课程设计扩声器设计.doc

四川航天职业技术学院电子工程系课程设计专业名称： 电子信息工程技术（套读班） 课程名称： 电子技术课程设计 课题名称： 扩声器设计 设计人员： 朱 巧 兰 指导教师： 简 元 金 2012 年 06 月 15 日课程设计报告书评阅页课题名称：扩声器设计班 级：电子信息工程技术（套读班）姓 名：朱巧兰 2012 年 06 月 15 日指导教师评语：考核成绩： 指导教师签名：2012 年 06 月 15 日扩声器课程设计任务书一、课题名称：扩声器电路设计二、技术指标：最大输出功率为8瓦负载阻抗为9欧非线性失真系数不大于3%输入端短路时，噪音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100mA 输入阻抗不小于50千欧三、要求：分析电路的组成及工作原理进行单位电路设计计算说明电路调试的基本方法画出完整的电路图指导教师：简元金学 生：朱巧兰电子信息工程技术（套读班）2012 年 06 月 15 日摘要在很多场合（如商场、学校、车站、体育馆等）都安装有广播系统，它的主要功能是播放背景音乐、广播通知和要闻。这些广播系统都含有扩声设备，用以把从话筒、录放卡座、CD机送出来的微弱信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号。根据实际需要和放大器件的不同，扩声电路的设计也有很多种类。作为电子设计线路的课程设计，我们将采用采用理论课程里介绍的运算放大集成电路和音频功率放大集成电路来构成扩声电路。关键字:功率放大系数、集成运放放大器、低频和高频。AbstractOn many occasions (such as shopping malls, schools, railway stations, etc. ) are installed in a broadcast system, its main function is to play background music, broadcast the announcement and news. These broadcasting system containing both PA equipment, used to take from the microphone, recording cassette, CD send out faint signal amplifier to drive a loudspeaker audible high power signal. According to the practical need and the amplifying device is different, amplifying circuit design has many kinds. As electronic design circuit curriculum design, we will use the theory course describes the operational amplifier integrated circuit and the audio power amplifier integrated circuit to form the amplifying circuit.Key words :power amplification coefficient, integrated operational amplifier, low frequency and high frequency, frequency response, attenuation and promotion.目录摘要.31. 扩声电路的设计1.1方案一.51.2方案二.62. 扩声电路各单元电路设计2.1扩音器设计.62.2音频控制器设计.72.3功率输出级设计.83. 相关图示3.1功率输出级电路设计原理图.113.2扩声电路总体电路设计原理图.123.3扩声电路总体电路设计PCB图.133.4扩声电路总体电路设计3D安装图.143.5调试要点.14元器件清单.16心得体会.16参考文献.161.扩声电路设计1.1方案一：采用SRPP电路和阴极输出器的级联，两者之间直接耦合成的电子管前级电路。其功放集成电路内部结构方框图大致如图2-1所示：阴极输出级SRPP电路电子管前级电路信号ui声音信号uo图2-1电子管功放电路原理框图电子管的工作电压比晶体管高得多，前者为数百伏，后者仅需几伏。显然两者不能直接替换。第二，电子管依靠阴极受热后发射电子，屏极（阳极）加有高正电压，可以收集这些电子。如果屏极相对阴极加负电压则屏极排斥电子，没有电流产生，这就是电子管二极管的整流原理。所以，电子管要工作需要加热，这一般通过给靠近阴极的灯丝通电来实现，否则电子管不能工作。这也是电子管发热大的原因。第三，三极管工作原理是在阴极和屏极间用细金属丝网加了一个栅极，屏极加正高压时，栅极上加一个很小的负电压就能够减小屏极电流，达到控制屏极电流的目的。所以于NPN型晶体管放大电路需要在基极加正向偏置不同，电子管正常工作时栅极和阴极之间的电压是负电压（负栅压）。在这个电子管前置电路中阴极电流会产生几伏的压降。由于栅极通过电阻接地，栅极就自然产生了相对于阴极的负栅压。这种偏置方法还有自动稳定的作用。例如某外界原因导致阴极电流（就是屏极电流，栅极电流为零）变大，则栅压自动变负，阴极电流又自动变小。但是高档的电子管放大器不是这样偏置的，因为这样偏置不精确。它的特点是特高频相应好,当晶体管确定时，分布电容就定了，那么要提高上限频率，只能增大负载电阻。