双音振荡信号、差分输入信号以及外音输入信号多功能扩音装置设计.doc

摘 要一键控制式的多功能扩音装置能够对多路信号进行选择性输出并且对选择信号进行适当放大。本课程设计中涉及到三路信号的选择：双音振荡信号、差分输入信号以及外音输入信号。采用差分电路实现对差分信号的放大并消除环境噪声，应用与非门自激振荡产生双音振荡器产生双音信号，直接接入音频设备耳机导入外音信号。本装置采用cd4017计数器通过控制电磁继电器实现一键式控制。最后采用ocl功率放大器实现对所选信号进行功率放大。本装置可实现对高音6db,低音6db的衰减。实现7hz,和8.6khz双音振荡输入，实现输出功率为6w。关键词： 差分输入；音调控制；双音振荡；一键控制；功率放大；目 录第1章 绪论1.1 发展现状1.2 设计任务与技术指标要求第2章 方案设计框图与比较 2.1 课题的方案设计2.2 方案与比较2.3 方案设计结论第3章 单元电路设计、元器件选择与计算3.1放大电路 3.2. 双音振荡器 3.3音调控制器 3.4 ocl功放 3.5一键控制与音量控电路 3.6外音与供电 3.7理论数据3.8电路仿真与结果第4章 整机电路的工作原理4.1整机电路图4.2整机电路的工作原理分析第5章 电路的调试与数据分析5.1.调试仪器与使用5.2.电路的调试步骤5.3数据的误差分析方法第6章 电路绘图与打印操作 6.1电路原理图的绘制与打印操作 6.2单面印刷电路板的绘制与打印操作6.3仿真与波形图绘制与打印操作结论与体会1.课题的指标完成情况2.总结与收获参考文献附录1. 元器件列表2. 整机电路原理图3. 印刷电路板图第一章 绪论1.1 研究方向，功能与特点，发展现状；采用了哪些新技术；本次课程设计主要涉及到集成运算放大器，集成芯片如cc4017芯片集成化较高的元件的应用，以及一些简单与非门芯片、晶体管、电阻、电容等一些分立元器件的搭接和应用。集成运算放大器可以对电压进行1100的线性放大，所以其可以用在对信号电压的简单放大或者用在功率放大器中。由于其集成化，使得电路的设计便利，性能方面也较分立元件好。晶体管、电阻、电容已经经过了较长时间的发展，种类繁多，如果合理选用，设计这些基本的元器件是电子设计的关键。而且通常情况下，其可用来弥补集成电路性能上的不足，使得电路性能更优越，也更具创新。数字芯片的使用在电子上得到了广泛应用，由于其集成化高，可实现多功能，给设计带来很大的方便。本电路设计中运用集成运算放大器对电压进行放大，采用电阻、电容构造电路实现音调控制，采用集成运放与三极管级联的形式实现功率放大，运用计数器实现对多路信号的选择。1.2.设计任务与技术指标要求；设计任务：一键控制式的多功能扩音装置1、 声电转换器件指定用驻极体话筒；2、放大用集成电路，写出电路选择、元件器件参数值计算；av=60。讨论静态工作点设值；计算最大输出值与输入值；3、差分运算与音调控制器要求用集成电路（tl082）芯片设计；4、消除环境噪声电路的工作原理：音调控制，计算出高、低音的提升、衰减量为6db。5、 设计要求：用protel 99se或protel dxp画出设计方框图、整机电路的电路原理图、然后画出pcb单面板图和生成元器件列表；仿真图只要求放大、差分运算与振荡器的电路波形。6、双音振荡器电路要求选用与非门芯片，要查找具体型号；振荡器一：7hz振荡器二：8.6khz7、 设计集成ocl功率放大器电路。计算出pmax=6w。负载电阻（扬声器）可以根据标准值4、8、16、32，进行串、并联组合使用。8、 能量提供必须用电池6伏单电源供电，不允许使用升压或单电源变双电源供电电路；第二章 方案设计框图与比较2.1方案设计图ocl功放声电转换差分运算音 调控制器电声转换负载6v电池组供电abcd声电转换双音振荡器一键控制与音控同相放大同相放大外音输入方案一btl功放声电转换仪器放大器音 调控制器电声转换负载6v电池组供电abcd声电转换双音振荡器移位寄存器外音输入方案二2.2简介方案中的优点与不足；方案一: 此方案为本次课程设计所采用的方框图。