扩音机的设计与制作

湖 南 工 学 院 高 频 课 程 设 计 通信电子线路课程设计说明书 扩音机 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 王文刚 指导教师： 贾雅琼 职称 讲师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子0903 完成时间： 2011年12月6日 摘要近几年来，计算机技术进入了前所未有的快速发展时期，随着电子信息技术的发展关于音响放大器在电子技术基础中所处的位置越来越重要，它不仅是电子信息类专业的一个重要部分，而且在其他类专业工程中也是不可缺少的。放大器电路做为子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其现实生活中的运用也是非常普遍和广泛。 扩音机电路是把微弱的声音信号放大成能推动扬声器的大功率信号，主要由运算放大器和集成音频功率放大器构成。电路结构分为前置放大，音调控制，功率放大三部分。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；功率放大器决定了整机的输出功率，要求效率高，是真尽可能小，输出功率大。关键词：扩音机；功率放大器；音调控制ABSTRACTIn recent years, computer technology has entered the rapid development period of hitherto unknown, with the development of electronic information technology in electronic technology based on audio amplifier in the increasingly important position, it is not only the specialties of electronic information is an important part, but also in other types of professional engineering is necessary. Amplifier circuit as the subsystem of application, development is rapid, has become a new generation of electronic equipment indispensable core component, its real life use is very common and widely.Amplifier circuit is the voice signal amplification to drive the loudspeaker to the high power signals, mainly by the operational amplifier and integrated audio power amplifier. The circuit structure is divided into a preamplifier, tone control, power amplifying part three.Preamplifier mainly performed in small signal amplification, general requirements of high input impedance, low output impedance, frequency bandwidth, noise is small, the tone control is to achieve the main input signal in high, bass enhancement and attenuation; power amplifier determines the output power, high efficiency is required, it is as small as possible, large output power.Key words: amplifier; power amplifier; tone control目 录一、设计任务与要求1 二、设计原理分析2 2.1 扩音机原理32.2 LM353芯片介绍3 2.3 设计思路分析5 三、总体设计方案63.1 前置放大器73.2 音调控制电路153.3功率放大器19四、扩音器的调试194.1 前置放大器的调试204.2 音调控制电路的调试214.3功率放大器的调试214.4整机调试22五、故障及问题分析23六、实验总结与结论24参考文献25.致谢26附录27一、 设计任务与要求1. 设计目的(1) 掌握扩音机的设计组装与调试方法(2) 掌握集成功率放大器的工作原理及使用方法2. 设计任务1) 设计2W双声道功率扩音机(1) 最大输出不失真功率POM8W。(2) 功率放大器的频带宽度BW50Hz15KHz。(3) 在最大输出功率下非线性失真系数3%。(4) 具有音调控制功能：低音100Hz处有12dB的调节范围，高音10kHz处有12dB的调节范围。(5) 具有音调控制功能，即用两个电位器分别调节高音和低音。当输入信号为1KH是，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正弦时，调节高音点位器也可以使输出功率变化12dB。2) 组装调试扩音机3) 画出扩音机的完整电路4) 仿真调试二、设计原理分析 2.1扩音机原理扩音设备的通常作用是把从话筒等音频设备输出的微弱的信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号，故主要用到运算放大器和功率放大器。因此由前置放大器、音调控制器、功率放大器这几个部分组成。