选用普通电阻自然不能增大太多，否则电路工作点就不对了。1.2方案二：扩声电路实际上是一个典型的多级放大器。其原理如下图所示。前置放大主要完成对小信号的放大，一般要求输入高阻抗，输出低阻抗，频带要宽，噪声要小；音频控制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，要求效率高、输出功率大。设计时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。因为P0max=8W，所以此时的输出电压U0=。要使输入为5mV的信号放大到输出的8V，所需要的总放大倍数为 Au=u0/ui=8V/5mV=1600故采取方案二。2.扩声电路各单元电路设计2.1.扩音器设计由于话筒提供的信号非常微弱，故一般在音频控制器前面要加一个前置放大器。该前置放大器的下限频率要小于音调控制器的低音转折频率，上限频率要大于音调控制器的高音转折频率。考虑到所设计电路对频率响应及零输入（即输入短路）是的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353。它是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声集成器件。其输入阻抗高位10000M，输入偏置电流仅有50x10-12A，单位增益频率为4MHz，转换速率为13V/us，用作音频前置放大器十分理想。其外引线图如左所示。前置放大电路由LF353组成的两级放大电路完成，如下图所示。第一级放大电路的Au1=10，即1+R3/R2=10，取R2=10K，R3=100K。取Au2=10（考虑增益余量），同样R5=10K，R6=10K。电阻R1，R4为放大电路偏置电阻，取R1=R4=100K。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。低频提升电路由100K,10K的电阻，100pF的电容和一个放大器组成。低频衰减电路由100K,10K的电阻，100pF的电容和一个放大器组成。其中R7=22K,C1=10uF,C2=10uF ,C11=100uF,电路电源为12V。2.2.音频控制器设计音频控制器的功能是根据需要按一定的规律控制、调节音响放大器的频率响应，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和衰减，而中音信号的增益不变。（1）低频工作时元器件参数的计算。音频控制器工作在地音频时（即ffL），由于电容C5C6=C7，故在低频时C5可看成开路，音调控制电路此时可简化为下图a，b所示。图a所示为电位器RP1中间抽头处在最左端，对应于低频提升最大的情况。图b所示为电位器RP1中间抽头处在最右端，对应于低频衰减最大的情况。低频提升电路由3个52 K的电阻，一个0.01 uF的电容，470 K的电阻和LF353放大器组成。低频衰减电路由3个52 K的电阻，一个0.01 uF的电容，470 K的电阻和LF353放大器组成。Ao=1（0dB），在100Hz处有12dB的调节范围。当增益为0dB时，对应的转折频率为400Hz（因为从2dB到0dB对应两个倍频程，所以对应频率是2X2X100Hz=400Hz），该频率既是中音下限频率fL2=400Hz。最大提升增益一般取10倍，因此音调控制器的低音转折频率fL1=fL2/10=40Hz。电阻R8，R10及RP1的取值范围一般为几千欧姆到数百欧姆。若取值过大，则运算放大器的漏电流的影响变大；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RP1=470K。由于Ao=1。故R8=R10。又因为wL2/wL1=(RP1+R10)/R10=10,所以R8=R10=RP1/（10-1）52K，取R9=R8=R10=51K。电容C7可由式1/（2fL1XRP1）求的：C7=0.0085uF，取0.01uF。2.3.功率输出级设计 功率输出级电路结构有许多种形式，选择由分立元器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OCL功率放大器，其电路如图6.10所示。其中由运算放大器组成输入电压放大驱动管，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NPN型的复合管。VT3与VT4为不同类型的晶体管，所组成的复合管导电极性由第1只管决定，为PNP型复合管。（1） 确定电源电压Vcc。功率放大器的设计要求是最大输出功率Pomax=8W。由式Pomax=12 可得：uomax=2PomaxRL。考虑到输出功率管VT2与VT4的饱和压降和发射极电阻R21与R22d的压降，电源电压常取：Vcc=（1.21.5）Uom。将以知参数带入上式，电源电压取1.2V。（2） 功率输出级设计：1. 输出晶体管的选择。VT1与VT4选择同类型的NPN型大功率管。其承受的量最大反向电压为Ucemax=2Vcc。每支晶体管的最大集电极电流为Icmax=VccRL1.5A；每支晶体管的最大集电极功耗为：Pcmax=0.2Pomax=1.6W。所以，在选择功率三极管时，除应使两管B的值尽量对称外，其极限参数还应满足系列关系：V（BR）CEO2Vcc，IcmIcmax，PcmPcmax。根据上式关系，选择功率三极管为3DD01。2.复合管的选择。