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扩音机电路设计与实现 实验报告 北 京 邮 电 大 学 实 验 报 告实验名称：扩音机电路的设计与实现学 院： 信息与通信工程学院班 级：2009211119姓 名：袁 彬学 号： 09210552日 期：2011年4月6日 索 引一、报告综述.1、实验名称.2、实验目的.3、摘要.4、关键字.2、 实验任务要求. 3、 所用元器件及实验仪器清单 .4、 实验原理 .1、总体设计思路及框架2、前置放大级设计 .3、音调控制级设计 .4、功率输出级设计 . 5、Protel 绘制的全电路原理图 .6、PCB图 . 五、multisum仿真结果.六、实际测试数据 . 1、实物电路照片2、系统调测7、 故障及问题分析. 八、实验总结与结论. 1、 报告综述1、 实验名称扩音机电路的设计与实现2、 实验目的 （1）、了解扩音机电路的形式和用途 （2）、掌握音频放大电路的一种实现方法 （3）、提高独立设计电路和验证实验的能力3. 、摘要扩音设备的作用是把从话筒、录放卡座、CD机送出的微弱信号放大成能推动扬 声器发声的大功率信号，主要采用运算放大器和集成音频功率放大电路来构成扩音机电路。本实验中设计了两个产品，一个是自己在多孔板上用烙铁焊接的扩音机电路，另一个是自己设计的PCB电路板。报告中先讲到本实验的三级原理，分别为:前置放大级、音调控制级、功率放大级，然后分析了原理图的绘制、PCB的生成、电路的焊接、电路的调试及数据结果。4、 关键字扩音机、前置放大器、低音和高音的提升和衰减、功率放大2、 实验任务要求a) 参考书中框图设计实现一个对话筒输出信号具有放大能力的扩音机电路，设计指标和给定条件为：1) 最大输出功率不小于2W2) 负载阻抗为83) 具有音调调控功能，即用两个电位器分别调节高音和低音。当输入信号为1kHz 时，输出为0dB；当输入信号为100Hz 正弦时，调节低音电位器可以使输出功 率变化12dB；当输入信号为10KHz 时，调节高音电位器也可以使输功率变化 12dB4) 输出功率的大小连续可调，即用电位器可以调节音量的大小5) 频率响应：当高、低音调电位器处于不提升也不衰减的位置时，-3dB 的频率范围是80Hz6KHz，即BW=6KHz6) 输入端短路时,噪声输出电压的有效值不超过10mv，直流输出电压不超过50mv，静态电源电流不超过100mAb) 设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用Protel 软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）3、 所用元器件及实验仪器清单实 验 所 需 元 器 件实 验 测 试 仪 器LF353P（2）、TDA2020（1）、音箱、1N4001（2）、MAC（1）、500K电位器（2）、10K电位器（1）、多孔板（2）、电阻若干、电容若干、烙铁、焊锡、松香、钳子、吸锡器、导线、其他直流稳压电压源、万用表、函数信号发生器、双踪示波器、其他4、 实验原理1、 总体设计思路及框架图1 扩音机原理框图本实验中采用三级结构：前置放大、音调控制、功率放大。前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声要小，音调控制主要是实现对输入信号高、低音的提升和衰减；功率放大期决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、失真尽可能小、输出功率大。设计时首先根据技术指标的要求和各级的功能，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计，计算各级电路的参数。因为Pomax=2W, 负载阻抗为8，输出电压Uo=4V，要使输入为5mV的信号放大到输出的4V，所需的总放大倍数为800。 扩音机中各级增益的分配为：前置级的电压放大倍数为100；音调控制中频放大倍数为1；功率放大级电压放大倍数为8。2、 前置放大级设计由于话筒提供的信号非常弱，一般在音调控制器前面加一个前置放大器。考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353。 