0点对地的电位应为零，即 VO=O,常称0点为“交流零点”。电阻Rl接地，一方面决定了同相放大器的输 入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为零，即V+=0°由于运放的反相端 经R3、RPI接交流零点，所以V-=OO故静态时运放的输出VC=OO调节RPI电 位器可改变功放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由IO决定，IO过小会使 晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，IO过大会增加静 态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取IO=IrnA~3mA, 以使T2、T4工作电甲乙类状态。

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仿真过程：

图1.4功率放大器仿真图

在仿真过程中，给输入端加一幅值为12OmVz周期为IOOOHZ的正弦波，通过示波器可形如图1.4

当输入幅值为120mv频率IOOOHZ的正眩波吋，输出幅值为3.215v的不失真正弦波, 其幅值和放大倍数已满足条件。放大倍数AU3=3∕0.12=25O

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得到其波

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2・2音制（第二级）

音制级的H的是调节音响放大器的频率响应，以满足人们对不同音调

的不同需求。常用的有衰减式，反馈式，图解式，其中反馈式因调节方便，元件较少, 在中小功率的电路中很常见。反馈式音制级得框图和频响如图1.5

AV ZdB

20 17

2OdB∕IO 佈硕

30 3 7 O 一一

I 2 图1.5音制频率响应

基本原理

音制级是以中频•千赫兹增益零分贝为基础,对低音频区和高音频区的增益进 行提升和衰减。中频f=lkHZ时，Cl和C2相当于短路，C3开路，Rp2很大相当于 开路，中频吋Au=R2∕Rl=l（相当于OdB）.

综合考虑各电阻的选取原则，一般R‰R2zR3取儿至儿十千欧，此处 R1=R2=R3=R=43KΩ , RPI=RP2=470KΩ 。

由 f∣=40HZ=l∕2π RCI 得 Cl=0.01∪Fz由高频段等效模型得 Ra=3R=129kΩ 由 fh=20000HZ=l∕2π RaC3 得 C3=470PF.

其中Co为耦合电容，可以滤去低频段的直流分量，使第一级和第二级静态工作点 互不影响。 1＞音制器的组成和音调调节的基本原理。其实质就是•反馈网络，组成RC网络 和放大器组成闭环系统，放大器要求输入电阻无穷大，输出电阻无穷小，所以采 用的集成运算放大器较好。经过尝试，最后选用multisim中通用型集成运算放大

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器，设计电路图如图1∙6

低音频区时，

c3相当于开路，RPl调至最右端时低频衰减最大。 电路图如1.7

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OSdIlOSCO Pe-XSCI

图1.7低频衰减电路

IBOBI

图1.8低频衰减仿真

测得输入幅值149mv,输出幅值为126mv,放大倍数约为0.8倍;

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交流分析如图1.9,

傅 GraPher VIeW

File Edit VieVV TOOIS

D H ≡β< ⅛ ½ ® Ω 曲 Q K ¾ Q H ⅛ ⅛

BMe FlΦtt⅛r-XBΓl |

0SCIlIOSCOPe-XSCl AC AliaIySιS ∣ Bod⅞ Flfrtt⅛r∙XBFl |

< t>

0≡cilloscOPeeXSCl ACJJ ►

音制 AC AnaIySiS

Iaf

IOOnI Z

2

-IW IJ-I

O V-

・JU -t JV -

SeleCted Diagram: AC AnaIySiS

AC AnaIySiS

-A ----------------------- - --------------- ≡⅛ - ≡x δ ----------------- ≡! ------------------------------⅛— 100 FreqUenCy (HZ)

510

100.1782 275∙3186m 10.0000 87.9822m -90.1782 -187.83m -11.0Inl -5.323S

10.0000 1.0OOOk 87.9S22m 1.0874 0.0000 0.0000

S9

100.1782 1.0000 10.0000 1.0000 -90.1782 0.0000 -11.0Im

Ik

Xl yi X? y2 dx Ciy 1/dx 1/dy mln X max X mln y max y offset X □ffsec y

10.0000

1.0OOOk 1.0000 1.0000 0.0000 0.0000

图1.9低频衰减交流分析

由以上数据可知,频率约为IOOHZl⅛,的衰减倍数约为1000∕275≈3.6倍。约为-11.6dBo 幅频特性如图2.0

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GraPher View

File Edit VieW Tools

L

μ AC AlLalySIS ∣ BOde Plotter-XBPl ∣ OSCLlIOSCOPe-XSCl ∣ AC ATlalJr≡ιS Bode FlottereXBFl ∣ OgCillQSC^ I OW

