模拟电子技术课程设计报告扩音机

课程名称课程名称 课程设计报告课程设计报告 学学 院 院 信息科学与技术学院信息科学与技术学院 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 班班 级 级 2 2 姓姓 名 名 王凯王凯 憨超憨超 学学 号 号 20105081142010508114 20105081412010508141 20122012 年年 1 1 月月 3 3 日日 1 目目 录录 1 1 课程设计目的课程设计目的 2 2 2 2 课程设计任务和要求课程设计任务和要求 2 2 3 3 设计内容设计内容 2 2 4 4 元器件清单元器件清单 9 9 5 5 设计总结设计总结 1010 6 6 参考书目 参考书目 1010 2 1 1 课课程程设设计计目目的的 1 结合所学的电子电路的理论知识完成 扩音机电路设计 课程设计 2 通过该设计学会并掌握常用电子元器件的选择和使用方法 3 提高自己综合分析问题和解决问题的能力 2 2 课课程程设设计计任任务务和和要要求求 2 2 1 1 课课程程设设计计任任务务 扩音机不仅仅是音响设备 还广泛用于控制系统和测量系统中 本设计将 介绍一种具有收音 拾音 话筒等输入的功率扩音机的设计 通过此次设计 训练 需要对音响电路的前置级 音调级以及功放级的设计和主要性能参数 的测试有一个全面深入的了解 并能初步掌握小型电子电路的装调技术 2 2 2 2 课课程程设设计计要要求求 1 最大输出功率为 8W 2 负载阻抗 RL 8 欧姆 3 在同频带内 满功率下非线性失真系数 3 4 具有音调控制功能 即用两只电位器分别调高音和低音 3 3 课课程程设设计计报报告告内内容容 3 1 课程设计方案选择及说明 实际上是一个典型的多级放大器 其原理如图 1 所示 前置放大器主要完 成对小信号的放大 一般要求其输入阻抗高 输出阻抗低 频带宽 噪音小 音调控制电路主要实现对输入信号高 低音的提升和衰减 功率放大器决定 了整机的输出功率 非线性失真系数等指标 要求效率尽量高 失真尽可能 小 输出功率足够大 设计首先根据技术指标要求 对整机电路做出适当安 排 确定各级的增益分配 然后对各级电路进行具体的设计 3 原原理理图图 1 1 3 2 各单元电路的工作原理 1 前置放大器的设计 由于受话器提供的信号非常微弱 一般在音调控制器前面应加一个前 置放大器 该前置放大器的下限频率要低于音调控制器的低音转折频率 上 限频率要高于音调控制器的高音转折频率 考虑到设计电路对于频率响应及 零输入 即输入端短路 时的噪音 电流 电压的要求 前置放大器用集成 运算放大器 LF353 LF353 是一种双路运算放大器 属于高输入阻抗低噪音 集成器件 其输入阻抗到 10000M 欧姆 输入偏置电流仅为 50 10 的 12 次 方安培 单位增益频率为 4MHz 转换速率为 13V V u us s 用做音频前置放大 器十分理想 前置放大电路由如图 2 示的 LF353 组成的两级放大电路 第一级放大电路 的 Au1 R2 R3 Au2 R6 R5 电阻 R1 R4 100K 欧 耦合电容 C1 与 C2 取 10uF C4 与 C11 取 100uF 以保证扩声电路的低频响应良好 其他元件的参数选择是 C3 100pF R7 22K 欧 电路直流电源为 12V 4 图 2 前置放大电路 2 音调控制器的功能主要是根据设计需要按一定的规律控制和调节音频放 大器的频率响应 以更好地满足人耳的听觉特性 一般音调控制器只对低音 和高音信号的增益进行提升或衰减 而中音信号增益不变 音调控制器的电 路结构有多种形式 常用的典型电路结构如图 3 所示 图 3 音调控制器 该电路的音调控制曲线 即频率响应 如图 4 所示 音调控制曲线中给出 了相应的转折频率 f L1 表示低音转折频率 f L2 表示中音下线频率 f0 表示中音频率 即中心频率 要求电路对此频率信号没有衰减和提升作 5 用 f H1 表示中音上限频率 f H2 表示高音转折频率 音调控制器的设 计主要是根据转折频率的不同选择电位器 