图2 LF353参数图3 前置放大级电路图Au1=111+R5/R6=10,取R5=100K，R6=10KAu2=11取R8=100K，R9=10K耦合电容C1、C3、C5取10f，C4取100f，以保证扩音电路的低频响应。其他元器件的参数选择为C2=100pf，R4=R7=100K，R10=22K。3、 音调控制级设计音调控制器功能为：调节音响放大器的频率响应，更好地满足人耳的听觉特性。音调控制器对高音和低音进行提升或衰减，对中音信号增益不变,该级电路图如下。图 4 音调控制级电路图中频段：此时C6、C7可视为短路，C8可视为开路，其等效电路为图5所示。此时的放大倍数为-R12/R11=-1。图5 中频等效电路低频段：低频时C8可视为开路，RP1调节时，图6对应RP1滑在最左端，即低频提升最大情况，图7对应RP1滑在最右端，即低频衰减最大情况。信号频率越低，则随着容抗的增大增益越大，随着RP1的滑动端从左端移到右端，增益也将由小变大，也就是说调节RP1能改变低音的放大倍数，产生提升和衰减的效果。图6 低频提升电路图7 低频衰减电路高频段：高频时C6，C7可视为短路，调节RP2能改变高音的放大倍数，产生提升和衰减的效果。RP1作低音音调控制，RP2作高音音调控制。为了使电路获得满意的性能，下面要求必须具备： a) 信号源的内阻（即前一级的输出阻抗）不大。 b) 用来实现音调控制的放大电路本身有足够高的开环增益。 c) C6、C7的容量要适当，其容抗跟有关电阻相比，在低频时足够大，在中、高频的时候又足够小；而C8的选择却要使它的容抗在低、中频时足够大，在高频的时候又足够小。粗略的说，就是C6、C7能让中、高频信号顺利通过而不让低频信号通过；C8则让高频信号顺利通过而不让中、低频信号通过。 d) RP1、RP2的阻值均远大于R11、R12、R13、R14。若将音调控制电路的高低音提升和衰减曲线画在一起可得到如下特性曲线。图8 音调控制幅频特性曲线4、功率放大级 本实验电路的功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式。其主要特点是：a) 上升随率高、瞬态互调失真小；b) 输出功率比较大，单片的TDA2030A的输出功率可达18W；c) 外围电路简单，使用方便；d) 采用5脚单列直插的封装形式，体积小；e) 内含各种保护电路，工作安全可靠。图 9 TDA2030A型单片集成功率放大电路 图10 功率放大级电路图5、全电路原理图如下：图 11 全电路原理图6、PCB图如下：图12 PCB（未覆铜）图13 PCB（覆铜 顶层）图 14 PCB（覆铜 底层）6、Multisum仿真结果图15 Multisum中电路原理图a) 输入振幅为5mv,频率为1Khz的正弦波：图16 1KHz函数信号发生器截图图17 1KHz第一级输出电压波形图 18 1KHz第二级输出电压波形图 19 1KHz第三级输出电压波形b)输入电压振幅为5mv,频率为100Hz的结果： 图20 100Hz函数信号发生器图21 100Hz第一级输出电压波形图22 100Hz第二级输出电压波形图23 100Hz第三级输出电压波形图24 调节RP1第二级输出电压波形c)输入振幅为5mv,频率为10KHz的结果：图25 10KHz函数信号发生器图26 10KHz第一级输出电压波形图27 10KHz第二级输出电压波形图28 10KHz第三输出电压波形图29 调节RP2第二级输出电压波形6、 实验数据1、 实物电路照片图30 PCB实物图图31 自己焊接的电路2. 、系统调测1)、电源电压E=+10V,按前置级，音调控制级、功率放大级分块搭建电路。2)、在下列条件下测试前置级、音调控制级、功率输出级的电压增益和整机的电压增益。A) 音量控制器RP3置于最大位置;B) 音调控制电位器置于中心位置;C) 输入信号频率为1KHz。前置级音调控制级功率放大级整机Ui20mvUi22.4VUi32.4V5mvUo12.4vUo2-2.4VUo310V10VAu1120Au2-1Au34.25003)、整机电路的频率响应在高低音不提升、不衰减（即将音调控制电位器RP1、RP2置于中心位置），保持输入信号幅度不变，改变输入信号频率。随着频率的改变，测出当输入电压下降到中频（1Khz）输出电压Uo的0.707倍所对引得频率fL和fH。