音調(diào)控制電路(-2016南京師范大學(xué)電賽校賽D題)

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12016 年 南 京 師 范 大 學(xué) 電 子設(shè) 計(jì) 競 賽音調(diào)控制電路（D 題）參賽組別： 大二 參賽組號： 32 隊(duì)員：張研、施明堃、劉事成 2目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求 .........................................................................................3二、摘要 ............................................................................................................................5三、設(shè)計(jì)原理概述 ..............................................................................................................5四、電路方案論證 .................................................................................................................7五、電路參數(shù)計(jì)算及系統(tǒng)參數(shù)協(xié)調(diào) ............................................................................9六、系統(tǒng)原理總圖 ...............................................................................................................13七、仿真與測試 ....................................................................................................................14八、元器件清單 ....................................................................................................................22九、參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................................223音調(diào)控制電路 （ D 題）一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求1、任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)音響系統(tǒng)中的音調(diào)控制器。音調(diào)控制器的輸入音頻信號范圍不小于 50Hz～20kHz，輸入信號幅度為 250mV。音調(diào)控制器能對低音頻和高音頻的增益進(jìn)行提升或衰減，中音頻的增益保持 0dB 不變，其幅頻特性曲線如圖 1 所示。圖 1 音調(diào)控制器的幅頻特性曲線2、要求1．基本要求（1）輸入信號頻率為 ?0=1kHz 時(shí)，增益為 0dB，誤差不大于 1dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度不超過 280mV～223mV） 。（2）輸入信號頻率為 ?LX=100Hz 時(shí)，增益為 dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度 1000mV～63mV）連續(xù)可調(diào)，波形無明顯失真。 （3）輸入信號頻率為 ?HX=10kHz 時(shí)，增益為 dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度 1000mV～63mV）連續(xù)可調(diào)，波形無明顯失真。2．發(fā)揮部分（1）輸入信號頻率為 ?L1=40Hz 時(shí)，增益為 dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度 2500mV～25mV）連續(xù)可調(diào)，波形無明顯失真。 （2）輸入信號頻率為 ?H2=25kHz 時(shí)，增益為 dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度 2500mV～25mV）連續(xù)可調(diào)，波形無明顯失真。（3）輸入信號頻率為 ?L2=400Hz 時(shí)，增益為 0dB，誤差不大于 dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度不超過 353mV fAu /dBfL1 fLX fL2 f0 fH1 fHX fH2 (40Hz) (100Hz) (400Hz) (1kHz) (2.5kHz) (10kHz) (25kHz)2012-12-206dB/倍頻程04～177mV） 。