电阻器及电容器的参数 图图 4 4 音音调调控控制制曲曲线线 低频工作时元件参数的计算 音调控制器工作在地音频时 即 f 小于 f L 由于电容 C5 C6 C7 故在低频时 C5 可看成开路 音调控制电路可简化图 5 所示电路 图 5 a 所示为电位器 R p1 中间抽头处在最左端 对应于低频提升最大的情况 下面分别进行讨论 A 低音 高音 提升衰减 提升衰减 Rp1 Rp2 C1C2 R1R2 R3 R4 C3 C Vi Vo 图 5 负反馈式音调控制电路图 20lgAvfdB 0 10 20 f 2L f 1L f A Rp2 C2 R1R2 R3 Vi Vo 6dB 倍频程 6 a 低音提升等效电路图及幅频响应曲线 低频提升电路 有图 a 可求出低频提升电路的频率响应函数为 A jw uo ui R10 R p1 1 jw w L2 R8 1 jw w L1 式中 w L1 1 C7R p1 w L2 R p1 R10 C7 R p1 R10 当频率 f f L1 时 C7 近似开路 此时的增益为 A R p1 R10 R8 当频率升高时 C7 的容抗减小 当 f f L2 时 C7 近似短路 此时的增益为 Ao R10 R8 在 f1 f2 f3 的频率范围内 电压增益减为 20dB 10 倍频 即 6dB 倍 频 40Hz 对应的增益是 20dB 则 2 40Hz 时所对应的增益是 14dB 本设计要求中频增益为 Ao 1 且在 100Hz 处有 12dB 的调节范围 故当增 益为 0dB 时 对应的转折频率为 400 因为从 到 对应两倍 频程 所以 对应频率是该频率 最大提 升增益一般取 倍 因此音调控制器的低音转折频率f L1 f L2 电阻 10 及 R p1 的取值范围一般为几千欧姆到 数百千欧姆 若取值过大 则运算放大器漏电流的影响变大 若取值过小 则 流入运算放大器的电流将超过其最大输出能力 这里取R p1 470K 欧 由 于 Ao 1 故 R8 R10 又因为 w L1 w L2 R p1 R10 R10 10 所 以 R8 R10 R p1 10 1 52K 欧 取 R9 R8 R10 51K 欧 带入相关参 数 可求得电容 C7 1 2 fL1 R p1 0 0085 F 取 C7 0 01 F 低频衰减电路 在低频衰减电路中 如图 5 b 所示 若取电容 C6 C7 则当工作频率 f 远小于 f L1 时 电容 C6 近似开路 此时电路增益为 Al R10 R8 R p1 当频率 f f L2 时 电容 C6 近似短路 此时电路增益为 Ao R10 R8 可见 低频端最大衰减倍数为 1 10 即 20dB 7 A Rp2 C1 R1R2 R3 Vi Vo 20lgAvf dB 0 10 20 f 1L f 2L f 6dB 倍频程 图 5 b 低音衰减等效电路图及幅频响应曲线 高频工作时元件的参数计算 音调控制器在高端工作时 电容 C6 C7 近似短路 此时音调控制电路可 简化成图 7 所示电路 为便于分析 讲星型连接的电阻 R8 R9 和 R10 转换 成三角形连接 转换后的电路如图 8 所示 因为 R9 R8 R10 所以 Ra Rb c R8 由于跨接在电路的输入和输出之间 对控制电路无影响 故可将它忽略不计 当 R p2 中间抽头处于最左端时 此时高频提升最大 等效电路如图 6 a 所示 当 R p2 中间抽头处于最右端时 此时高频段衰减最大 等 效电路如图 6 b 所示 20lgAvf 0 10 20 f 2H f 1H f 6dB 倍频程 A Rb Vi Vo Ra R4C3 a 20lgAvf 0 10 20 f 6dB 倍频程 A Rb Vi Vo Ra R4C3 1H f 2H f 8 b 图 6 高频提升电路 由图 6 a 可知 该电路是一个典型的高通滤波器 其增 益函数为 A jw uo ui Rb 1 jw w H1 Ra 1 jw w H2 其中 w H1 1 Ra R11 C5 w H2 1 R11C5 当 f f H1 时 电容 C5 可近似开路 此时的电压增益为 Ao Rb