此方案的优点为对于音频信号的放大可以放大两次，最大放大100*100倍。另一个优点是采用计数器实现一键控制时重新计数的反馈设置较容易，同时采用ocl功放实现比较简单、易行。缺点：先同相放大再差分放大的抗噪效果不是很好，虽然ocl功放容易搭接，但是实现大功率放大，对电路的对称性，晶体管的放大倍数要求过于苛刻，不容易满足。方案二：此方案是本人自己想出来的一套针对设计要求的设计方案框图。这套方案的优点是：选用仪器放大器对差分信号进行放大，既可以达到放大电压的效果，同时仪器放大器的抗噪效果很好，另外一个方面，实现一键式控制最容易想到4位移位寄存器，选用它不会浪费过多的引脚。最后我选用的btl功率放大器，它的一个好处是功率可以放大为ocl的4倍，实现大功率放大比ocl要容易。缺点：仪器放大器的放大倍数有限，不能放大到100*100那么大，让移位寄存器的反复实现一键式控制的电路比较麻烦，还有就是btl的电路比ocl要复杂的多，可操作性受到限制。2.3具体落实选定方案各能完成什么技术指标与指标。1、对信号进行60倍的电压放大，并输入到差分运算放大器中。2、差分电路实现消除环境噪声，并对差分信号进行进一步的放大。3、音调控制器能够实现对高、低音的提升和衰减各6db。4、双音振荡电路采用与非门可实现一个振荡频率为7hz，一个频率为8.6khz的双音振荡。5、一键控制器实现对多路信号的选择。6、ocl功率放大器可以实现输出额定功率为6w的信号。第三章 单元电路设计、元器件选择与计算根据任务书的技术要求与指标，结合课题的方案，设计具体选定方案中选定每一部分单元电路，论述单元电路选择的依据，优点与不足；元器件作用等，绘制单元电路原理图；计算如何选择元器件参数值的情况？并用设计与计算的方法阐述理论公式推导，说明技术指标的落实部署情况？3.1放大电路 声电转换器电路（驻极体式话筒）的输出必须通过电容耦合输出给放大器进行信号处理才能得到理想的音频信号。这里的放大电路选用集成运算放大器的同向比例运算电路实现。集成运算放大器在进行放大交流信号时，输入，输出一定要用耦合电容来隔离直流信号。由于电源电压规定为6v，那么必须设置合理的静态工作点才能使放大电路正常工作。静态工作点的设定过程为：将电源电压的正极与地线之间用2个电阻器串联分压后，讲串联节点的电压值接到一个输入端上，以确保运放的所有输入、输出端的静态电压值等于电源电压的一半，其实这个过程是在确保集成运放中的三极管电路的工作点。这样才能使运放电路可以放大交流信号。 这里设置静态工作点的分压电阻都取为10k，若要使得信号得以正常放大还需要引入负反馈，即图中的r，根据同向放大的放大倍数公式，图中的电压增益为a=1+r/r。这里的集成运放采用tl082芯片，根据设计要求要达到60倍的放大，则r=1k，r=59k。最大输出为电源电压为6v, 由放大倍数为60倍可得出最大输入的峰值为0.05v，峰-峰值为0.1v。 r22c12r1rfc1为了去除噪声，还要采用差分电路。差动放大电路是对两路信号的差值进行放大，所以受到周围环境影响的电信号就相互抵消，而不会再输出中出现。根据设计要求集成运放部分仍采用tl082。在差分放大的过程中仍需考虑静态工作点的问题，处理方法与同向放大一样。差分运算的电压增益公式a=(1+r / r)(u - u )这里由于没有特殊要求，所以取r =100k，r =10k，实现对差分放大11倍。r23c13 同向放大电路图 双音振荡器电路图3.2. 双音振荡器 根据设计要求，要选用与非门构成双音振荡电路。然而并不是所有的与非门都可以采用，必须选取施密特与非门。图中就是采用74ls132的3个与非门组成双音振荡电路。所谓双音振荡，无非是选用一个与非门的振荡频率去控制另一个与非门的振荡。电路的工作原理如下：2脚始终接高电平，当1脚上的高电平时，其3脚输出为低电平，于是就把12、13脚对应的与非门置于高电平，无论4、5脚对应的与非门的振荡如何。