（4）輸入信號頻率為 ?H1=2.5kHz 時(shí)，增益為 0dB，誤差不大于 dB（輸入 250mV 時(shí)，對應(yīng)輸出幅度不超過 353mV～177mV） 。（5）其他。3、說明1．工作電源可用成品，也可自制，電源電壓自選。2．設(shè)計(jì)報(bào)告正文中應(yīng)包括方案比較與選擇、電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)折頻率計(jì)算、增益調(diào)整范圍計(jì)算及主要的測試結(jié)果等。4、評分標(biāo)準(zhǔn)表 1項(xiàng) 目 主要內(nèi)容 分?jǐn)?shù)系統(tǒng)方案和方案比較 比較與選擇方案描述 2理論分析與計(jì)算 轉(zhuǎn)折頻率計(jì)算及分析增益調(diào)整范圍及誤差分析 9電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件 電路設(shè)計(jì) 8測試方案與測試結(jié)果分析 測試方案及測試條件測試結(jié)果完整性測試結(jié)果分析8設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性 摘要設(shè)計(jì)報(bào)告正文的結(jié)構(gòu)圖表的規(guī)范性3設(shè)計(jì)報(bào)告總分 30基本要求 實(shí)際制作完成情況 50完成第（1）項(xiàng) 10完成第（2）項(xiàng) 10完成第（3）項(xiàng) 10完成第（4）項(xiàng) 10其他 10發(fā)揮部分總分 505二、摘要音調(diào)的控制不像音量控制,它只對某一段頻率的信號進(jìn)行提升或衰減,不影響其它頻段信號的輸出,而音量是對整個(gè)音頻信號頻率范圍進(jìn)行同步控制。關(guān)鍵詞：音調(diào)控制電路、頻率特性、音頻信號、高頻信號、輸入信號、退耦電容、低音調(diào)、衰減、提升、負(fù)反饋。三、設(shè)計(jì)原理概述音調(diào)控制電路是利用電子線路的頻率特性原理為目的，改變信號中高、低頻成分的比重，適合調(diào)節(jié)音色改善音質(zhì)，通過對聲音某部分頻率信號進(jìn)行提升或進(jìn)行衰減，不影響其他頻段。音調(diào)控制電路大致可分為三大類：（1）衰減式音調(diào)控制電路；（2） （晶體管、運(yùn)放）負(fù)反饋音調(diào)調(diào)控電路；（3）衰減-負(fù)反饋混合式音調(diào)控制電路。電路一般使用高音、低音兩個(gè)調(diào)節(jié)電位器；但在少數(shù)控制電路中，也有一個(gè)電位器兼做高低音音調(diào)控制電路。這里所說的提升和衰減，仍然是相對于中音頻而言的。所謂提升，就是比中音頻的衰弱要小一些。所謂衰弱。就是比中音頻的衰弱要大一些。一個(gè)良好的音頻控制電路，要有足夠的高、低音頻調(diào)節(jié)范圍，但又同時(shí)要求高、低音頻從最強(qiáng)到最弱的整個(gè)調(diào)節(jié)過程里，中音信號不發(fā)生明顯的幅度變化，以保證音質(zhì)大致不變。如圖 2-1 是音頻控制器的幅頻特性曲線，其中 ?L1表示低音頻轉(zhuǎn)折頻率這里為 40Hz，?L2 （等于 10?L1）表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率，?H1 表示高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率，?H2（等于 10?H1）表示高音頻轉(zhuǎn)折頻率，這里為 25kHz。圖 2-1 音頻控制器的幅頻特性曲線以 ?0=1kHz 為音調(diào)的中音頻，其增益為 0dB；?L1 低音轉(zhuǎn)折頻率（截止頻率） ，其增益為±17dB；?L2 低音頻區(qū)中音轉(zhuǎn)折頻率，其增益為±3dB；?H1 高音6頻區(qū)中音頻率轉(zhuǎn)折頻率，其增益為±3dB；?H2 高音轉(zhuǎn)折頻率（截止頻率） ，其增益為±17dB?？梢娨纛l調(diào)節(jié)電路只對低音頻與高音頻的增益進(jìn)行提升與衰減，中音頻的增益保持 0dB 不變。因此音調(diào)控制電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。圖 2-2 音調(diào)控制電路系統(tǒng)框圖如圖 2-2，輸入信號為高頻信號時(shí)進(jìn)入高音頻控制電路進(jìn)行衰減和提升；輸入信號為低頻信號時(shí)，進(jìn)入低音頻控制電路進(jìn)行衰減和提升；所有需要電源供電的元器件在接入電源之前需要接入去耦電容以去除電源噪聲影響，去耦電容是電路中裝設(shè)在元件的電源端的電容，此電容可以提供較穩(wěn)定的電源，同時(shí)也可以降低元件耦合到電源端的噪聲，間接可以減少其他元件受此元件噪聲的影響。