上、下限截止频率所对应的波形： 图32 增大输入信号频率至3db点 图33 减小输入信号频率至3db点由波形可得如下数据：fL(HZ)10fH(HZ)141674） 整机高低音控制特性先将RP1、RP2旋置中间位置，减小输入信号幅度Vi=10mV(f=1kHz),并保持Ui的幅度不变不变，测出中频时的Au。输出电压Vo=10V，Au=Vo/Vi=1000a） f=100Hz时的音调控制特性使RP1旋置两个极端位置，依次测出两个两个情况的电压增益，并由此计算出净提升和净衰减量，用用分贝表示即20lg(AuA/Au)和20lg(AuB/Au).当RP1置于中间位置时，测得Au=330；当RP1置于A端时，测得AuA=1000；当RP1置于B端时，测得AuB=120；计算得：20lg(AuA/Au)=9.63db;20lg(AuB/Au)=-8.79db;b) f=10khz时的音调控制特性使RP2旋置两个极端位置依次测出两种情况的电压增益，并由此计算出井提升和净衰减量，用分贝表示,即20lg(AuC/Au)和20lg(AuD/Au)。当RP2置于中间位置时，测得Au=260；当RP2置于C端时，测得AuC=1000；当RP2置于D端时，测得AuD=70；计算得：20lg(AuC/Au)=11.7db;20lg(AuD/Au)=-11.4db;（5） 噪声测试当输入信号Ui=0时，测得输出噪声电压Uo=1mv。7、 故障及问题分析这次试验虽然圆满成功，但谁知其中的艰难，实验的过程就是一步一步纠错的过程。本试验中我主要遇到以下问题：1、 在实验开始时，由于对Protel没有接触，我是我们班第一个吃螃蟹的人，星期五放学回寝室就开始学习Protel，然后又用星期六一天的时间把扩音机的原理图和PCB做出来。画原理与PCB时有一些元件及其封装找不到，如TDA2030，需要自己创建一个SCHLIB库和PCB封装库，这都需要一步一步尝试，花费了很多精力和时间。2、 由于刚开始没有看清楚书上的电路图，错误的把第一级的LF353P的2管脚和3管脚连在一起了，导致用Multisum仿真结果始终不对，说起来很奇怪，刚开始怎么看书上那个的图都是连在一起的，等我发现了错误之后都不是连在一块的。这其中还有一段小故事，等到写心得时再说吧。3、 老师说我们这个实验比较难调试，在面包板上调测很容易出问题，又听老师说以前又做PCB的，鉴于以前学过单片机，买了一些焊电路的工具，于是萌生了作PCB的想法。由于做PCB风险比较大，我决定先自己焊一块电路板。自己以前基本上没焊过电路，焊电路的技术自然不怎么样，第一块板子就冒然开使，结果可想而知，电路板布局很乱，焊点也很不好，第一块板子废了。焊第二块板子的时候格外小心，先动脑，认真布了一下局，最终成功了。4、 自己焊的板子虽然没有PCB完美，但是我感觉更有成就感。由于布线没有PCB那样规整，电路中自然存在不少干扰，测试的时候最后一级得波形不是太完美，存在一些高频成分，效果不是太理想，但最终结果还是出来了，输入接MP3放出的声音还不错。5、 PCB很漂亮，但这是以钱为代价的，六块板一共花了350块钱。但是再完美也存在瑕疵，当插入麦克的时候，输出很大的噪音，尤其是不按住麦克时，会有很大的高频噪声，而当接MP3时放出的声音效果很好，于是我猜想可能是麦克的问题。PCB测试的时候有时电位器没调好还会出现“咯”、“咯”的声音，至今还没搞清楚是怎么回事。6、 有有很多时候滑动变阻器RP3没调好时直流稳压电源会出现异常的情况，刚开始还不知道是怎么回事，后来和其他同学交流了一下才知道是因为RP3接入部分太大导致电路中电流太大的原因，后来每次调电路总会留意到这个问题，把RP3置于最小处。8、 实验总结与结论1、 这次试验留给我最大印象是花费了很多时间、精力和钱。别的实验都是插面包板，而我自己焊了两块电路板，还做了一个PCB，买了很多工具、元件，从实验刚一开始我就对这次试验很重视，每个周末不是焊电路就是去中发买材料，连打球的时间都没有了。2、 这次试验下了血本，自然有很大的收获，学会了Protel.、Multisum仿真，学会了绘制原理图|、制作PCB,焊接电路的水平有了很大的提高。3、 这次实验让我认识到了团队精神的强大，我们班五个人和另外一个班的一个位同学都选的是这个题目，课下我们讨论了关于实验许多方面的问题，每个都有不少不错的想法，三个臭皮匠顶个诸葛亮，和其他同学的交流会有不少的收获。4、 做PCB给了我一个很大的教训，不能轻易做PCB，做的时候要格外小心。由于刚开始看错了电路图，错误的把第一级的LF353P的2、3管脚连在一起，于是铸成了大错。我联