直到1脚上的振荡出于低电平，这时12脚被打开，11脚的输出就随着13脚的电平变化，即13脚的输出反应5脚的振荡。由于1脚上的振荡频率与5脚上的rc振荡频率不一样，就产生了双音振荡。由设计要求可知，1脚的振荡频率为7hz, 而5脚处的振荡频率为8.6khz。双音振荡器的上门限电压值为1.52v，下门限电压值为0.61.1v，这里取上门限电压为1.8v，下门限电压为0.8v。由振荡频率的公式f=1/t可知，振荡器的振荡周期为t=t+ t，其中t=rcln（6- v）/(6- v)；t=rcln（0- v）/（0- v）；将数值带入公式得出1脚的rc为0.14，这里取电容c 为1uf,电阻r 取140k，5脚的rc为1.2*10，则c取0.1uf,r取1.2 k.3.3音调控制器 音调控制器主要是控制、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保持不变。因此，音调控制器的电路课由低通滤波器与高通滤波器构成。有集成运放构成的低音提升、衰减与高音的提升与衰减，将这几种控制电路综合一起组成如下图所示的反馈型音调控制电路。这种电路调节方便，元器件较少，比较实用。i r13 rp2 r14i r13 rp2 r14音调控制器图 高频等效电路图c8c70r16 图（a） 图（b）其工作原理分析如下：首先注意集成运放静态工作点的设置，设置方法与放大电路相同。设f(1khz)表示中音频率，要求增益为0db；f表示低音频转折频率，f=10 f表示低音频区的中音转折频率；f表示高音频区的中音频转折频率，f= f表示高音频转折频率。设电容c=cc，在中、低音频区，c可视为开路，在中、高音频区，c、c可是为短路。 当f f时，音调控制器的低频等效电路如图。图（a）为rp的滑臂在最左边，对应于低频提升最大的情况；图（b）为rp滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。由图（a）电路为一阶有源低通滤波器，增益表达式为a（j）=v/ v=-(rp+r) (1+ j/)/r(1+ j/) 式中=1/rpc，=（rp+r）/（rprc）;当f f时，音调控制器的高频等效电路如下图，此时可将c、c视为短路，r与r、r组成星型连接，将其转化成三角形连接后的电路，电阻的关系为r=r+r+rr/r；r=r+r+rr/r；r=r+r+rr/r；若取r=r=r则上式为r=r=r=3r=3r=3r；图（c）为rp的滑臂在最左端时，对应于高频提升最大的情况；图（d）为rp的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。图（a）电路为一阶有源高通滤波器，增益表达式为 a（j）=v/ v=-r (1+ j/)/r (1+ j/) 式中=1/（r+r）c，=1/（rc）; 图（c） 图（d）与分析低频等效电路的方法相同，可得到以下数据：当f f时,c视为短路，此时电压增益为a=（r+r）/r;同理可以得出图（d）电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量，只是其中a的表达式中的r与r的位置互换了下，但是由于两者的数值相等，不会影响其数值。实际应用中，应该先根据低频区f处和f的提升量和衰减量x，求出转折频率f 和f，计算公式为f= f*2；f= f*2；根据设计要求，衰减量为x=6db,设f=100hz， f=10khz，根据上述公式可求得转折频率f 和f；f=200hz，f= f/10=20hz；f=5 khz, f=50 khz.由a= a=-r/(r+rp)20db.其中r、r、rp，不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽略；但也不能太小，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。