VT1与VT4组成复合管，他们承受的最大电压均为2Vcc，考虑到R18与R20的分流作用和晶体管的损耗，晶体管VT1与VT3的集电极功耗为：Pcmax（1.11.5）Pc2maxB2，而实际选择VT1，VT3的参数要大于其最大值。另外为了复合出互补类型的三极管，一定要使VT1,VT3互补，且要求尽可能对称性好。可选用VT1为9013，VT3选用9015.2. 电阻R17R22的估算。R18与R20用来减小复合管的穿透电流，其值太小会影响复合管的稳定性，太大又会影像输出功率，一般取R18=R20=(510)ri2.ri2为VT2管的输入端等效电阻，其大小可用公式ri2=rbe2+（1+B2）R21来计算，大功率管的 rbe约为10欧姆，B 为20倍。输出功率管的发射极电阻R21与R22起到电流的负反馈作用，是电路的工作更加稳定，从而减少非线性失真，一般取R21=R22=(0.050.1)RL。由于VTI与VT3管的类型不同，接法也不一样，因此两只管子的输入阻抗不一样，这样加到VT1与VT3管基极输入端的信号将不对称。为此，增加R17与R19作为平衡电阻，使两只管子的输入阻抗相等。一般选择R17=R19=R18ri2。根据以上条件，选择电路元器件值为 R21=R22=1欧 R18=R20=270 R17=R19=30 确定静态偏置电路。为了克服交越失真，由R15,R16,RP3和二极管VD1,VD2共同组成两对复合管的偏置电路，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流应为0（VT1与VT3应处于微导通状态），即u0=0V。运算放大器的输出电位u030V，若取电流I0=1Ma,Rrp3=0，（RP3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0阻值，当调整输出级静态工作电流或者输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值），则 I0Vcc-UdR15+Rrp3=Vcc-UdR15=12-0.7R15 所以R15=11.3K欧，取R15=11K欧。为了保证对称，电阻R16=11K欧，取Rrp3=1K欧。电路中的VD1与VD2选为1N4148.5 为了反馈电阻R13与R14的确定。在这里，运算放大器选用LF353，功率放大器的电压增益可表示为：Au=1+(R13+Rrp4)R14=20.取R14=1K欧，则R13+Rrp4=19K欧，为了使功率放大器增益可调，取R13=15K欧，Rrp4=4.7K欧。电阻R12是运算放大器的偏置电阻，电容C8是输入耦合电容，其容量大小决定了扩声电路的下线频率。取R12=100K,C8=100皮法。并连在扬声器两端的R23与C10消网络，可以改善扬声器的高频响应。这里取R23=27，C10=0.1一般取C9=4.7功率输出级电路设计原理图扩声电路总体设计原理图，PCB图见下3D安装原理对照图3.5、调试要点在调试安装前，首先将所选用的电子元器件测试一遍，以确保元器件完好。在进行元器件安装时，布局要合理，连线应尽可能短而直，所用的测量仪器也要准备好。3.5.1. 前置级调试当无输入交流信号时，用万用表分别测量LF353的输出电位，正常时应在0V 附近。若输出端滞留电流为电源电压值时，则可能运算放大器已坏或工作在开环状态。输入端加入ui=5mV，f=1000HZ的交流信号，用示波器观察有无输出波形。如有自激震荡，应首先消除。当正常工作后。用交流毫伏表测量放大器的输出，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，并画出幅频特性曲线。3.5.2. 音调控制器调试静态测试同上动态调试：用低频信号发生器在音调控制器输入400mV的正弦信号，保持幅值不变。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，分别测量其幅频特新曲线；然后将两个电位器的位置调到相反状态，重新测试其幅频特新曲线。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、完好。3.5.3. 功率放大器调试静态调试：首先将输入电容C8输入端对地短路，然后接通电源，用万用表测试Uo，调节电位器RP3，使输出的电位近似为0.动态调试：在输入端接入400mV。1000Hz的正弦信号，用示波器观察输出波形的失真情况，调整电位器RP3使输出波形交越失真最小。调节电位器RP4使输出电压的峰值不小于11V，以满足输出功率的要求。3.5.4. 整机调试将三级电路连接起来，在输入端连接一个话筒，此时，调节音量控制电位器RP4，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。元器件清单元器件名称 参数数量元器件名称 参数数量元器件名称 参数数量 LF3532 电阻100K5 电位器4702三极管90131 电阻10K2 电位器4.7K1三极管90151 电阻22K1 电位器1K1三极管 3DD012 电阻51K3 二极管IN41482 电阻18K1电解电容 10uF2 电阻15k1电解电容 100uF3 电阻1k1电解电容0.01uF2 电阻11K2电解电容 4.7uF1 电阻302瓷片电容 330uF1 电阻2702瓷片电容 100pF1 电阻12瓷片电容 0.1uF1 电阻271心得体会学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。通过这段时间不懈的努力与切实追求，终于做完了课程设计。通过这次课程设计，我掌握了常用元件