Ra 中频增益 当 f H 时 电容 C5 近似短路 此时的电压增益为 A Rb Ra R11 Ra R11 当 f H1 f f H 时 电压增益按 20dB 10 倍频的斜率增加 由于设计任务中要求中频增益 Ao 1 在 10KHz 处有 12dB 的调节范围 所以 求得 f 又因为 w H1 w H2 Ra R11 R11 A 高频最大提升量 A 一般也取 倍 所以 f H A f H1 由 Ra R11 R11 A 得 R11 Ra 欧 取 R11 欧 由 w H2 1 R11C5 得 R11 高音调节电位器 的阻值与 R p1 相同 取 R p2 470k 欧 高频衰减电路 在高频衰减等效电路中 由于 Ra Rb 其余元器件也相 同 所以 高频衰减的转折频率与高频提升的转折频率相同 高频最大衰减 为 1 10 即 20dB 3 功率输出级的设计 功率输出级的电路结构有多种形式 选择又分立元件组成的功率放大器 或单片集成功率放大器均可 为了巩固在电子线路课程中所学的理论知识 这里选用集成运算放大器组成的典型的 OCL 功率放大器 如图 7 所示 其中 由运算放大器组成输入电压放大器 由晶体管 VT1 VT2 VT3 VT4 组成的 复合管为功率输出级 三极管 VT1 与 VT2 都为 PN 管 仍组成 PN 管 VT3 VT4 为不同类型的晶体管 所组成的复合管的种类由第一只管子决定 极即为 管 9 TDA2030 1 2 345 同 相 输 入 反 相 输 入 Vs 输 出 端 Vs Rp 100k V02 C1 10uF R3 22k 1 2 TDA2030 5 3 4 R1 680 C2 22uF R2 22k 15V 15V D1 1N4001 D2 1N4001 C3 C4 C5 C6 C3 C4 100uF C5 C6 0 1uF R4 1 C7 0 22uF 8 Vo TDA2030 管脚图 图 7 TDA2030 组成的 OCL 功率放大器电路 确定电源电压 功率放大器的设计要求是最大输出功率 Po max 可得 Po max 考虑输出功率管 VT2 VT4 的饱和压降和发射极电阻 R21 与 的降压作用 电源电压常取 将已知参数代入上式 电源电压可选为 输出晶体管的选择 输出功率管 VT2 与 VT4 选择同类型的 NPN 型大功率管 其承受的最大反向 电压为 U 每只晶体管的最大集电极电流为 每只晶体管的最大集电极功耗为 Po max 所以 在选择功率三极管时 除应使两只 管的 值尽量对称外 其极限参数还应满足下列关系 BR Icm Pcm 根据上述关系 选择功率三极管为 3DD01 复合管的选择 与 分别和 VT4 组成复合管 它们承受的最大电压为 2 考虑到 R18 与 的分流作用和晶体管的损耗 晶体管 与 的集电极功耗为 而实际选择 参数时要大于该最大值 另外 为 10 了复合输出互补类型的三极管 一定要使 与 互补 且要求尽可 能对称 VT1 可选用 9013 选用 电阻 的估算 18 与 R20 用来减小复合管的穿透电流 而阻值的大小会影响复合管的 稳定性 太大又会影响输出功率 故一般取 R18 R20 5 10 ri2 ri2 为 18 和 VT2 管的输入端等效电阻 其大小可用公式 ri2 rbe 1 R21 来计算 大功率管的 rbe 约为 10 欧 为 20 倍 输出功率管的发射极电阻 R21 与 R22 起电流负反馈作用 使电路的工作点更 加稳定 从而减少非线性失真 一般取 R21 R22 0 05 0 1 Rl 由于 与 管的类型不同 接法也不一样 这样加到 与 管 基极输入端的信号将不对称 为此 增加 R17 到 R19 作为平衡电阻 是两只 管子的输入阻抗相等 一般选择 R17 R19 R18ri2 R18 ri2 根据以上条件 选择电路元器件为 R21 R22 1 欧 R18 R20 270 欧 R17 R19 30 欧 确定静态偏置电路 为了克服交叉失真 由 R15 R16 R p3 和二极管 VD1 VD2 共同组成 两对复合管偏置电路 使输出级工作于甲乙类状态 R15 与 R16 