基于Multisim14.0 的有源二分頻音頻放大電路設計與仿真

辛達，張曉剛，李思璇，蔡薇

（大連科技學院 交通與電氣工程學院，遼寧大連，116052）

0 引言

近幾年以來，隨著電子科技產(chǎn)品的發(fā)展，模樣款式性能大不相同的電子科技產(chǎn)品正在漸漸地融入到我們的日常生活中來。伴隨著電子科技產(chǎn)品的日趨成熟，人們對聲音品質(zhì)也有了更高的要求。更多學者偏向于憑借著高速發(fā)展的EDA相關技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中快捷地對功放電路的多種性能參數(shù)進行有效的分析，進而達到更高級的設計目的，提高設計產(chǎn)品的性能[1]。目前有學者已運用Multisim 模擬電子技術(shù)展開對有源二分頻放大電路的研究[2]，借助Multisim 可直觀了解濾波電路的作用[3], 說明了Multisim 對模擬電路仿真的潛在功能與優(yōu)勢[4]。本文目標是完成有源二分頻網(wǎng)絡的音頻放大電路設計，實現(xiàn)音頻信號的二分頻和功率放大功能。在選擇特性指標和計算元件參數(shù)后，基于Multisim14.0 虛擬示波器觀察輸入和輸出波形幅度和相位的變化，進一步探索Multisim 仿真軟件在模擬電路中的使用，從而更加直觀地實現(xiàn)預定的指標和功能，體現(xiàn)了電路仿真的更大優(yōu)勢。

1 方案設計要求

音頻放大電路，通常來說就是我們所知音響的系統(tǒng)中的放大器，核心構(gòu)成部分有前置放大器、音頻調(diào)控級、功率放大級。本文總體上對預處理電路的要求使其具有自動增益控制功能，并完成高通濾波器及其功率放大電路、低通濾波器及其功率放大電路的設計（如圖1 所示），實現(xiàn)如下指標。

圖1 音頻信號分頻及功率放大電路結(jié)構(gòu)框圖

（1）關于設計的總電路的預處理電路，確保其輸入電路的阻抗大于10kΩ，最大增益≥46dB。保證預處理電路的特定的自動增益控制功能，當VS（輸入正弦信號）幅度在10～100mV（有效值）時，VC（中間輸出信號）在 100 Hz～20kHz 頻帶內(nèi)的幅度變化范圍≤1dB。

（2）設計并制作關于有源二分頻電路的高通濾波器以及功率放大電路，使中間信號VC 經(jīng)過高通濾波電路和放大電路后輸出信號 VA。高通濾波器的-3dB 時的截止頻率為2kHz，阻帶衰減率為24dB/倍頻程，10kHz～20kHz 帶內(nèi)波動≤3dB。

（3）設計并制作關于二階低通濾波器和功率放大電路，由信號VC 經(jīng)過低通濾波和放大電路輸出信號輸出信VB。低通濾波器的-3dB 截止頻率為 2kHz，阻帶衰減率 24dB/倍頻程，100Hz～1kHz 帶內(nèi)波動≤3dB。

（4）信號VA 和信號VB 在2kHz 頻點的相位之差≤±10°。

2 系統(tǒng)電路設計

設計中使用了較為理解AGC 的工作狀態(tài)的AGC 放大電路，使用了運放功放AD824，采用JFET 結(jié)型場效應管做自動增益控制電路，用于高低通濾波器加功放輸出。相位可以調(diào)節(jié)0～180 度，仿真軟件上選擇了較為熟悉的Multisim 14.0。

■2.1 理論分析

為便于對信號進行處理，采用同向頻率放大十倍使得輸入電壓從10～100mV 變?yōu)?00～1V，放大器可使用OPA211、228、227 等。采取AGC 電路作為預處理電路，AGC 是自動增益控制，作用是使放大器適應不同信號強度，保證在不同條件下都能穩(wěn)定工作、輸出優(yōu)質(zhì)的聲音和圖像信號。

為提高濾波特性和負載的能力，預設計的二階有源高通濾波器電路，其特點是輸入阻抗高、輸出阻抗低，有利于題目設計。預設計的有源低通濾波電路能高效通過低頻信號，抑制或衰減高頻信號，電路為二階壓控電壓源低通濾波電路，由兩個RC 環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成。為避免對電路的實際電路測量產(chǎn)生影響，運放輸入阻抗和開環(huán)增益都應該足夠大。

■2.2 數(shù)據(jù)計算

電路數(shù)據(jù)參數(shù)可用公式(1～4)進行計算，有關電壓控制增益原理AD603 和AD824 的基本增益可以用公式(3)算出。從此式能夠看出，以dB 為單位的基本增益Gain，其對數(shù)增益和電壓之間呈現(xiàn)為線性關系。因此在設計中只要單片機進行簡單的線性計算就能夠控制對數(shù)增益，并能很準確的實現(xiàn)增益步進控制。計算使用公式如下：

■2.3 電路設計

本次電路設計采用的是Multisim14.0 軟件。Multisim是專用于電子電路設計并進行仿真的軟件，其全部操作均由一個集成系統(tǒng)實現(xiàn)，具備人性化的操作界面，運用起來靈活便捷。元器件模型庫種類齊全，可選擇各種虛擬元器件，并具有超強仿真功能[2～4]。本次仿真電路如圖2 所示，在本次電路設計中頻率f 的單位是赫茲(Hz)，電阻R 的單位為歐姆(Ω)，電容C 的單位為法拉(F)。