.1 W

.2・o

□⅛ H ⅛ a X ⅛ 曲目血铤◎愆Eg誌也式I釦醫風闕

音制

&——-—王二二乂二二專

10.00

-1

1.0Ok

720.00

JOV.W -

.3U-

-720.00 4-

10.00

FreqUelICy (HZ)

SeIected Page: BOde PlOtter-XBPI

⅛∣

SQde ReaSUl匸

Xl

yi x2

1/dx l/dy min X max X min y max y OffSen X OffSet y

100.5399

-11.1石09 10.0000 -21.1121 -90.5399 ・9・9512 -11.0449ro -IoO∙490Om

10.0000 1000.0000

S7.9S22IE

1.0874 0.0000 0.0000

图2.0低频衰减幅频特性

由上边数据可知，当频率为IOOHZ时，下降11.1609dB,⅛本符合设计要求。 低频提升等效模型如图2.1,

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Il

0 PAMPeST_VFITUAL

如图2.1低频提升电路

其交流分析如图2.2, 多7 GraPher VieW

File Edit VieW TOOlS

UJ (=) ΣS |

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Qla： H

⅛ ¾ ■ α ≡ tEi ¾ ¾ ⅛^⅛ ◎破 1? IaME3

I OS C ill o≡c OPe-XSC 1 M AnalySi S ∣

< I »

Bode PlOtter-XBPl ∣ OSCilLOSCoPe-XSCl BOde PlOttw:T-XBPI

音制

AC

u∙≡cncw SiS

一QP (co⅛o≡≤ •A AA ! 」 ------------------------------------------ , IOOm ■ 10

A ------------ - ------- 卜 . Frequency (HZ)

FreqUenCy (HZ)

SeIeeted Diagram: AC AnalySiS

AC AnalySiS

$10

Xl yi

100.7783

3.6116

$9

100.7783 1.0000

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华北科技学院课程设计 图2.2低频提升交流分析

由以上数据可知在IOOHZ处放大3.6倍,即增益+11.2dBo 高频时，Cl, C2可视为短路，其等效变换如图2.3

4√0kΩ

图2.3高频等效电路

星型变换为角型如图2.4,

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470kΩ

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华北科技学院课程设计 图2.4高频等效变换电路

RP2最左端时,对应高频提升，图2.5

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Y纺 GraPher VieW

File Edit VieW ToOIS =Il Ξ Il S3 爲嗚念 α I曲 目ty <¾曰空目 Q>矽怎遵 S> IS ∣3⅛ E5 Bode PIotter-XBPl ∣ OSCilloSCOPe-XSCL ∣ AC AJXaIySiS ∣ Bode PlOtter-XBPl ∣ OSCilloSCoPe-XSCl

音制

91三FreqUenCy (HZ)

AC AnalySiS

回

SlO

$9

Xl

yl

×2 y2

8.O957Jc 3・42 1∙OOOOk 1.0874

S.09S7k 1.0000 1∙OOOOk 1∙OOOO

Q

・2〉 •50 -IoO -125

-150

Ik

图2.6高频提升交流分析

图中对应800OHZ时，对应放大倍数为3.42,约等于11.：LdB基本符合设计要求。RP2 最右端时，对应高频衰减，如图2.7,

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AC Analycic

?10

?9

叵

×1 8 ∙ 00431c 8∙0043k

yi 296.6083m

1.0000 ×2

1.00003c 1.OOOOk

y2

919.5623In

1.0000

其对应交流分析如图2.8,

“够F GraPher VieW

File Edit VieW ToOlS

D a； H ≡βι <⅛电倉口 曲El血®® 筱吐 愆觀总毬 烈 E) M ES

3od« FlOttWr-XDFl

0⅞cilLoscop⅜-XSCl ∣ DodV Fl<∣ttwr-XDΓ1 ∣ OscilLoscopv-XSCl U

音制

AC AnalySiS ___________________________

lm L

Ik

IOk

FreqUenCy (Hz)

@p) i£ O J O 5 O 5 O

图2.8 ∣⅛频衰减交流分析

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IGok

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其放大倍数为296∕1000≈3.3倍即-ll.ldB.

