运放音调控制电路虚拟测试研究

李翔　唐妍梅

摘  要：采用基于运放的音调控制电路作为案例，讲解有源滤波电路的工作原理和分析方法。对音调控制电路的高低音转折频率和最大提升/衰减量等主要指标与元器件参数间的关系进行了理论分析，并利用Multisim软件对音调控制电路的频率特性进行验证。仿真结果与理论推导相吻合，可使学生更深刻地理解由运放构成的有源滤波电路，并掌握利用Multisim軟件进行频域仿真的方法。

关键词：有源滤波  音调控制  集成运放  频率特性  虚拟测试

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2021）02（a）-0035-05

Research on Virtual Test of Tone Control Circuit of Operational Amplifier

LI Xiang1  TANG Yanmei2

（1.School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology; 2.College of Physics and Technology， Guangxi Normal University， Guilin， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 541004 China）

Abstract： Op-amp-based tone control circuits are used for case teaching of active filter circuits. The main indicators including bass/treble corner frequency and maximum elevation/attenuation are theoretically derived according to component parameters， and then the frequency response of tone control circuits are evaluated using Multisim software. The simulation results coincide with theoretical calculations， and it can enhance the students' comprehension of op-amp-based active filter circuits， and help them learn the usage of Multisim software for simulation in frequency domain.

Key Words： Active filter; Tone control; Op-amp; Frequency characteristics; Virtual test

滤波电路是对信号进行频域处理的一类重要电路。在模拟电子技术课程教学中，由于学时所限，对于滤波电路往往只能概略介绍而不能详细讲授。而在与模拟电路相关的实践教学中，学生遇到有源滤波电路时，不易将实际电路与其频响曲线联系起来，更对其分析和设计方法感到难以掌握。

以运放为核心的音调控制电路是高品质音响系统的重要组成部分，也是运放的典型线性运用之一[1-3]。以音调控制电路为实例，结合Multisim仿真，能让学生在有限的学时内，深入浅出地理解滤波电路的原理与设计，并将相应的分析方法运用到工程实践中去。

1  音调控制电路概述

音响系统中所称的“音调控制”，通常是指对音频信号中的高音（treble）和低音（bass）分别进行提升或衰减，并且这种提升或衰减是相对于中音频（通常以1 kHz为准）而言的。音调控制电路的作用是对音频信号中的高音和低音成分进行人为的加强（提升）或削弱（衰减），从而达到改变音色、渲染效果、满足听众主观喜好等目的。因而，设计音调控制电路的主要目标是选择恰当的电路结构和元件参数以实现所需的频率特性[4-6]。典型的音调控制电路幅频特性曲线如图1所示。

由图1所示的幅频特性曲线具有下列主要指标：（1）中音频增益;（2）高、低音转折频率;（3）高、低音最大提升量和衰减量。一般而言，音调控制电路对中音频无需放大，即中频电压增益为0dB，并且高、低音的最大提升量和衰减量都是对称的。

利用运放构成音调控制电路时，是以图2所示的反相比例运算电路为基础。若该电路中与分别为纯电阻Z1和Z2，则其电压传输特性为，实现反相比例运算。而若将Z1和Z2代之以适当的阻抗网络，则该电路的电压增益为，从而可以实现各种不同的频率特性，此即音调控制电路的基本原理。借助Multisim仿真软件的辅助，可以直观地展示幅频特性曲线，并检验其主要参数指标是否与理论分析相吻合[7-12]。

2  音调控制的基本原理

由图2所示的反相比例运算电路基础上，引入适当的RC反馈网络，即可分别实现低音衰减、低音提升、高音衰减、高音提升这4种基本的音调控制电路，如图3所示。

由图3（a）和（c）所示电路中，相对于电阻R1、R2而言，电容C1对中、高音的容抗可忽略，因此电路对中、高音信号而言只起简单的反相作用。随着信号频率的降低，C1容抗增大，使得其所在支路的总阻抗变大。对于图3（a），R1、C1支路阻抗增大使得增益降低，故该电路为低音衰减电路;而对于图3（c），支路阻抗增大使得增益提高，故为低音提升电路。与C1并联的电阻R3起到限制最大衰减量（或最大提升量）的作用，由于R3的阻值为R1、R2的10倍，可知最大衰减/提升量为±20dB。此外，低音衰减（或提升）的转折频率出现在C1容抗等于R1（或R2）阻值时，即。