这里取rp=500k，r=r=50 k，则a= r/(r+rp)=11（20.8 db），由=1/rpc公式可得c=0.02uf,取标称值0.01 uf，即c=c=0.01 uf。由r=r=r得r=r=r=50 k，则r=3r=150 k。由a= a=（r+r）/r;得r=r/10=15 k，可取标称值13 k，再由=1/（rc）可得c=245 uf，取rp=rp=500 k，级间耦合与隔直电容c=10 uf。 3.4 ocl功放 ocl功放是本次任务的难点，如何在单电源且电压值很小的电池组的控制下使功率达到6w，是值得研究的。ocl功放是指无输出电容的功放，其基本的电路原理很简单，npn,pnp管组成的互补式ocl是最简单的电路模型。由于两管到点类型不同，在输入信号的正半周时，npn管导通，同时pnp管截止，负载获得正半周的信号；在输入信号的负半周时，pnp管导通，同时npn管截止，负载获得负半周信号。这边完成了信号的分别放大和波形的合成。但是问题一：由于ocl电路不用输出电容，所以要用双电源供电，但是题目中要求用单电源供电，这时如何解决本来由负电源提供的负半周期的电流是要解决的首要的问题。 问题二：由于放大的功率很大，但是电源的电压很小，这时如何才能得到大的电流使得输出功率增大是另一个要解决的问题。问题三：由于晶体管本身的发热问题和环境温度的变化，导致集电极电流值被容易地的改变了，这样不仅不能达到设计的目标，而且经常损坏晶体管，发生热击穿。如何将集电极电流保持一定值，并采取一些措施进行散热是另一个棘手问题。首先针对第一个问题，我们采用的方法是将本来接地的扬声器的引脚接到提供静态工作的集成运放的同相输入端。这样负半周的信号就可以成功的放大，波形就可以成功的合成。在解决第二个问题的过程中，主要想了两个方案：1、 采用4个三极管，上层两个npn,下层一个pnp一个npn组成复合管，其中前一级属于中功率管，后一级采用大功率管。采用复合管的好处是：第一，可以是管子配对容易，只要后一级的两个三极管的对称性好即可；第二，可增加输出功率；第三，复合管的值高，可减小推动电流。同时为改善电路性能，引入电阻和电容构成级间负反馈，对于直流而言能够稳定静电工作点； 交流而言，它是一个电压串联负反馈，用以改善低频响应。2、 采用4个三极管，上层两个npn，下层两个pnp组成复合管，采用pnp大功率硅管与npn大功率硅管组成全互补对称型ocl，由于对称性好，可以减小大环路负反馈，降低瞬态互调失真，可以大大改善1方案中的静态、动态特性指标。考虑到虽然方案2中，在改善电路方面很好，但是这种电路要求npn、pnp大功率硅管特性完全对称，大功率的对称三极管非常难找而且此方案中两级都需要大功率三极管，可操作性不是很好。再看到方案1中第一级只需要中功率的三极管即可而且只需要第一级放大三极管对称即可。综合各方面考虑，选用方案1.最后一个问题是该模块的创新之处:由要达到的额定功率6w可推得负载输出的额定电流为2.8a左右，算得的最大电流是4a，这样就需要选用额定电流大的晶体管。如果只是选用额定电流大的晶体管，晶体管的值都比较小，所以就必须加大驱动电流，这样就增加了晶体管的发热程度,可能发生热击穿，损坏三极管。而且，集电极电流增大会引起集电极损耗增大，所以这种增加是有限的。针对上述情况，可以考虑将晶体管并联连接使电流分散。这样做的目的是使得集电极损耗不是由一个晶体管来承担，而是将多个晶体管并联连接，以便发热分散。在本电路中，采用二等分即可达到要求。这样操作之后，每一个晶体管的输出电流为必要输出电流的一半，使得每一个晶体管的发热量也大幅度减少，电路变得稳定。这里后一级放大电路的三极管基极的电阻是很有用处的，它是使并联连接的晶体管上所流过的电流得到平衡用的基极限制电阻。如果没有这个电阻，这种并联连接很容易出现电流集中的问题。出了上述的创新之处外，还有一点是关于放大三极管静态工作点的设置情况。这里选用的是三极管作为提供后级的直流偏置。