数学模型(低频段)

低频等效电路图中电压放大倍数的数学表达式为 其中电路电压放大倍数Au=Uo/Ui=-(R2∕(R1+Rpl))

3fς l+j⅛)

1+j (f∕fl2)

其中 flι=ι∕2πRpicιz fl2=(R+Rpl)∕2πRplRCl, 其模值为

① AU = 丁[l+j(f∕fll) 2]∕[l + j(f∕fl2)2]

参照以上分析结果，

当fvfll时，CL可视为开路,此时有Au=R∕(R+RPl)=0.1相当于-20DbO 当 f=fll 时，因 fl2=10fll,由公式①得,AUI=V2Aulm,比 AIUm 上升 3dB. 当 f=fl2 时，Aul2=10Aulm∕V2,tt中频增益低 3dB.

f在f∣l和f∣2之间变化吋，可近似认为电压增益以每倍频六分贝的斜率变化。 以上为低频衰减，低频提上段与其对称。

在 f数学模型(高频段)

其放大倍数表达式为，

AU =-(Rb∕ Ra)*

1+j (⅛ l÷j (w∕wl)

Wl=2π fhl=l∕[(Rb+R4)C3] fhl=l∕[2π (Rb÷R4)C3] W2=2π fh2=l∕ R4C3

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fh2=l∕(2π R4C3)

②AU二譽V[l+j(f∕fh2) 2]∕[l+j(f∕fhl)2]

由其模值的表达式可知，

当 f=fhl 时，模值 AUhI=Rb∕√2Ra 比中频(AU=Rb/Ra=IO)下降了 3dB；当 f=fh2 时, Auh2=√2Rb∕10Ra,比中频段下降了 17dB°

当f在fhl和fh2之间变化时，因为fhl<fh2ss时分别提升3分 贝，17分贝，20分贝。

由 fl2=flx*2xz6=400HZ, fhl=fhx∕2x76 =2Khz, fl=40H乙 fh=20000HZ

2.3混合放大输入级(第一级)

考虑到音频输入信号，话筒输入约为5-8mv声音信号，而磁带录音机输入约为50-8OmV 的声音信号，故设计此级为不同放大倍数的加法运算电路，有公式

Rf

Au=--放大倍数分别为10倍和2倍，故取第一级Rl, R2, Rf,分别为3kΩ , 15kΩ ,30k

RI

Qo集成运放使用的是LM324,它是四运放集成电路，每一组运算放大器可用图1

所示的符号來表示，它有5个引出脚，其中“+〃、\"・〃为两个信号输入端，“V+〃、“V・〃 为正、负电源端，“Vo\"为输出端。两个信号输入端中，Vi・(-)为反相输入端, 农示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；考虑到它为四运算放大，此处 我们只使用其1/4部分。 设计电路图如图2.9

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信号发生器1输入幅值为5mv频率IkHZ的正弦波，信号发生器2输入幅值为50mv 频率IkHZ的正弦波,由示波器观察到的波形如图3.0

图3.0混合输入放大仿真

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由以上数据可知5rnv放大十倍，50mv放大两倍，其和为150,结果计算基本吻 合。综合各级电路，总电路设计图3.1

在分级调试过程中，出现了问题，不能用两个信号源输入两路信号，这样会导致 波形失真和不能进行交流分析和噪声分析。交流分析和直流分析时，要输入一基 准信号，经过多次调试，才发现这个问题。最后给输入端输入幅值50mv,频率50HZ 的正弦波，得到了理想的波形。用示波器观察，其波形如图3.2

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OSCilIOSCOPe-X SC 3

OSCiIIOSCOPe-XSCI

I Y 阳‘ » ■ ■ ■ ■ ■ JJ Tl ・■»! T2 4→∣ T2-T1 -Tmetase TrW 297.1⅛3ms Ωtv⅝nr*l-A 45.β58 mV CLFwnr*! R -192.057 mV [-Chanlnel A Soaie 150 mV∕D∣v Y PoSitJO CMrnel 3 Soate 120Onr Y pθS∙itiθ∏ [θ SCaieI 5∞⅛∕Dιv X POSttIOr 0.6 [wf x√⅜d∣ a*A∣ A,B∣ AcJ Ol 更 G I ACI 0 Jδδ

OSCiIIOSCQPe-XSC2

图3.2总设计图仿真

由上面的结果可知一级，二级，三级，输出的幅值分别为90.583mvz118.082mv, 3.250v.其放大倍数Au=3v∕50mv=60倍，即约等于35.4分贝，波特图3.3