前置放大器对输入信号进行适当的放大,放大后的信号送入音调网络,信号经过音调网络,其幅度有所减小.一般单调网络的特性是:中音(1000HZ)时变化小于3DB,低音(100HZ)时调节的范围为+_12DB,高音(20KHZ)时的调节范围为+14DB,根据放音节目的不同,可以用”音调选择器”选择不同的位置.最后送入功率放大级进行功率放大后的信号送入扬声器,在扬声器上得到了放大后的音调信号.音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。 2.2 LM353芯片介绍图2.1LF353芯片图 LF353为四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3. 0伏或者高到32伏的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LF353是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声的集成器件。其输入阻抗达到104M,输入偏置电流极为50X10-12A,单位增益频率为4MHZ，转换速率为13V/us。2.3设计思路分析1.由于话筒提供的信号非常弱，所以需要加一级前置放大器，这级电路放大倍数不需要很高，主要是要求高阻抗，保证低噪声输入和尽可能大的声音信号输入。输出阻抗要低，使得电路具有很强的带负载能力，能够驱动后级的电路。根据这些要求，选择集成运算放大器LF353,LF353属于高输入阻抗低噪声的集成器件，其输入阻抗达到104M,输入偏置电流极为50X10-12A,单位增益频率为4MHZ，转换速率为13V/us。2.音调控制器是通过电阻电容网络的选频作用来实现音调控制的。输入信号分成两路送到放大器的输入端，一路对低频信号具有选择和调节作用，用大电容，另一路对高频信号具有选择和调节作用，用小电容, 实现对输入信号高、低音的提升和衰减；3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、失真尽可能小、输出功率大。三、 总体设计方案根据设计课题的要求和原理分析，该音频功率放大器电路可以分为3级: 第一级：前置放大，主要是完成对小信号无失真的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声小。 第二级：音调控制，电路的功能不仅仅在于扩音，还有对高低音的抑制或提升。 第三级：功率放大，决定了最终电路的输出效果，要求效率高、失真尽可能小、输出功率大。 扩音电路可由图3.1所示框图实现。 图3.1 音频功率放大器组成框图设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计。若P0max=4W,输出电压要使输入为5mv的信号放大到输出的6V，所需的总放大倍数为1200,实际电路中会有损耗,因此要留有充分的余地.设扩音机中各级增益的分配如下图所示.前置级的电压放大倍数为125；由集成功放级决定,此级增益不宜太大,一般为几十倍.音调控制级在时增益为一倍,实际会产生衰减,故取倍.各级电压增益分配如下图3.2所示:图3.2电压增益分配图下面主要介绍各部分电路的特点及要求。3.1 前置放大器前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100V几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。 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。LF353是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声的集成器件。其输入阻抗达到104M,输入偏置电流极为50X10-12A,单位增益频率为4MHZ，转换速率为13V/us。前置放大电路由LF353组成的两级放大电路。为满足将设计要求需在第一级将信号放大100倍左右,即 (3-1-1) (3-1-2)又由于输入偏执电流为50pA,可取,以满足放大要求.，为了将高频的噪音滤除掉，防止噪音进入放大电路的第一级被放大，对输出结果产生影响, 利用RC并联电路特性的阻抗，在的基础上再并上一个的小电容.耦合电容与取10f，可以较好的滤除两级放大之间所产生的噪音.取100f，以保证扩音电路的低频响应。 其中在负反馈端R5上并联了的大电容，还可以使电路对低频信号有一个更好的放大作用，输出较好的信号质量。电路如图3.5所示：图3.3前置放大电路 3.2 音调控制电路音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信号，达到控制音调的目的。音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。3.2.1负反馈式音调控制器的工作原理：由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图3.4所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。图3.4 负反馈式音调控制电路图在电路图3.4中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端时，C1被短路，此时电路图3.4可简化为图3.4(a)。由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图3.4(a)电路的频率响应分析如下：(a) 低音提升等效电路图 (b) 低音提升等效电路幅频响应波特图 图3.4(a)所示的电压放大倍数表达式为： (3-2-1)化简后得： 所以该电路的转折频率为： (3-2-2) (3-2-3)可见当频率时: (3-2-4)当频率时: (3-2-5)从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图3.4(b)所示。