供電電源 去耦電路高音頻控制電路低音頻控制電路信號輸入端 信號輸出端7四、電路方案論證1、音調(diào)控制電路方案 1 ：負(fù)反饋音調(diào)控制電路如圖 3-1.1 所示。該電路調(diào)試方便、信噪比高，因?yàn)楣ぷ髟谏疃蓉?fù)反饋狀態(tài)下，放大倍數(shù)極低，可改善信號失真，不同于衰減式音調(diào)電路，其曲線斜率基本不變而只改變轉(zhuǎn)折頻率。對高低電頻的調(diào)節(jié)量大于±15dB,對 1kHz 附近的中頻信號幅度影響較小，變化量小于 3dB，這樣可保證調(diào)節(jié)音量時(shí)響度基本不變，使用時(shí)為避免前級電路對音調(diào)調(diào)節(jié)的影響，接入的前級電路的輸入阻抗必須盡可能的小，應(yīng)與本級電路輸入阻抗相互匹配。R118k R218k54%RV150kC10.2uF C20.uFR380k45%RV250kR410k 32 184U1:ATL072R568k+12-12C370pFC41uF C51uFVi Vo圖 3-1.1 負(fù)反饋音調(diào)控制電路方案 2：如圖 3-2 為衰減式音調(diào)控制電路，C1、C2、RV1 構(gòu)成高音調(diào)節(jié)器，R1、R2、C3、C4、RV2 構(gòu)成低音調(diào)節(jié)器。組成音調(diào)電路的元件值必須滿足下列關(guān)系：（1） R1≥R2； （2） RV1 和 RV2的阻值遠(yuǎn)大于 R1、R2； （3） 與有關(guān)電阻相比，C1、C2 的容抗在高頻時(shí)足夠小，在中、低頻時(shí)足夠大；而 C3、C4 的容抗則在高、中頻時(shí)足夠小，在低頻時(shí)足夠大。C1、C2 能讓高頻信號通過，但不讓中、低頻信號通過；而 C3、C4 則讓高、中頻信號都通過，但不讓低頻信號通過。只有滿足上述條件，衰減式音調(diào)控制電路才有足夠的調(diào)節(jié)范圍，并且RV1、RV2 分別只對高音、低音起調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)時(shí)中音的增益基本不變，其值約等于 R2/R1。R1與 R2的比值越大，高、低音的調(diào)節(jié)范圍就越寬，但此時(shí)中音的衰減也越大。改變 R1或 R2后，如要保持原來的控制特性，有關(guān)電容器的容量也要作相應(yīng)改變，所以噪聲和失真大一些。810%RV120kC10.2uFC20.uF R110k50%RV31k C31nFC41nF R210kR310kVIVo圖 3-2 衰減式音調(diào)控制電路方案 3：如圖 3-3 為衰減-負(fù)反饋混合式音調(diào)控制電路，這種電路具有衰減式和負(fù)反饋式音調(diào)控制電路的優(yōu)點(diǎn)，即失真小并且控制范圍很寬，是前兩種電路的一種綜合和改進(jìn)，具有更好的實(shí)用性。R1()R1()R118k R218k46%RV120kC10.2uF C20.uFR370k0%RV220kR410k 32 184U1:ATL072R568k+12-12C370pFC420pFU1:A(OP)圖 3-3 衰減-負(fù)反饋混合式音調(diào)控制電路方案 4：如圖 3-4 為 LM4610 構(gòu)成的高品質(zhì)音調(diào)均衡集成電路，LM4610 具有集成度高，外圍元件少，電路簡潔;功能完善，性能優(yōu)異;低失真，高訊噪比等特點(diǎn)。但是價(jià)格昂貴，在本次設(shè)計(jì)中此種方案不予以考慮。圖 3-4 LM4610 構(gòu)成的高品質(zhì)音調(diào)均衡集成電路9經(jīng)過比較方案 1、方案 2 與方案 3，雖然方案 3 具有方案 1 和方案 2 的優(yōu)點(diǎn)，但是在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)椴恍枰^寬的控制范圍，使用方案 1 便可以符合設(shè)計(jì)要求所以在此使用方案 1。五、電路參數(shù)計(jì)算及系統(tǒng)參數(shù)協(xié)調(diào)圖 4-1 負(fù)反饋音調(diào)控制電路1.當(dāng) ?＜?0 時(shí)如圖 4-2，當(dāng) RV1在最左邊時(shí)，對應(yīng)于低頻提升最大；如圖 4-3，當(dāng) RV2最右端時(shí)，對于低頻信號衰減最大。Vi VoR118k R218k0%RV150k C20.uFR380k +1232 184U2:ANE532C61uFC71uF-12圖 4-2 低頻提升10Vi VoR118k R218k10%RV150kC20.uFR380k +1232 184U2:ANE532C61uFC71uF-12圖 4-3 低頻衰減對圖 4-2 進(jìn)行分析,所示電路圖是一個(gè)一階有源低通濾波器,器增益函數(shù)表達(dá)式為:其中: (1)、當(dāng) ?＜?L1 時(shí)，C2 可視為開路，運(yùn)算放大器的反向輸入端視為虛地，R4的影響可以忽略，此時(shí)電壓增益:此時(shí)電壓增益相對 AVL下降 3dB。（2） 、在當(dāng) ?=?L1時(shí)，因?yàn)??L2=10?L1，故可由式（4-1）得：取模后得：此時(shí)電壓增益 AVL相對下降 3dB。