实验题目：多功能音乐系统设计

课程简要信息

课程名称是《电子线路设计·实验·测试》，是国家精品课程。该实验课程包括模拟电路、数字电路的基础性实验、设计性综合实验、创新性实验等三个层次。根据不同的专业（ 机械测控、光电、自动化、电信、通信等）要求，本课程适合大二下或大三上的学生，课程学时有：32学时、56学时和64学时等。

实验内容与任务（限500字）

根据所学的电路理论及电子线路技术基础的知识，采用以集成运放放大器和低频功率放大器为主要器件，设计音乐放大系统，要求具有话筒前置放大、混合放大、音调控制、音量控制、功率放大等功能。

音响系统的基本要求：

1. 话筒前置放大：放大器的作用是不失真地放大声音信号，实现阻抗转换。

2. 混合放大：将播放器输出的音乐信号与话筒的声音信号混合放大。

3. 音调控制：主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。

4. 功率放大(简称功放)：给音响系统的负载(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可能地小，效率尽可能高。

提高拓展要求：

1. 卡拉OK混响，使音乐显得更厚实，音色更丰满。

2. 按照音乐频率高低来控制一组LED彩灯的显示，提高音乐的视觉感受。

3. 按照音乐音量的大小控制一组LED彩灯的显示，提高音乐的视觉感受。

4. 双通道立体声音响系统的实现，使音乐有较强的立体感。

实验过程及要求（限300字）

1. 实验课前，在中国大学MOOC网站认真观看学习本课程的实验视频，完成MOOC相关单元测试题，通过实验教材和查阅其它相关资料，认真分析实验设计要求，选择合理合适的设计方案。

2. 在搭建硬件电路前，对设计的电路进行仿真分析实现，确保设计的正确。

3. 电路搭建，布局要合理，避免级间干扰，尤其要做好功放电路的布局布线及其电源的滤波。

4. 实验调试与测量，先单级性能指标的测量调试，然后整机连接调试

5. 实验验收，包括定量验收和定性验收，定量验收用信号发生器产生信号，测量整机性能指标；定性验收采用话筒和线路输入音乐，鉴赏系统的音质。

6. 实验报告包括设计方案、电路分析、系统整机电路图、数据曲线及心得体会。

相关知识及背景（限150字）

本实验是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要掌握电路仿真、信号幅度放大、信号频率调理、功率放大等相关知识，灵活运用系统整机布局、电路搭建、调试的工程实践技能。本实验可以丰富、完善音响系统的音效，提高人们对音乐的视觉感受，主要运用在个人、家庭等小型场所。

教学目标与目的（限100字）

本项目将相关学科知识进行了融合，软、硬结合，有利于学生对系统设计的整体把握，有利于引导学生运用多门课程知识进行系统设计、搭建和测量调试，提升其综合运用电路理论和电子线路技术等知识解决实际工程问题的能力。

教学设计与引导

本实验是一个综合性的系统设计项目，由多个单元电路组成，有基本系统实验要求，也有能力提升加分的系统拓展要求，是一个多层次的综合性实践项目。需要学生经历方案论证、系统设计、电路搭建、单级测试、整机调整、干扰消除等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 教师提前1至2周在课堂上布置并简单讲解实验要求，重点介绍系统框图、电压增益的合理分配、前置放大器、功放电源滤波等电路的设计方法。

2. 学生通过实验教材、PPT和MOOC网站相关视频的学习，提前基本完成系统框图和各单元电路的设计，并对部分电路进行软件仿真设计。

3. 在设计中，讲解系统设计的规范性、各级电路增益要合理规划、减小电路级间干扰的重要性及措施。

4. 在电路搭建中，引导学生对电路进行合理布局、布线。

5. 在测量调试中，引导学生将理论和实践相结合，明确系统各性能参数的含义及正确测试方法；根据实际电路确定如何减小干扰、如何进行合理滤波，如何进行整机联调。

6. 在验收阶段，组织项目优秀的学生以演讲、答辩、评讲的方式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓展知识面。

7. 实验原理及方案 {#实验原理及方案}

1）系统框图设计

整机电路由话音前置放大器、混合（混响）放大器、音调控制放大器、彩灯控制器、功率放大器组成，根据各级的功能及技术指标要求合理分配电压增益，分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。根据技术指标要求，音响放大器的输入为5mV时，输出功率0.5W，总电压增益AvΣ=Vo/Vi≥640倍(56dB)，系统原理框图如下图1所示：