同样当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图3.5(a)所示。由于电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图3.5(a)电路的频率响应分析如下：该电路的电压放大倍数表达式为： (3-2-6)其转折频率为： (3-2-7) (3-2-8)可见当频率时 (3-2-8)当频率时 (3-2-9)从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图3.5(b)所示。在电路给定的参数下， 。(a) 低音衰减等效电路图 (b) 低音衰减等效电路幅频响应波特图图3.5低音衰减等效电路图及幅频响应曲线同理，图3.4电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图3.6（a）就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图 中的R1、R2、R3组成的Y型网络转换成连接方式，如图3.6（b）。其中 (3-2-10)在假设条件R1=R2=R3的条件下Ra=Rb=Rc=3R1 (3-2-11) (a) (b)图3.6 高音等效简化电路如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过Rc支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，Rc的反馈作用将忽略不计（Rc可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图3.7(a)所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为： (3-2-12)其转折频率为： (3-2-13) (3-2-14)当频率时 (3-2-15)当频率时 (3-2-16)从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图3.7(b)所示。 (a) 高音提升等效电路 (b) 高音提升等效电路的幅频响应波特图图3.7 高音提升等效电路及幅频响应曲线 当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图3.8（a）所示。 (a) 高音衰减等效电路 (b) 高音衰减等效电路的幅频响应波特图图3.8 高音衰减等效电路及幅频响应曲线该电路的电压放大倍数表达式为： (3-2-17)其转折频率为 (3-2-18) (3-2-19)当频率时 (3-2-20)当频率时 (3-2-21)可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的幅频响应曲线的波特图如图3.8(b)所示。（2）音调控制器的幅频特性曲线综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如3.9所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。图3.9音调控制曲线实际应用中通常先提出低频区处和高频区处的提升量或衰减量,再根据下式求转折率(或)和(或). (3-2-22) (3-2-23)此次设计中已知,由式(3-2-15)、(3-2-16)得到转折频率和：,则则.由式(3-2-2)得,其中,不能取值太大,否则会产生运放漂移电流,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,一般取几千至几百千欧姆.现取, ,则由式(3-2-2)得 取标称值 则 由式(3-2-11)得 则 由式(3-2-16)得 由式(3-2-14)得 取标称值取 , 级间耦合电容,由各参数值得音调控制器的电路图如图3.10所示图3.10音调控制电路3.3功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率,当负载一定时,希望输出的功率尽可能的大,输出信号的非线性失真尽可能的小,效率尽可能高,这里选用集体运放与晶体管组成的功放. 由晶体管和集成运放组成的OCL功放如图所示,其中,运放为驱动级,晶体管T1T4组成的复合式晶体管互补对称电路.(1)电路工作原理三级管,为相同类型的NPN管 ,所组成的复合管仍为NPN型,为不同类型的晶体管,所组成的复合管的导电性与第一只管决定,即为PNP型.及二级管,所组成 的去路是两对复合管的基级偏置电路,静态时去路电流I可由下式计算: (3-3-1)式中,为二级管的正向压降. 为减小静态功耗和克服交越失真,静态时,应工作在微导通状态,即满足下列关系: (3-3-2) 称此状态为甲乙类工作状态,二级管,与三级管,应为相同类型的半导体材料,如,为硅二极管,则,也应为硅三极管.用于调整复合管的微导通状态,其调节范围不能太大,一般采用几百欧姆或1K电位器.安装电路时应使的阻值为0,在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值,否则会因的阻值较大而使复合管烧坏。 用于减小复合管的穿透电流,提高电路的稳定性,一般为几十欧姆至几百欧姆.R8,R(为负反馈电路,可以改功放的性能,一般为几欧姆.称为平衡电阻使,的输出对称,一般为几下欧姆至几百欧姆.称这消振网络.可以改善负载为扬声器时的高频特性,因为扬声器呈感性,易引起高频自激,此容性网络并入可使等效负载呈阻性.此外,感性负载易产生瞬时过压,有可能损坏晶体三极管的取值视扬声器的频率而定,以效果最佳为好.一般为几下欧姆,为几千皮法至。功放在交流信号输入时和工作过程如下:当音频信号为正半周时,运放的输出电压上升,亦上升.结果截止,导通.负载只有正向电流,且随增加而增加.反之.当为负周时,载只有负电流,且随的负向增加而增加.