（3） 、在 ?=?L2時(shí)，由式（4-1）得取模后得：此時(shí)電壓增益 AVL相對下降 17dB。同理可以得出圖 4-3 所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對于中頻增益為衰減量。2.當(dāng) ?＞?0 時(shí)11C1、C2 可視為短路，作為高通濾波器，音調(diào)控制器的高頻等效電路為圖 4-4 所示。R4 與 R1、R2 組成星形連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖 4-5所示。其中，若取 R1=R2=R3，則 Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R3,當(dāng) RV2的滑臂到最左端時(shí)，對應(yīng)于高頻提升最大的情況等效電路見圖 4-6；RV2 的滑臂在最右端時(shí)，對應(yīng)于高頻衰減最大的情況，等效電路見圖 4-7。R118k R218kR380k45%RV250kR410k R568k+12-12C3370pFC41uF C51uF32 184U2:ANE532Vi Vo圖 4-4 音頻控制器高頻等效電路R1()R1()0%RV220kR410k 32 184U1:ATL072R568k+12-12C370pFU1:A(OP)R110k R210kR610k圖 4-5 圖 4-4 的等效電路12RV2(1)RV2(1)0%RV220kR410k32 184U1:ATL072R568k+12-12C3370pFU1:A(OP)R110k圖 4-6 高頻提升R1()R1() R410k32 184U1:ATL072R568k+12-12C3370pFU1:A(OP)R110kR210k圖 4-7 高頻衰減圖 4-6 所示電路為一階有源高通濾波器，其增益函數(shù)的表達(dá)式為：式中，(1)、當(dāng) ?＜?H1（ω<ω3）時(shí)，C3 視為開路，此時(shí)電壓增益 AV0=1(0dB) 。(2)、在 ?=?H1時(shí),因 ?H2=10?H1由式（4-12）得：此時(shí)電壓增益 AV3相對于 AV0提升了 3dB。(3)、在 ?=?H2時(shí), 因 ?H2=10?H1由式（4-12）得：13此時(shí)電壓增益 AV4相對于 AV0提升了 17dB。(4)、當(dāng) ?=?H2時(shí)，C3 視為短路，此時(shí)電壓增益:同理可以得出 4-7 所示電路的相應(yīng)表達(dá)式，其增益相對于中頻增益為衰減量。在實(shí)際應(yīng)用中，通常先提出對低頻區(qū) ?LX處和高頻區(qū) ?HX處的提升量或衰減量 x(dB)，再根據(jù)下式求轉(zhuǎn)折頻率 ?2L(或 ?1L)和 ?1H(或 ?2H),即已知 ?LX=100Hz，?HX=10kHz，x=12dB，由式(4-18)、(4-19)得到轉(zhuǎn)折頻率 ?2L及 ?1H；計(jì)算過程為：由式（4-4）得:其中，RP1、R1、R2 一般取幾千歐姆至幾千歐姆?，F(xiàn)取RP1=500kΩ，R1=R2=47kΩ，由（4-2）得：取標(biāo)稱值 0.01μF，即 C1=C2=0.01μF。由式（4-9） （4-10） （4-11）得：R4=R1=R2=47k, 則Ra=3R4=141kΩ，R3=Ra/10=14.1kΩ ，取標(biāo)稱值 13kΩ。由式（4-14）得:取標(biāo)稱值 470pF。取 RP1=RP2=500kΩ，級間耦合與隔直電容C4=C5=10μF。經(jīng)過參數(shù)計(jì)算得到滿足設(shè)計(jì)要求的電路圖如圖 4-8 所示。六、系統(tǒng)原理總圖1450%RV150kR110k+12C1470pF-12R247k51%RV250kC30.1uFR347k R447kC20.1uFC410uFC510uFC4(1) C4(1)C5(2)32 184 U1:ATL072C610uFC70.1uFC810uFC90.1uF圖 4-8 系統(tǒng)原理總圖七、仿真與測試1、仿真經(jīng)圖 4-8 的接線，當(dāng)兩個(gè)電位器都調(diào)到中點(diǎn)時(shí)，其頻率特性曲線如圖 6-1.1。圖 6-1.1 兩電位器在中點(diǎn)時(shí)電路頻率特性曲線當(dāng)高頻電位器調(diào)在中點(diǎn)，低頻電位器在最左端時(shí)，其頻率特性曲線為圖 6-1.2。15圖 6-1.2 低頻電位器在最左端時(shí)的幅頻特性曲線當(dāng)高頻電位器保持中點(diǎn)時(shí)，低頻電位器調(diào)到最右端時(shí)的頻率特性如圖 6-1.3。圖 6-1.3 低頻電位器在最右端時(shí)幅頻特性曲線當(dāng)?shù)皖l電位器調(diào)至中點(diǎn)，高頻電位器調(diào)至最左端時(shí)，頻率特性曲線如圖 6-1.4。圖 6-1.4 高頻電位器在最左端時(shí)的頻率特性曲線當(dāng)?shù)皖l電位器保持中點(diǎn)，高頻電位器調(diào)至最右端時(shí)，頻率特性曲線如圖 6-161.5。圖 6-1.5 高頻電位器在最右端時(shí)頻率特性曲線2、測試音調(diào)特性測試方法 1—測頻法：輸入幅度 Uim恒定的正弦波信號，改變輸入信號的頻率 ?