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够 GraPher VieW

File Edit VieW TOOlS

Bode FLOtter-XBFl ∣ OSCilIOSCOPe-XSCl ∣ Bode FIOtter-XBn OSCilIOSCoPe-XSCl ∣ BodQ PIatter-XBPJJ2

OoO JJ .w 0 35.00 -70.00

10.0Ok

-T

音频

LOOM

□ a?a≡a ⅛ ¾e≤⅛∣B□ 求 1> 谢曲专

IooO-OOm

100.00

E爾总

720.00

SOlLUU •

O t4J

-360.00 ・ -720.00 —

1.00

1.0OM

10.0Ok

FTeqUenCy (HZ)

回 BOde ReSUlt Xl yi x2 1^.1165 32.7318 20.4323k 31.6859 Y2 图3.3波特图

其中频段为增益为35.5分贝，低频截止频率为14HZ,高频截止频率为20000HZ.

3电路的调试

①输出功率的调试

将R6置于最大，输出功率级接额定负载，混放级输入IKH乙5OInV电压，察示波器 上的波形，观察其是是否失真并计算其输出功率，看是否达到要求，若岀现失真, 或功率没达到要求，那么调节各级滑动变阻器，使其达到要求。 ②音制的调试

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断开音制级的前后电路，把150mv的电压输入，再在音制级的输出端测 量输出电压和波形，先测IKHZ的值，在分别测高频和低频特性。测试方法：调节 滑动变阻器RPI和Rp2,记录其上下限频率。

四•心得体会及建议

1.心得体会

每一个学习电子相关的人都有电子制作的经历，而其中很重要的一部分就是对你 将要制作的东西，进行可行性的分析，而Hiultisim正解决了这一问题，在此次设计 电路的过程中，从开始吋的不断失败到逐渐得心应手，到最后的设计制作成功，其屮 的滋味是没有制作经历的人所无法领会的。通过这次模拟实验，通过模拟组装、调试 使我们快速步入电子设计的大门。模拟过程也是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫 的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，在电脑上调试考验了我们的 操作水平。

刚开始拿到课题，无从下手，后来经过查阅资料，上网搜集信息，与同学讨论, 在郭老师的指导下，将设计的电路一部部改进，增强了可行性。

这次模拟电路的设计，我们将所学知识付诸了实践，提高了动手操作能力和各项 思维。付出了汗水后，对自己的成功感到欣慰和开心。

2•建议

本次的模拟过程中省略了话筒信号的混响BBD结构，丈物制作过程中可能达不到理想 的试听效果，以后可以将电路图继续完善，制成实物，增强自己的成就感。

三级电路中前两级集成运放芯片可选择专用的音乐芯片，其效果应该更好。此次 制作的是单声道输出，以后可以尝试制成多声道音频功放。

MUItiSinI只能定性的分析电路的可行性，但不代表其就能达到真实的效果，其测 试数据有待事实的考证，不能右LJ轻信模拟数据。

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五•附录（元器件列表）

话筒 电阻Rl 电阻R2 电阻R3 电阻R4 电阻R5 电阻R6 电阻R7 滑动变阻器 电阻R8 电解电容C2 瓷片电容C3, C4, C5 瓷片电容C5 瓷片电容C6 瓷片电容C7 集成运放 集成运放 集成功放 信号发生器 示波器 波特仪 普通驻极体话筒 IQ 8. 20 680Q IOkQ 13kQ 15kQ 22kQ 470kQ 43KQ IoUf 470pf IOPf IOOPf IOOnf UA741 1只 1只 1只 1只 3只 1只 1只 2只 2∏ 3只 3只 1只 2只 2只 2只 1只 1只 1只 2台 3台 通用型 TDA2030 一台 29

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六.参考文献

⑴苗松池《电子实习与课程设计》中国电力出版社.2010.2 [2]路勇《电子电路实验及仿真》

清华大学出版社.2004.1

⑶高吉祥《模拟电子技术基础实验与课程设计》北京电子工业出版社.2001 [4]陈明义《电子技术设计实用教程》 ⑸ 高青《MUItiSim 8电子工作平台及应用》

⑹陈有卿《新颖实用分立元件电子制作138例》⑺李银华《电子线路设计指导》 [8]姚福安《电子电路与实践》

中南大学出版社，2002 等教育出版社.2010.1

航空航天大学出版社.2005.6科技技术岀版社.2001.10

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