原因为在负载电流小的情况下，选用二极管是很常用的方法，但是在大电流的工作条件下，选用二极管作为开关，容易造成空载电流的流动，最终导致晶体管的热击穿。为了解决这个问题，我采用三极管提供偏置电路。随着温度的变化，偏置电压发生变化，以达到根本解决空载电流随温度变化的的问题。功率放大器输出的最大电压为电源电压6v，有效电压为2.1v，由输出额定功率6w可得，输出的额定电流为i=6/2.1=2.8a，最大输出电流为i=2.8*2*=8a；此大电流分成两部分即4a为并联三极管的输出电流，并联三极管选用3dd6，其值在电流为4a时为60，则由此可以求出其基极电流为i=4/60=66ma;进一步向前可以推出第一级输出最大电流为i=2*66=132 ma；第一级放大选用中功率放大三极管3da01和其对称三极管3ca01，其值介于55400之间，假设我们取最小的放大倍数，那么求出的第一级三极管的基极电流为i=132/55=2.4ma25ma集成运算放大器最大输出电流值，所以电路是可行的。其他元器件的选择，功放里的集成运算放大器起着放大电压的作用，这里选用放大11倍的电压，滑变电阻器的阻值可以用该调节电压放大倍数。这里设为最小，则r=1k，r=10k，rp=47k；基极限制电阻选为47， r=r=125 r= r=1k。有功率的计算公式可求出负载电阻为0.75，可有4和8并联获得。功率放大器图3.5一键控制式与音控开电路 一键控制功能的实现是采用cc4017芯片实现的，此芯片常用于十进制计数、分频。在本课设中主要是用于计3个数后返回重新计数。当第一次按下按键时，计数器计0，q0输出为低电平，被选中的通路的开关始终处在上层闭合，所以能够直接接到功率放大器中进行功率放大。而没被选中的通路始终处在高电平，其流出的电流经电阻分压后到三极管的基极电流很小，正好处于放大区内，三极管对此电流进行放大，然后传送给继电器，随着电流的增大继电器将电磁开关拉到下面闭合，此时该路与功放的通路被断掉，无法实现放大。每按一次就选择一条通路，当选到最后一路时，一方面让其完成相应的放大功能，另一方面将进位位置成1，当下次再次按下开关时，重新从零开始计数，完成一键式控制过程。在实际操作过程中，考虑到手动输入脉冲，要设计消除颤音的装置，这里选用两个4011与非门实现这个功能。3.6外音与供电外音采用耳机输入方式，供电方式为6v电池组直流供电。3.7理论数据若输入为3v则根据同向放大倍数输出为0.18v，差分放大后的幅度为1.8v。双音振荡器的低频率为7hz,高频率为8.6khz.3.8电路仿真与结果同向放大电路仿真原理图 差分运算电路仿真原理图 同向放大仿真波形图 差分放大波形图双音振荡器仿真原理图 双音振荡器仿真波形图第四章 整机电路的工作原理4.1整机电路图4.2整机电路的工作原理分析整机电路的工作原理，输入端，输出端，信号的传输过程，实现的功能等。第一路信号由与非门双音振荡器产生，上、下两个与非门分别产生两个振荡频率，由其中的低频率去控制高频率在第三个与非门的输出，从而实现双音控制。第二路信号由两个驻极体话筒分别将相应的声信号转化成电信号，并将电信号分别经同向放大电路放大一次电压后，再经差分放大器将两路信号的差值电压放大，同时起到抑制噪声的作用。放大后的差分信号经过音调控制器，通过改变滑动变阻器来改变集成运放的输入阻抗、反馈阻抗，从而完成对低、高音的提升与衰减电路的改变，最后对低、高音分别进行提升与衰减，形成第二路信号。第三路信号是由mp3等外音设备的耳机传送的信号。将这三路信号分别接入cc4017计数器的输出端，通过按键控制输入脉冲，通过按键触发进行计数，再通过计数的数值对三路信号进行选择。将选择后的信号通过ocl功率放大器后，送入扬声器输出。第五章 电路的调试与数据分析5.1.调试仪器与使用 （1）根据电路工作的供电类型，如本课设中直流供电类型和电压、电流数值要求，选择稳压电源的类型和型号。根据被测量电路工作的频率和幅度范围要求，选择示波器的型号根据电路测量的要求，检测电路的工作点、电阻器阻值、电容器的容量值、三极管的放大倍数等，选择数字或指针万用表。