基础工程设计说明书-电子助听器.doc

桂林电子科技大学基础工程设计说明书 编号： 基础工程设计说明书 题 目： 电子助听器 院（系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 光电信息科学与工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 高级实验师 2015年 9 月18日第 18 页桂林电子科技大学基础工程设计说明书摘 要电子助听器是一个有助于改善听力有障碍或残疾者的听觉障碍，提高其生活质量，进而提高他们与其他人会话交际能力的工具、设备、装置和仪器等。电子助听器的核心是放大，放大有三极管放大和集成电路放大，综合各方面条件，最终采用的放大电路是三极管放大中的共射极放大电路。之所以选择共射极放大电路是因为共射极放大电路既能放大电流，也能放大电压，输入电阻基于共集放大电路和共基放大电路之间，输出电阻较大，频带较窄，功率增益比较大，应用广泛，常常作为低频电压放大电路的单元电路。放大处理过的电信号再经过功率放大器，然后输出到耳机，就能够实现低分贝输入高分贝输出的设计要求。在本次课程设计电路中，t1是共射极放大电路的放大元件，t2和t3是功率放大电路的放大元件。我进行了电子助听器单元电路的设计，完成单元电路的设计后，开始对整个电路图进行仿真图的绘制和仿真结果的运行，最终实现了各单元单路特别是各放大单元电路对功率放大和失真度的要求，达到线性失真小的要求，实物整体效果较好。关键字：电子助听器；放大；共射极放大电路；功率放大器；功率增益；线性失真abstract electronic hearing aid is a help to improve the hearing disabled or handicapped, hearing impaired, improve their quality of life, and then improve their conversational communication ability with others the tools, equipment, devices and instruments, etc.the core of electronic hearing aid is an enlarged, amplifying transistor amplifier and integrated circuit amplification has integrated all aspects of the conditions, the final amplifier transistor amplifier is used in common-emitter amplifier circuit.chose common emitter amplifier because both common emitter amplifier circuit amplifying the current, but also amplified voltage, input resistance among common set based on common base amplifier and an amplifier circuit, the output resistance is large, narrow-band, power gain is relatively large, widely used, often as low-voltage amplification unit circuit circuit.amplification of the electrical signal and then processed through a power amplifier, and then output to the headphones, it is possible to achieve low input high decibel decibel output of the design requirements.in this course is designed circuits, t1 is a common emitter amplifier circuit amplifying element, t2 and t3 is a power amplifier circuit amplifying element.i conducted a hearing aid unit design electronic circuits, after the completion of the unit circuit