（通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率）來觀測其輸出幅度 Uom (?)，當(dāng) Uom (?)達(dá)到預(yù)定幅值時(shí)，此時(shí)信號發(fā)生器輸出的頻率讀數(shù)值即為給定增益處的頻率 ?。音調(diào)特性測試方法 2—測幅法：輸入信號 Uim幅值的正弦波信號，調(diào)節(jié)輸入信號的頻率 ?（通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率）至給定的頻率，測量出的輸出幅度 Uom即為給定頻率處的 Uom (?)。這里使用測試采用測幅法。測試內(nèi)容及步驟如下： （1）按圖 4-8 連接電路，注意正負(fù)電源、地的正確連接。使 RP1、RP2 可調(diào)電阻器滑臂均置中間位置。（2）分別輸入信號頻率為 40Hz、100Hz 、400Hz、1kHz、2.5kHz、10kHz、25kHz 和其他頻率的正弦波幅度為 250mV，轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)電位器，觀察輸出信號幅值的的最大值與最小值并記錄在表 6-2，并繪出頻率特性曲線，如圖 6-2.1。表 6-2 音調(diào)控制特性測量數(shù)據(jù)表（Uim=250mv）測量頻率點(diǎn) 實(shí)測電壓范圍實(shí)測增益范圍理論電壓范圍 理論增益范圍?L1（40Hz） 1.72V～22mV16.25～-21.1dB2500（1769）mV～25(35)mV±20(17)dB?LX（100Hz） 885mV～68.8mV10.98～-11.2dB1000mV～63mV ±12dB?L2（400Hz） 312mV～232mV1.92～-0.65dB353mV ～177mV 0（±3）dB?0（1kHz） 272mV～232mV0.73～-0.65dB不超過 280mV～223mV 0（±1）dB?H1（2.5kHz 352mV～ 2. 97～- 353mV ~177mV 0（±3）dB17） 184mV 2.66dB?HX（10kHz） 960mV～68mV11.69～-11.31dB1000mV～63mV ±12dB?H2（25kHz） 2.4V～24mV18.06～-20.35dB2500（1769）mV～25(35)mV±20(17)dB?1（20Hz） 2.4V～24.88mV19.65～-20.04dB2500mV～25mV ±20dB?2（40kHz） 2.6V～26.4mV20.34～-19.53dB2500mV～25mV ±20dB圖 6-3.1 40Hz 時(shí)最小值圖 3-1.2 40Hz 時(shí)最大值圖 6-3.3 100Hz 時(shí)最小值18圖 6-3.4 100Hz 時(shí)最大值圖 6-3.5 400Hz 時(shí)最小值圖 6-3.6 400Hz 時(shí)最大值19圖 6-3.7 1kHz 時(shí)最小值圖 6-3.8 1kHz 時(shí)最大值圖 6-3.9 2.5kHz 時(shí)最小值20圖 6-3.10 2.5kHz 時(shí)最大值圖 6-3.11 10kHz 時(shí)最小值圖 6-3.12 10kHz 時(shí)最大值21圖 6-3.13 25Hz 時(shí)最小值圖 6-3.14 25kHz 時(shí)最大值圖 6-3.15 20Hz 時(shí)最小值22圖 6-3.16 20Hz 時(shí)最大值圖 6-3.17 40Hz 時(shí)最小值圖 6-3.18 40Hz 時(shí)最大值八、元器件清單表 7 元器件清單表序號 品名 型號/規(guī)格 數(shù)量 備注10uF 4 電解電容103 2471 11 電容104 247kΩ /1/4W 3 RJ2 電阻10kΩ /1/4W 1 RJ3 電位器 500kΩ 2 旋鈕式234 集成運(yùn)放 NE5532 1 TL0725 電路板 洞洞板 若干 面包板6 插槽 8 腳 1XH2.54-3P 17 接插件XH2.54-2P 2插接線 若干8 導(dǎo)線飛線 若干九、參考文獻(xiàn)1、康華光;電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分;華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編;第六版; 北京;高等教育出版社;2013.122、康華光;電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分;華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編;第六版; 北京;高等教育出版社;2013.123、趙建華 雷志勇;電子技術(shù)課程設(shè)計(jì);北京;中國電力出版社;2012.24、胡快發(fā);音調(diào)控制電路的頻率特性及設(shè)計(jì)[J];LABORATORY SCIENCE;2007年第 6 期;2007.125、幸坤濤; 音調(diào)控制電路剖析[J]; 家庭電子;2003 年 03 期;2003.66、張墅;常用音調(diào)控制電路解析與設(shè)計(jì);2009.6