的阻值要根 据输出级输出信号的幅度和前级运算放大器的最大允许输出电流来考虑 静 态时功率放大器的输出端对地的电位为 0 与 应处于微导通状 态 即 uo 0V 运算放大器的输出电位 u03 0V 若取电流 Io 1mA R p3 0 R p3 用于调整复合管的微导通状态 其调节范围 不能太大 可采用 1k 欧左右的精密电位器 其初始位置应调在零阻值 当调 整输出级静态工作电流或者输出波形的交叉失真时再逐渐增大阻值 则 Io Vcc ud R15 R p3 Vcc ud R15 12 0 7 R15 所以 R15 11 3k 欧 取 R15 11k 欧 为了保证对称 电阻 R16 11k 欧 取 R p3 1k 欧 电路中 VD1 与 VD2 选为 反馈电阻 R13 与 R14 去确定 在这里 运算放大器选用 功率放大器的电压增益可表示为 11 R p3 R p4 R p4 若取 欧 则 R12 R p4 19k 欧 为了使功率放大器可调 取 R p3 15k 欧 R p4 4 7k 欧 电阻 R12 是运算放大器的偏置电阻 电容 C8 为输入耦合 电容 其容量大小决定了扩声电路的下限频率 取R12 100k 欧 C8 100 F 并联在扬声器两端的 R23 与 C10 消振网络 可以改善扬声器的高 频响应 这里取 R23 27 欧 C10 0 1 F 一般取 F 4 设计结果及分析 安装与调试 在调试安装前 首先将所选用的电子元器件测试和筛选一遍 以确定元 器件的质量符合设计要求 然后 严格按照元器件的安装 焊接 布线工艺 规程 进行元器件的插装和焊接 合理排布 连线应尽可能短而直 做到既 了牢固可靠 美观大方 又维护方便 前置级的调试 当无输入交流信号时 用万用表分别测量 的输 出电位 正常时应在 附近 若输出端直流电位为电源电压值时 则运算 放大器可能已坏或工作在开环状态 输入端加入 的交流信号 用示波器观察 有无输出波形 如有自激振荡 应首先消除 当工作正常后 用交流毫伏表 册测量放大器的输出 并求其电压放大倍数 输入信号幅值保持不变 改变其频率 测量幅频特性 并画幅频特性曲线 音调控制器的调试 先对其进行静态测试后进行动态调试 用低频信号发生器在音调控制器输 入端输入 的正弦信号 保持幅度不变 将低音控制电位器调到最 大提升 同时将高音控制电位器调到最大衰减 分别测量器幅频特性曲线 然后将两个电位器的位置调到相反状态 重新测量其幅频特性曲线 若不符 合要求 应检查电路的连接 元器件值 输入输出耦合电容是否正确和完好 纠正错误或排除故障 重新调试 直到符合设计要求为止 功率放大器的调试 静态调试 首先将输入电容 输入端对地短路 然后接通直流电源 用 12 万用表测试 调节电位器 使输出地电位近似为零 动态调试 在输入端接入 的正弦信号 用示波 器观察输出波形的失真情况 调节电位器 使输入端波形交叉失真 最小 调节电位器 使输入电压的峰值不小于 以满足输出 功率的要求 整机调试 将三级电路连接起来 在输入端连接一个受话器 此时 调节 音量控制电位器 应能改变音量的大小 调节高 低音控制电位 器 应能明显听出高 低音调的变化 敲击电路板应无声音间断和自激现象 4 元器件清单 位置编号名称型 号 规格数量备注 R11 R12 R13 R15 R16 R17 R25 R26 R32 电阻 10k 9 个 25 C R15 电阻 40 k 1 个 25 C R18 电阻 50 k 1 个 25 C R21 R22 电阻 47 k 2 个 25 C R23 电阻 17 k 1 个 25 C R24 电阻 13 k 1 个 25 C R31 电阻 20 k 1 个 25 C R33 电阻 30 k 1 个 25 C 13 R34 电阻 1 1 个 25 C RL 扬声器 14W8 1 个 25 C 话筒1 个 25 C Rp1 Rp2 电位器 470k 2 个调节放大倍 数 Rp3 电位器 10 k 1 个调节音量 C11 C12 C13 C31 电容 10 uF 4 个 25 C C20 电容 100nF 1 个 25 C C21 C22 电容 0