只有当变化一周时负载才可获得一个完整的交流信号。(2)静态工作点设置设电路参数完全对称,静态时功放的输出端O点对地的电位应为0,即,常称O点为交流零点.电阻接地,一方面决定了同相放大器的输入电阻,另一方面也保证了静态时的同相端电位为0,即V+=0.由于运放的反相端经接交流零点,所以V-=0.静态时运放的输出.调节电位器可改变苏州的负反馈深度.电路的静态工作点主要由决定, 过小会使晶体管工作在乙类工作状态,输出信号会出现交越失真, 过大会增加功耗使功放的效率降低.综合考虑,对于数的功放,一般取=以使工作在甲乙类状态. 此处取扬声器的电阻, ,为满足采用如图3.11所示电路.功放的电压增益为 (3-3-3)若取,又因为功放的前置级为音量控制电路,则取以保证苏州的输入阻抗远大于前级的输出阻抗.若取静态电流,因静态时Vc=0,由式可得: （ ） (3-3-4)则，取标称值。依次可求出其他元件参数的取值如图3.11所示.图3.11集成运放与晶体管组成的功率放大器四、扩音器的调测及结果分析画电路图之前，应先仔细查阅读电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用方法和注意事项，画出每个单元电路的电路原理图和连线图，先逐个进行测量和调试.各级成功调试之后,则将各个级之间级联起来进行整机调试.具体操作过程如下：4.1.分级调试4.1.1、前置放大器调试。加入幅值4mV、频率1000Hz的交流正弦波信号（注意4mV信号可以通过一个10k和100组成的衰减网络得到），测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。由式(3-1-1) (3-1-2)可得: ,则前置放大级的放大倍数为:4.1.2、音调控制器调试。（1）中频特性测试。将一频率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器的输出。（2）低音提升和衰减特性测试。将电位器RP1滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从20Hz1kHz连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响应特性曲线。表1低音提升和衰减特性表最左20Hz200Hz500Hz800Hz1kHz0.0480.2240.4100.4920.486最右20Hz200Hz500Hz800Hz1kHz5.240.980.5180.4960.492（3）高音提升和衰减特性测试。将电位器RP2滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从2kHz30kHz连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响应特性曲线。表2高音提升和衰减特性最左2kHz10kHz16kHz24kHz30kHz0.7381.822.182.222.02最右2kHz10kHz16kHz24kHz30kHz0.4120.0920.0520.0360.0244.1.3功率放大器测试（1）最大不失真功率测量。将频率等于1kHz，幅值等于500mV的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端，观察其输出端的波形有无自激振荡和失真，测量输出最大不失真电压幅度。表 3功放级中频测试数据输入电压输出电压电压增益输出功率500mV6.14V12.34.71W对比器件手册给出的数据，外接直流源12V时，功放典型输出功率为5W。可知电路连接正确，器件工作正常。（2）音频功率放大器噪声电压测量。将音频功率放大器的输入电压接地，音量电位器调节到最大值，用示波器观测输出负载RL上的电压波形，并测量其大小。图4.1输出负载电压波形4.2整机测试4.2.1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) 音调控制电位器置中心位置。c) 输入信号为频率1KHZ表4各级测得电压图 前置级音调控制级功率放大级整机 Ui4mVUi2500mVUi3500mVUi4mVUo1500mVUo2500mVUo6.14VUo6.14VAu1125Au21Au312Au15004.2.2整机电路的频率响应在高低音不提升、不衰减时（即将音调控制电位器RP1、RP2处中心位置），保持输入信号幅度不变，并改变输入信号频率。随着频率的改变，测出当输出电压下降到中频（1KHZ）输出电压U0的0.707倍所对应的频率fL和fH。已知测得输出电压,则,此时所对应的,.则。4.2.3整机音调控制性能测试 中频时调节音量控制可变电阻器，使得输出波形不失真。从示波器读取数据。 测试结果和数据处理如表 3 所示。 表 5全电路音调控制测试数 输入信号高音调节状态低音调节状态输出电压电压增益提升/衰 减量4mV100Hz不衰减不提升最大提升1.78V53.7dB+11.1dB最大衰减0.148V31.4dB-11.41KHz不衰减也不提升0.496V42.8dB0dB10kHz最大提升不衰减不提升1.194V50.8dB+8dB最大衰减0.096V32.6dB-8.2dB五、故障及问题分析主要存在三方面的问题比较突出：1.线路故障实验过程中遇到的问题最大问题是电路不出波形，在老师的指点下，我学会了分部检测的方法。先检测前面电路有没有问题，一步步的往后，知道查出问题的所在。在做实验的时候，经常调不出波形，最重要的原因就是接触不良。另外，导线过长也会造成偶然的短路，导致整个电路出现问题。所以在连接电路的时候，有一个好的元件是很重要的，另外就是要把电路做的整齐一点，这样才可以避免出现问题。2参数设置问题器件本身的误差不可避免，为了达到实验要求，需要使设计具有一定的调节灵活度和指标富裕度。第一级电路基本保持100倍增益不变，电压增益误差的调节和消除由中间级电路加以完成，三个可变电阻可以实现增益和频带的调节，以抵消元件