由图3（e）和（g）所示电路中，电容C1分别与R1或R2并联，故对低音不起作用。随着频率升高，C1容抗减小，图3（e）电路增益降低，而图3（g）电路增益提高，故前者为高音衰减电路，后者为高音提升电路。最大衰減量和提升量同样由R3决定，由于R3的阻值为R1、R2的1/10，可知最大衰减/提升量为±20dB。高音衰减（或提升）的转折频率为。

在Multisim中分别搭建上述4种基本音调控制电路，即可由波特图仪直接观察其频率特性，如图3中的（b）（d）（f）和（h）所示，可见仿真结果与理论分析吻合得很好。

3  音调控制电路仿真验证

完整的音调控制电路如图4（a）所示，该电路将图3中4种基本音调控制电路的功能合为一体。电位器R3用于调节低音：其滑动头在最右侧时，R3与C1构成图3（a）所示的低音衰减电路;滑动头在最左侧时，R3与则构成图3（c）所示的低音提升电路。另一方面，用于调节高音：其滑动头在最右侧时，与构成图3（e）所示的高音衰减电路（由于R4阻值甚大，可忽略此时R4C3支路的分流作用）;滑动头在最左侧时，R5与C3则构成图3（g）所示的高音提升电路（忽略此时R4C4支路的分流作用）。

由图4（a）所示各元件取值可知，该电路的中频电压增益、最大提升/衰减量以及转折频率等参数均与图3相同。当高低音分别调节至最大提升和最大衰减位置时，由Multisim仿真软件中的波特图仪测得其幅频特性曲线如图4（b）和（c）所示，可见实际幅频特性在误差范围内与上述指标完全吻合，从而验证了理论分析的正确性。

4  结语

Multisim仿真软件提供了对电路进行虚拟测试的强大工具和手段，能够对各种常用电路进行仿真验证。利用Multisim中的波特图仪，能直观、便捷地测量电路的频率特性，可加深学生对基于运放的有源滤波电路的认识和理解。

参考文献

[1] 胡晶.扩音系统的设计与实现[J].泰山学院学报， 2018，40（3）：70-75.

[2] 熊丽萍.基于《模拟电子技术》教学的音响电路设计[J].电子世界，2015（24）：189-191.

[3] 张翔，陈澄.基于NE5532和TDA2030集成电路的音响放大器[J].电子制作，2014（14）：10-11.

[4] 曾学灵.带音调控制的音频放大器的设计探讨[J].黔西南民族师专学报，2000（3）：79-85.

[5] 张墅.常用音调控制电路解析与设计[J].自动化与仪器仪表，2009（6）：42-43.

[6] 胡快发.音调控制电路的频率特性及设计[J].实验室科学，2007（6）：76-78.

[7] 李荣茂.基于Multisim2001音调控制电路的设计[J]. 科技资讯，2012（29）：123.

[8] 冼凯仪.基于虚拟仪器仿真软件Multisim设计电子技术实验教学电路[J].教育现代化，2016（24）：170-173.

[9] 蓝海江.RC和RL一阶电路响应的仿真分析及实验实现[J].广西科技师范学院学报，2020，35（1）：115-120.

[10] 沈怡平，崔保春，赵洪亮，等.Multisim在差分放大电路实验中的应用[J].实验室科学，2020，23（3）：74-77.

[11] 王玉娇，李谦，唐正明.Multisim对三种基本放大电路特性的仿真对比[J].物联网技术，2018（8）：72-74.

[12] 侯卫周.静态工作点稳定电路频率特性的虚拟测试研究[J].实验技术与管理，2018，35（1）：125-129.