电路课设-音响分频器电路设计
时间：2023-01-10 10:30:00
(一)题目简介
1
一阶分频器电路设计
假设高音和低音扬声器等效 16 设计如图所示的欧姆电阻 2 简单分频器电
道路要求高低频分界（两个滤波器的截止频率） 5kHz。
1） 写出高音扬声器和低音扬声器电压对于 vs 确定电路中电的传输函数
容 C 和电感 L 的元件值；
2）利用 AC 频率扫描分析找出两个扬声器电压的频率响应曲线，验证计算
结果。使用高低频成分的电压 vs 测量和验证激励。
3)计算和使用 EWB 仿真证明从 vs 看进去的阻抗是常数 16 欧姆。
2
．
二阶分频器电路设计
假设高音和低音扬声器等效 16 设计如图所示的欧姆电阻 3 二阶分频器
电路要求高低频分界(两个滤波器的截止频率) 5kHz。
1)写出高音扬声器和低音扬声器的电压 v1 和 v2 对于 vs 传输函数。
2）取 C=1/(
2
Rω)其中 R=16Ω，ω=1/
RC
，确定电路中的电感 L。
3）利用 AC 频率扫描分析找出两个扬声器电压的频率响应曲线，验证计算
结果。使用高低频成分的电压 vs 测量和验证激励。
4)计算和模拟证明 vs 看进去的阻抗是常数 16 欧姆。
5)比较二阶分频器和一阶分频器的特性有什么区别？
（二）原理分析
音频信号频率成分通常是
10Hz
到
20kHz
功率放大后在范围内
扬声器分频，无源
LC
实现元件组成的滤波器。如上图所示
1
所示，高音扬声器
将输入信号
Vs
中频率高于
fc
抑制频率低于高音扬声器的成分
fc
的
另一个
“
低通
”
滤波器的振幅频率响应图中的蓝色曲线，使其低
不允许高频成分通过低音扬声器。
无源
LC
元件阻抗与信号频率有关：
·
对于电容元件，阻抗
Xc=-1/wC
电容分压在同一电路结构下越明显，频率越低，容抗绝对值越大。
高音扬声器是一阶和二阶电路中与电容元件串联的扬声器。
·
对于电感元件，阻抗
Xl=wL
频率越高，感应抗绝对值越大，电感分压在同一电路结构下越明显。
低音扬声器是一阶和二阶电路中与电感元件串联的扬声器。
(三)具体思路--包括Multisim具体仿真结果
1.
一阶分频器电路设计
第一题：写出高音扬声器和低音扬声器电压
v1
和
v2
对于
vs
的传递函数，
确定电路中电容
C
和电感
L
的元件值。
解：
∵题中所要求两个滤波器的截止频率为 5KHz
∴H1(w)=H2(w),w=2πf=2*π*5KHz
∴代入计算得
C=2uF L=0.5mH
第二题：利用
AC
频率扫描分析求出两个扬声器电压的频率响应曲线，验证计
算结果。用包含高低频成分的电压
vs
激励进行测量验证。
解：使用 Multisim 软件搭建电路如图：
由仿真数据可知：
当输入幅度为
10Vpp
，输入频率从
100Hz
升到
10kHz
时：
·对于电容支路（高音扬声器）而言
：
-
随着输入频率的升高，
V1
（黄线）的电压（电容支路）增加，
即幅度
之比随频率升高而升高
（因此电容支路上的扬声器为高音扬声器）；
-
由波形可知
V1
输出超前输入电压
Vs
，即
相位为正值
；
-
频率从
100Hz
变化至
100kHz
，两者波形从
“
峰值点
-
零值点
”
对应
到波形重合，即相位差逐渐减小，即
相位从
+90
下降到
0
，与仿真结果相同。
·对于电感支路（低音扬声器）而言：
-
随着输入频率的增加，
V2
（黄线）的电压（电感支路）减小，
即幅度
值比随频率升高而减小
（因此电感支路上的扬声器为低音扬声器）；
-
由波形可知
V2
输出落后输入电压
Vs
，即
相位为负值
；
-
频率从
100Hz
变化至
100kHz
，两者波形从重合到
“
峰值点
--
零值
点
”
对应，即相位差逐渐增大，即
相位从 0
下降到
-90，与仿真结果相同。
第三题：计算并利用
EWB
仿真证明从
vs
看进去的阻抗为一常数
16
欧姆。
解：
验证：
搭建电路如下：（
以下所有波形红色为输入，黄色为输出
）
要验证从
vs
看进去的阻抗为一常数
16
欧姆，需要
排除偶然性的
16Ω
电阻
性阻抗的存在
，因此选用两组不同的输入进行验证。
略仿真图
2.
二阶分频器电路设计
第一题：写出高音扬声器和低音扬声器电压
v1
和
v2
对于
vs
的传递函数。
解：
第二题：取
C=1/(
2
Rω)
其中
R=16Ω
，
ω=1/
RC
，确定电路中电感
L
。
解：
∵题目所给两个滤波器的截止频率为
5kHz
∴
H1(w)=H2(w)=1/
2
∴
w^2*LC=1
∴
4
2
*25*10
6
*
L
2
/16
2
/ 2
1
∴
C=1.4uF L=0.72mH
第三题：利用
AC
频率扫描分析求出两个扬声器电压的频率响应曲线，验证计
算结果。用包含高低频成分的电压
vs
激励进行测量验证。
解：搭建电路如下：
由仿真数据可知：
当输入幅度为
10Vpp
，输入频率从
100Hz
到
10kHz
时：
·对高音扬声器：
-
随着频率的升高，
V1
（黄线）的电压增加，
即幅度比随频率升高而
升高
（因此为高音扬声器）；
-
波形可知
V1
输出超前输入电压
Vs
，即
相位为正值
；
-
频率从
100Hz
到
100kHz
，两者波形从相位相反到基本重合，即相
位差逐渐减小，即
相位从
+180
下降到
0，与仿真结果相同；
·对低音扬声器：
-
随着频率的升高，
V2
（黄线）的电压减小，
即幅度比随频率升高而
降低
（因此为低音扬声器）；
-
由波形可知
V2
输出落后输入电压
Vs
，即
相位为负值
；
-
频率从
100Hz
到
100kHz
，两者波形从重叠到基本相位相反，即相
位差逐渐增大，即
相位从
0
下降到
-180，与仿真结果相同。
第四题：计算并仿真证明从
vs
看进去的阻抗为一常数
16
欧姆。
第五题：比较二阶分频器的特性与一阶分频器特性有什么不同？
解：
以下数据在相应的频率选择相应的扬声器进行仿真得到。
（
以下所有波形红色为输入，黄色为输出
）
根据以上数据作图（matlab 作图）如下：
由图可知：
·在同一频率下，二阶分频器的幅频特性较好，滤波器的衰减较小，但相位
位移较大，瞬时性较差，响应较慢；
·一阶分频器的幅频特性较二阶差，滤波器的衰减较大，但相位位移较小，
瞬时性较好，有较好的瞬态响应。