圖2 音頻信號分頻及功率放大總電路

2.3.1 AGC 自動增益控制電路

設計目標是使接收信號的增益能隨著輸入信號的強弱自動變換，輸入信號在經(jīng)過AGC 電路后幅度恒定或在特定的幅度范圍變化。AGC 電路保證在接收弱信號時，使接收機增益升高，而接收強信號時則增益降低，進而使得輸出信號保持在適當?shù)碾娖竭M行正常工作。避免在AGC 電路缺失時，使接收機飽和或過載接收不到信號，進而使得接收機工作失常。AGC 電路可以采用模擬反饋或數(shù)字反饋AD824、AD603、VCA810、VCA820 配合外部寬帶放大器都很容易實現(xiàn)模擬AGC。本文采用數(shù)字反饋AD824 進行設計，電路如圖3 所示。

2.3.2 高通濾波控制器

濾波器的特性對參數(shù)變化比較敏感，采取使用一個功率放大器加壓控電壓源型濾波器的原理制作二分頻電路。電子高通濾波器內(nèi)含一個與信號通路串聯(lián)的電容器和與信號通路并聯(lián)的電阻。電容與電阻乘積為常數(shù)（C×R），其與截止頻率成反比。截止頻率上輸出信號的強度是輸入信號的二分之一（為-3dB）。電路設計如圖4 所示。

圖4 高通濾波控制電路

2.3.3 低通濾波控制器

低通濾波電路能夠使低頻的信號以極小的損耗輸出到輸出端。高頻信號能夠有效地抑制低通濾波器，并有多種形式，其中包括電子線路、圖形模糊處理等，以上兩種工具均為通過消除短期波動、保留長期波動的平滑形式電路。本文設計的低通濾波電路為二階壓控電壓源低通濾波電路，其由兩個RC 電路和同相比例放大電路構(gòu)成，低通濾波電路能夠通過低頻信號，可以抑制或衰減高頻信號。電路設計如圖5 所示。

3 電路仿真測試

本設計和仿真均采用Multisim 14.0 軟件實現(xiàn)。Multisim14.0 是專用于電路仿真和設計的軟件種類之一，是由NI 公司下屬推出的以Windows 系統(tǒng)為基礎制作的仿真工具軟件，是當前電路仿真和設計軟件中非常流行的EDA 軟件之一。這款軟件基于PC 平臺開發(fā)，通過圖形操作界面虛擬仿真設計了一個與現(xiàn)實極其相似的電子電路實驗工作臺，近乎能夠完成在實驗室中運行的所有電子電路實驗設計，并被廣泛地用于電子電路分析、設計、仿真等各項工作[5]。

本設計涉及的測試儀表包括穩(wěn)壓電源、函數(shù)發(fā)生器、示波器、波特測試儀等。測試方法上，電源選用5V 直流電源。單獨仿真高通濾波器時需加一個信號源進行測試，確定相關信號源的一個幅值，進而改變信號源的頻率特性觀察出高通濾波器的相關特性。測試理論分析：要求頻率范圍100Hz～20kHz，用信號發(fā)射器發(fā)射一個輸出波形為方波的音頻，選取統(tǒng)一頻率測量，和理論計算數(shù)據(jù)相比較即可。

（1）當輸入正弦信號 VS 幅度在10mV（有效值）范圍時，經(jīng)過預處理電路后得到信號VC，如圖6 所示，可知輸出信號 VC 在 100 Hz 時幅度為0.001db；輸出VC 在20kHz 時幅度為0.002db。信號幅度變化在100～20kHz 時，幅度變化為0.001db，小于1db，符合預期要求。

圖6 信號VC 波特測試圖形

（2）在信號VC 經(jīng)過高通濾波器和功率放大電路后輸出信號VA，信號VC 經(jīng)過低通濾波器和功率放電電路后得到信號VB。如圖7 所示，高通濾波器上的波特測試儀上的數(shù)據(jù)為-3.068dB ，截止頻率為 1.986kHz，結(jié)果符合預期要求。

圖7 高通濾波放大器波特測試波形

（3）當信號VC 經(jīng)高通濾波和功率放大輸出信號VA 的結(jié)果如圖8(a)所示，高通濾波器相位為91.073 度；將信號VC 經(jīng)過低通濾波和放大電路時輸出信號VB 的結(jié)果如圖8(b)所示，低通濾波器相位為86.236 度。由數(shù)據(jù)可知，高通濾波信號VA 和低通濾波信號VB 在2kHz 頻點上的相位之差為±4.837 度，信號VA 與VB 的相位差小于10°，在預定設計范圍之內(nèi)，也說明最終設計的總電路符合預定要求。

圖8 高通及低通濾波放大輸出波形

4 結(jié)論

本文分析了有源二分頻功率放大電路的組成和設計原理，通過Multisim14.0 軟件進行了電路繪制和仿真設計，并對有源二分頻放大電路圖運行效果進行分析，得出了此放大電路的仿真結(jié)果，符合有源二分頻放大電路的基本設計要求。