design, began to run the simulation of the entire circuit diagrams were drawn diagram and simulation results, and ultimately each unit single unit in particular the amplifying circuit for power amplification and distortion degree requirements, to achieve linear distortion requirements, real overall effect is good.keywords:electronic hearing aids; amplification; common emitter amplifier circuit; a power amplifier; power gain; linear distortion目 录前言 - 41 设计任务与要求 - 5 1.1 设计的目的 - 5 1.2 设计的要求 - 5 1.3 技术指标 - 52 方案论证与选择 - 5 2.1 助听器的基本结构与工作原理 - 5 2.2 单元电路的设计 - 6 2.2.1 麦克风的选择 - 6 2.2.2 放大电路的选择 - 7 2.2.3 otl功率放大电路 - 8 2.2.4 输出设备的选择 - 9 2.3整体电路设计及其原理说明 - 9 2.3.1 电路原理图 - 9 2.3.2电路及工作原理说明 - 9 2.4仿真与调试 - 10 2.4.1使用的主要仪器和仪表 - 10 2.4.2电路的仿真 - 10 2.4.3故障分析与排解 - 123 总结与心得 - 12谢辞 - 13参考文献 - 14附录 - 15 附录一 pcb图 - 15 附录二 实物图 - 15 附录三 元件清单 - 16前 言电子助听器，英文名hearingaid，是一个有助于听力残疾者改善听觉障碍，进而提高与他人会话交际能力的工具、设备、装置和仪器等。助听器有电力的和非电力的两类，后者目前已被废弃。前者又有电子管式和晶体管式两种。晶体管式助听器最为灵巧轻便，于1950年问世后已取代电子管式而被普遍采用。广义上讲凡能有效地把声音传入耳朵的各种装置都可以看作为助听器，狭义上讲助听器就是一个电声放大器，通过它将声音放大使聋人听到了原来听不清楚，听不到的声音，这种装置就是助听器。助听器的种类有很多，纵观助听器的发展史，助听器的一般有盒式助听器、眼镜式助听器、耳背式助听器、定制助听器、开放式助听器、标准耳道机等等。不同的人群可以根据自身不同的需求选择不同的助听器。现在的助听器正在向小型化、个性化、智能化的趋势发展。集成电路的问世又迅速取代了“晶体管耳聋助听器”，集成电路ic于1964年问世，它具有体积小、低耗电、稳定性更高的优点。近年来随着科学技术的快速发展，耳聋助听器也逐渐向体内化、智能化发展。1982年“驻极体麦克风”的问世实现了耳聋助听器的微型化的发展，灵敏度和清晰度更是达到了新的水平。而1990年随着“电脑编程耳聋助听器”的问世，耳聋助听器增益初步智能化调整，又让耳聋助听器达到了另一新水平。1997年，“数字耳聋助听器”的增益智能化调整，使用极为方便，性能达到了更高的水平。凡是有残余听力的患者除无医学上的不宜症状外都可以选配助听器。配戴助听器可以在一定程度上提高听力，帮助沟通与学习。但还受到各种因素的制约，不同的人即使听力损失程度一样，使用助听器效果也不完全一样；同样的听力损失，同样的机型，使用助听器效果也会完全不一样。本次课程设计设计出的电子助听器，为一般简便型的电子助听器。同时也通过课程设计来总结已学课程，达到学以自用的效果，并进一步提高自身的动手能力。1 设计任务及要求1.1 设计的目的 1.培养理论联系实际的的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 2.掌握基本软件如dxp、multism12.0等的使用，熟练电路原理图、pcb图和仿真电路图的绘制与检查，培养独立思考的能力。3.学习较为复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见的实际问题能力，有自己自行设计、自行制作和自行调试。4.基于基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、；标准和规范以及使用仿真软件、运用实验设备进行调试。1.2 设计要求 （1）电源可以用干电池（3v）代替，便于携带。（2）当对话筒讲话时，能够从耳机清晰接收。（3）可以调节接听音量的大小。 （4）电路原理图的分析。 （5）元器件选择。 （6） 按照自己的电路，在万用板上焊接，焊接完毕后应对照原电图仔细检看是否有错接、漏接、虚接的现象。 （7）分析调试电路。 （8）电路性能指标测试。（9） 提交内容完整的设计报告。1.3 技术指标（1）音频接收范围在30hz3000hz之间，清晰接收。（2）要求失真越小越好，小于10%。2 方案论证与选择2.1 助听器的基本结构与工作原理功 率 放 大 电 路共 射 极 放 大电路耳 机（输出）话 筒（输入）助听器名目繁多，但所有助听器包括传声器（话筒）、放大器和受话器（耳机）这三个主要部分。传声器为声电换能器，将外界声信号转变为电信号，输入放大器后使声压放大到1万乃至几万倍,再经受话器输出这个放大后的声信号。助听器还应包括电源以推动机器工作。由于不同性质、不同程度的听觉损伤机能差异也不同，因此装置音量调节、音调调节、最大声输出调节、电话拾音等设备的选择要综合考虑。本次设计的助听器组成元件包括：麦克风、放大器、受话器、音量调控器、音频调控、电池。 助听器是先将声信号转化为电信号，通过对电信号加以放大后，再转换为声信号，从而将声音放大的。在能量转换过程中，实现换能器功能的是麦克风和受话器。 麦克风：麦克风是输入换能器，将声能转变为电能。 放大器：放大器将麦克风转换好的微弱电压加以放大。 受话器：受话器是另一换能器，正好与麦克风相反，它将放大的电信号转换为声信号或机械振动，传递到耳道里。转换为声信号的受话器为气导受话器，转换为机械振动的受话器为骨导受话器。此处为耳机音量调控：音量调控是一个可变电阻或电位器，用以调节通过放大器的电流，音量随电信号的电阻变化而变化。音量调高，则需要的电流也更多；音量调低，通过放大器的电流减少，使声音变轻。2.2 单元电路的设计2.2.1 麦克风的选择麦克风的功能是将声音转换成电信号，它可以静能量从一种形式转换成另一种形式，因此也被称为转换器。麦克风是输入设备，它将声音信号通过ad转换成微弱的电信号的过程。对于一个理想的麦克风，从麦克风出来的电信号的波形与进入麦克风的声音信号的波形是一样的。麦克风的种类有多种，大体上分为一般的麦克风和驻极体麦克风，所以麦克风有两种方案可供选择：方案一：普通麦克风，体积较大，价格比较昂贵。方案二：驻极体麦克风，体积小，结构简单，灵敏度高，个性化。综上所述，本次课程设计选用驻极体麦克风。2.2.2 放大电路的选择放大电路的核心部分有三种，一种是晶体三极管，一种是场效应管，另一种是集成运放，这些都是有源器件。集成运放功能虽然运用广泛，但价格较其他三种都高，而三极管价格低廉运用广泛。考虑成本与性能问题，最后采用三极管作为放大电路的核心部件。放大是对模拟信号最基本的处理，在生产实际和科学实验中，从传感器获得的电信号都是很微弱，只有经过放大后才能作进一步的处理（这里放大后送往功率放大器处理），或者使之具有足够的能量来推动执行机构。本次课程设计中晶体三极管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小的变化不失真地放大输出。三极管使用是应工作在放大区，发射结正偏且集电结反偏，即且（锗管的约为0.1v，硅管的约为0.5v）。 2.2.2-1晶体三极管的输出特性曲线 晶体三极管有共集、共基、共射三种组态，因此有三种选择方案：方案一：共射放大电路既能放大电压又能放大电流，输入电阻居于三种电路之中，输出电阻较大，频带较窄，常用作低频电压放大电路的单元电路。方案二：共基电路只能放大电压不能放大电流，输入电阻小，电压放大倍数、输出电阻与共射电路相当，是三种接法中高频特性最好的电路，常作为宽频带放大电路。方案三：共集电路只能放大电流不能放大电压，是三种接法中输入电阻最大输出电阻最小的电路，并具有电压跟随的特点，常用于电压放大电路的输入级和输出级，在功率放大电路中也常采用射极输出的形式。本次课设所做的电子助听器要求输入频率在30hz3000hz的范围，应该电压电流都能放大，并综合考虑运用习惯，决定采用共射极放大电路作为第一级放大电路的单元电路。 2.2.22 共射极放大电路 2.2.3 otl功率放大电路功率放大电路是在电源电压确定的情况下，以输出尽可能大的不失真的信号功率和具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常工作在尽限应用状态。低频功放有变压器耦合乙类推挽电路、otl电路、ocl电路、btl电路等。基于在模电书只学过无输出变压器的功率放大电路即otl电路和无输出电容的功率放大电路即ocl电路，而其他功放电路没有学到，考虑自己熟悉的电路因此这次功率放大电路有两个方案供选择：方案一：无输出电容的功率放大电路，即ocl电路，ocl电路能够有效地消除交越失真，但是不方便的是需要双电源供电。