2）系统设计与论证

话筒前置放大、混合放大、音调控制放大级采用集成运算放大器，常用运放有HA741、NE5532、LM324；常用的集成低频功率放大器有LM380、LM386、LA4102。

HA741与LM324的性能参数接近，NE5532是低噪声运放，且NE5532的单位增益带宽（BW=10MHz）、转换速率远远大于HA741。由于多级放大各级信号会互相产生干扰，合理布线，把级与级间的距离拉大是减小信号干扰的好方法，HA741是单运放芯片，每一级各用一个UA741电路元件增多，电路板面积就会增大，不但不美观也不经济。LM324是四运放集成电路，NE5532是双运放芯片，芯片少结构紧凑，占用电路板面积小，不仅美观而且经济。因此话筒前置放大、混合放大、音调控制放大级采用LM324或NE5532。

考虑驻极体话筒的输出阻抗高，前置放大器采用同相放大器；混合放大采用反相比例加法器；音调控制级采用由运放构成的反馈型有源滤波器；音量彩灯采用多个电压比较器（不少于3个），由音量的大小控制彩灯；音调彩灯可以采用低通、带通、高通滤波器，也可以采用频率电压转换芯片LM331，来实现由音频控制彩灯。

功放LM380、LA4102是双列直插14脚芯片，自带散热片，输出功率较大，但体积较大；LM386只有8个引脚，外界元件很少，静态功耗低，广泛应用于便携式音响设备。

3. 音调控制

音调控制主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。常用的音调控制电路有三种：（1）衰减式RC音调控制电路，基调范围较宽，但容易产生失真；（2）反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；（3）混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于高级收录机中。为了使电路简单、信号失真小、采用反馈型音调控制电路。

音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减（±20dB），中音频的增益保持0dB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。将这两种电路形式组合在一起就可以得到一个完整的反馈型音调控制电路，如下图2所示。

图2 反馈型音调控制电路

4. 卡拉OK混响设计

卡拉OK电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，混响增加声音的深度和广度，使声音听起来显得更厚实有立体感，能让音色更丰满。三菱的M65831是数码混响延迟芯片，混响延迟时间可以由4位的拨码开关手动控制，延迟时间可以从12.3ms~196.6ms选择。M65831是普及型的消费产品，价格低，应用简单，混响效果很好，推荐使用。

性能指标更高一些有三菱的M65830和雅马哈的YSS216，数字延迟数码回声的效果要更好些，多用在专业级的卡拉OK机中做数字混响芯片。

教学实施进程

本实验教学实施进程包括：

1. 预习阶段：教师至少提前2周简要讲解实验内容，布置预习任务。学生至少提前1周通过MOOC视频网站及教材学习相关内容及MOOC单元测验，课前用PSpice仿真设计的电路。

2. 课堂教学阶段：教师重点讲解电路搭建的布局布线、测量调试的规则与方法，重点讲解功放电路电源的滤波，以及功放对前级电路干扰的排除方法；教师随时督促指导学生正确完成实验。

3. 学生实验阶段：学生结合个人特点制定实验方案，鼓励学生与学生、学生与教师相互讨论学习，电路搭建要充分利用课外时间完成，课堂上作调试、测量和验收。

4. 实验验收：采用电路性能参数指标的定量验收和歌曲音乐播放演示效果的验收两种方式。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 系统需求分析。

2. 系统方案论证。

3. 系统增益推导计算以及各级增益的分配。

4. 电路设计与参数选择。

5. 实验数据记录表格。

6. 数据处理分析及特性曲线。

7. 系统调试测量方法。

8. 解答思考题。

9. 实验心得体会、实验改进想法。

考核要求与方法（限300字） {#考核要求与方法限300字}

1. 实物验收：主要采用定性验收，功能与性能指标的完成程度、完成质量，完成时间。

2. 实验质量：电路方案的合理性，电路搭建的工艺。

3. 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4. 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5. 实验数据：各单元电路的测量数据表格和测量误差。

6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新 （可空缺，限150字） {#项目特色或创新-可空缺限150字}

通过本次综合实验，软、硬结合，打破了各课程界限，学生充分运用了电路理论及电子线路技术基础的理论知识以及本实验课程掌握的实验技能知识，并将其进行了有机融合，促进了学生系统设计能力和调试能力的提高。

参赛选手信息表