（2）使用万用表时，注意选择正确的测量单位。两个表笔要对接一次，检查表笔好坏。在使用稳压电源时，要先调节准输出电压值再连接输出负载线。在使用示波器时，要用示波器自带的信号源检查一次探头的好坏。测量时，要先调节示波器幅值旋钮，再调节频率值旋钮，尽量做到显示频出现两个周期的最大波形。根据实际交、直流波形设置通道类型。5.2.电路的调试操作步骤 电路调试主要包括：仪器的选择、使用根据具体电路指标、选择测试点、测量方法和调试数据的记录与分析5.3数据的误差分析方法 数据记录的方法有：表格法、坐标法、图形法、公式法。其中表格法复杂、不直观、但准确度高；坐标法直观；公式法简洁；图形法快速、明显。数据分析是理论数据和实验数据的校准过程，每一项实验数据必须测量3次。找出误差值。第六章 电路绘图与打印操作6.1电路原理图的绘制与打印操作 1）设置图纸。根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小。、2）放置元件。从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。用户可以根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定。3）原理图的布线。利用提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的元件用具有电器意义的导线、符号链接起来，构造成一个完整的电路原理图。4）编辑与整理。对原理图进行进一步的调整和修改，保证原理图的正确很美观。5）原理图的输出。对设计完的原理图进行存盘、输出打印，以供存档。6.2单面印刷电路板的绘制与打印操作 1）规划电路板。规定电路板采用的物理尺寸、采用基层电路板、各元件采用的防撞形式及安装位置。2）设置参数。主要是设置元件的布置参数、层参数、布线参数。3）装入网络表及元件封装。只有将网络表装入之后，才可能完成对电路板的自动布线。元件的封装就是元件的外形，对于每个装入的元件必须有相应的外形封装，才能保证布线的顺利进行。4)元件的布局。5）自动布线。只要将有关参数设置得当，元件的布局合理，自动布线的成功率为100%。7）手工调整。自动布线结束，需要手工调整，是达到满意。8）文件保存与输出。6.3仿真与波形图绘制与打印操作 1）调用元件库。原理图仿真用的数据都在libraryschsim.ddb中，在仿真用的数据加载后，后缀名为.ddb的原理图库将在browse栏内列出。2）选择仿真用原理图元件。常用的仿真元件为：激励源，给所设计电力局一个合适的激励源，以便仿真器能够进行仿真。添加网络标号。在需要观测输出波形的节点处定义网络标号，以便于仿真器的识别。3）仿真原理图。对原理图进行erc检查，有错误，返回原理图设计。接着，需对仿真器设置，确定分析所采用的参数。波形分析1） 仿真数据浏览器中的波形栏内可选择原理图中节点的波形。2） 浏览器中的view选项可用于选择波形显示界面中是单一波形还是所有波形。3） 仿真浏览器中可选择波形的时间增幅，以适应变化快的信号。结论与体会1.课题的指标完成情况1）采用同向放大集成电路，实现av=60，并成功设置了静态工作点；计算最大输出值6v，最大输入值为v=0.1v；2）差分运算与音调控制器要求用集成电路（tl082）芯片设计。实现了差分运算消噪，并对差分信号放大10倍；音调控制器实现高、低音的提升和衰减分别衰减6db。3）双音振荡器电路选用74ls132与非门芯片，实现振荡器一：7hz振荡器二：8.6khz4）设计集成ocl功率放大器电路。实现pmax=6w。这里负载电阻（扬声器）将标准值4、8并联使用。5）通过才用cc4017计数芯片实现了对三路信号的一键控制。6）能量用电池6伏单电源供电，没有进行任何变换。2.总结与收获本次课程设计是将以前学过的模拟电路与数字电路知识进行有机融合的一个过程。在模拟电路部分，学会了一