方案二：无输出变压器的功率放大电路，即otl电路，otl电路也能够消除交越失真，单电源供电，灵敏度较高。综合上述方案，两种方案都可以采用，但是考虑到本次电子助听器的设计使用的是两节5号电池5v单电源供电，因此选择了otl功率放大电路作为二次放大电路。电路图如下：2.2.3 otl功率放大电路2.2.4 输出设备的选择声音输出设备是音频信号输入音圈后，音圈产生的电磁场随信号的变化发生变化，变化的电磁场与磁路相互作用推动音圈和振膜的运动，振膜推动空气发声。是电子助听器补课缺少的重要组成部分。声音输出设备在电子设计中一般情况下主要考虑两种方案：方案一：小型扬声器，体积较大。方案二：耳机，体积小，使用方便，可灵活拆卸。为了在使用时能够方便，并且结合耳机戴在耳朵上更加能够听取所需要的声音，噪声干扰小的特点，本次课程设计采用耳机作为输出设备。而使用耳机只要在电路板上焊接一般的耳机接口既可。2.3 整体电路设计及其原理说明2.3.1 电路原理图2.3.1 原理图2.3.2 电路及工作原理说明本次设计的电子助听器的电路原理图如图2.3.1所示，它是一个由晶体三极管t1t3构成的多级音频放大器。驻极体麦克风接收到声波信号后，输出相应的微弱电信号。t1与外围阻容元件及电阻元件组成了典型的共射极放大电路放大，作为前置音频电压放大，驻极体麦克风输出的这些微弱的电信号经过共射极放大电路后，得到相对较大的电信号，进而送至二级放大机制。t2、t3是一对参数对称的npn和pnp晶体三极管，组成互补的otl功率放大电路，其中t3接成集电极输出形式，因此它具有输出阻抗较低，负载能力强等优点，以便与8低阻耳塞式耳机相匹配。信号从一级放大机制输出到二级放大机制进行功率放大，再由t3集电极输出，并通过耳机接口送至耳塞机放音。mk1是驻极体麦克风，t1是npn晶体三极管，通过偏置电压r2使t1在放大过程中工作在放大区，r1、r3、r6是限流电阻，用以保护电路的安全性，c1、c2是耦合电容，其主要作用是旁路掉输出信号中形成噪音的各种谐波成份，以改善耳机的音质。c3是滤波电容，主要用来减小干电池的交流内阻，为整机音频电流提供良好通路，可有效防止电池快报废时电路产生的自激振荡，并使耳机发出的声音更加清晰响亮。r5是10k的电位器。otl功率放大电路工作在甲乙类功率放大状态，它的控制是通过电位器r5来调节t2基极电压和电流的大小而实现的，电位器r5 的这种调节同时也可以实现耳机输出声音音量的大小调控。r7是反馈电阻，通过反馈提高助听器的性能。led是电路指示灯，灯亮表示电路通路，反之开路。电子助听器总的工作过程是，驻极体麦克风把声音信号转化为微弱的电信号，再经过共射极放大电路进行放大，进而二级放大，也就是功率放大，放大的电信号最后由耳机接口输出，输送到耳机之后电信号再转化成人耳能够感知的声音信号。2.4 仿真与调试2.4.1 使用的主要仪器和仪表数字万用表，示波器，信号发生器，电烙铁，电脑。2.4.2 电路的仿真电路的仿真使用multisim 12应用软件，multisim 是美国国家仪器(ni)有限公司推出的以windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。本次课程设计的电路原理图的仿真如图所示：2.4.21 仿真原理图2.4.22 仿真过程演示2.4.23 波形演示2.4.3 故障分析与排解板子焊接完成之后，接下来的工作就是调试了。调试的结果和计算出来的数据原理是存在一定的偏差的，需要用数字万用表检查每一条走线是否通路，焊接点是否是虚焊，是虚焊的话要适当增加焊锡的量。细心处理好每一个焊点，保证焊接质量，焊好后剪掉多余的引线。在没有任何虚焊的情形下接通两节5号电池共3v电压，然后跟踪信号流向，由输入到输出，由简单到复杂，依次测试，直至正常工作。检查每一个晶体三极管各个极的电压是否符合要求。我在本次课程设计中设计的原理图基本上是正确的，结果也出来了，但是新的问题又出现了，在耳机里听到的声音不清晰，听到较大的电流杂音，表现出声音不纯洁。在自己查找资料和询问他人之后，在电源正负极接上一个瓦片电容，有效地把电池内部电阻所产生的干扰信号过滤掉，最后得到了比较清晰纯正的声音。3 总结与心得历时两个星期的课程设计准备结束了，在这两个星期里，我成功地把电子助听器做出来了，而且各项指标也达到了老师规定的要求。助听器的作用是将声音信号放大。说得简单点，电子助听器的本质就是放大器。麦克风把分贝较低的声音信号转换成微弱的电信号，再经过两次放大处理，进而通过耳机把电信号还原成声音信号，最终达到比较大的声音。这次课程设计是第一次课程设计，对于整个制作流程并不是很熟悉的情况下把任务完成，此外multisim 仿真软件也是第一次从头到尾使用。因此本次课程设计的意义是非常大的，不仅是学习的好途径，可以学到很多之前自己并不懂的知识，也很好地锻炼了自己