设计目的,内容及要求阐述

1、个人资料整理,仅限个人学习使用,请勿商用设计目的，内容及要求阐述。设计目的：在课堂，会议室等公共场，演讲者或教师往往需要有一个较好扩音效果的扩 音器，并且具有一定的降噪，定时等功能。这些功能不仅能使扩音效果达到更好，也方 便演讲者或教师控制演讲或讲课时间。故本设计为具有定时功能，自动降噪与渐响，便 携式扩音器。设计内容：具有可设定时间的上下课、渐响式打零功能，音响闹铃为渐响式，由一个双音信号与自动循环十级阶梯波发生器组成。具有扩音、自动降噪功能.设计要求阐述双音信号源频率：1hz调制组成；输出幅度：0.5v.自动循环十级阶梯波发生器，级差(步进幅度10nw);btl 功率放大器 av=lo,p

2、omax=13 (w),设定33分钟为上课时间，课间休息五分钟。上下课打零时间为10秒钟；设计系统方案由于考虑到便携式的原因，故本设计选择6v电源给整个装置供电。本设计可以分为设计 具有各个功能的单元电路：可设定定时电路：十级渐响发生电路：双音频产生电路：自 动降噪电路：信号合成电路：btl功放电路：系统方框图如图1：图1设计系统方框图3.单元电路设计3.1 可设定定时单元电路 电路原理图如图2：图2可设定定时单元电路原理图在刚接通电源时，c1两端电压不能突变，ne555的2脚和6脚的电压低于2v, 3脚输 出高电平。随着6v电压通过r2对c1的充电，使2脚和6脚的电压不断上升，当两端 电压上

3、升到4v时，ne555内电路翻转，其3脚输出低电平。同时，c1通过r5和可变 电阻r3和ne555的7脚的内电路放电，使ne555的2脚和6脚电压逐渐下降。当两脚电压下降 到2v时，ne555内电路再次翻转，3脚低电平变为高电平。调节r3的电阻值，可改变c1的放电时间，即可以改变3脚为持续低电平的时间，从 而达到可调节定时的目的。参数计算：本定时器是通过c1电容器的充放电时间来达到给上课和下课时间定时的。设=0.76mq7?“ =2mq/?s4 =0.69mq底= 2mq& = 0.67mqci3 = 1000pfc22 = 1000pft和=- 5/ = fu =6302 乃 r39c* 2

4、(/?36 + /?39 )c241 ic25 + c12 =4.7/f2.2rc h&6 = &9 = % = 5kqc?4 = c25 = ik w=wc+kfun(t)心为cl的充电和放电时间，则：1/1个人资料整理,仅限个人学习使用,请勿商用1/1) = &cj2 v -v) = (&+&)g/2=(&+&)gk六十 vcc _ r-在本设计中,不妨选择cl=1000ufo已知7 =10s， =5min和33min,则计算得r2=9k。.r=0.27m q .r5=0 1.8m。元器件选择：（1）ne555时基集成芯片：1脚为接地端，2脚为内部比较器的输入端（也称触发端）, 3脚为输出

5、端，4脚为置零输入端，5脚为控制电压输入端，6脚为内部比较器输入端（也 称阀值端），7脚为放电端，8脚为外接电源端。（2） r3选用小型线性合成膜电位器。（3）c1选用耐压值为16v的铝电解电容器。3.2时钟信号发生电路原理图如图3：图3时钟信号发生电路该时钟信号发生电路是给十级阶梯信号发生器提供1hz的时钟信号，使十级阶梯发生器 的一个周期为10秒钟，即为打零的要求时间。其工作原理即参数计算同3.1行可设定定 时电路，在此不再重述。参数计算结果为cl=1000uf, r10=0.9kq.rll=0.9kqo器件选择：（1）ne555时基集成芯片：1脚为接地端，2脚为内部比较器的输入端（也称触

6、发端）,3脚为输出端，4脚为置零输入端，5脚为控制电压输入端，6脚为内部比较器输入端（也1/1称阀值端），7脚为放电端，8脚为外接电源端。（2） c1选用耐压值为16v的铝电解电容器。3.3双音频发生电路电路原理图如图图双音频发生电路该双音频发生电路由六个非门集成电路cd4069构成。非门a, b组成低频振荡器，非门c, d组成高频振荡器，非门e, f组成控制振荡器。工作时，控制振荡器通过二极管o7，控制高，低音振荡器轮流振荡，振荡信号分别经过二极管a。给到下一个单元 电路。参数计算：对于调频波，根据定义，高频振荡的振幅不变，而瞬时角频率与调制信号成线形关 系。即卬（/）=卬,+的心。） 公式

7、中却为比例常数，单位为弧度/秒伏。在本设计扩音器中，*=630hz, 3（/）为1hz, 幅度为6v的方波信号。如果选择的=5,则双音信号为。=600和力/ =630的方波信 号。个人资料整理.仅限个人学习(史用请勿商用由非门组成的振荡器的振荡频率/=!,且振荡器控制端的电阻（在本单元电路中为电阻&4，冗50，43）应该大于振荡电阻r的二倍以上。根据以上理论，可以计算出该双音频发生电路的元器件参数值分别为：/?35=076mo,r“=2mq ,&4=069河。，rs3=2mq , &）=2mc， 7?5i=o.67mq ,c,o = 0.68/f , c13 = 1000pf , c” = 1

8、000/?f o为了使输出的信号幅值为0.5v ,故在输出端加一个分压电路，且 凡2 = 110皿，凡）=10皿。器件选择：非门芯片选择cd4069,其器件参数和引脚功能如表表cd4069部分参数和引脚功能propagation delay time50ns (5v)transition time80ns (5v)average input capacitance6pfpower dissipation capacitance12pfpin 1inputpin 2outputpin 3inputpin 4output “2”pin 5input 3”pin 6output”pin 7vsspi

9、n 8output 4”pin 9inputpin 10output 5”pin 11input 5”pin 12output 6”pin 13input 6”pin 14vdd3.4 十级阶梯发生电路 电路原理图如图图十级阶梯波发生器原理图该单元电路的核心是一个译码器，通过时钟信号的控制，使09十个引脚分别输出高电 平。再经过hcf4066的开关作用，分别打开不同的通路，使十个分乐能依次的从输出端 给出。由于时钟信号为1hz,则该十级阶梯波发生器的周期为10s,恰好为一个打铃的时 间。参数的计算：由于要求步进为10mv,且电源电压为6v,故分压得十一个电阻分别为9=5.9ko,其余为10。器

10、件选择：译码器选择cd4017。其工作参数及引脚功能如表()表cd4017工作参数及引脚功能表supply voltage/v-0.5-18dc input current/ma10operating temperature-40-+85total power dissipation200mwpin 1decode output、5pin 2decode output 1pin 3decode output、opin 4decode output2pin 5decode output、6pin 6decode output)”pin 7decode output3pin 8vsspin 9de

11、code output、8、pin 10decode output 4pin 11decode output”pin 12crarryoutput1/1个人资料整理.仅限个人学习（史用请勿商用pin 13clock inhibitpin 14clockpin 15resetpin 16vdd3.5 乘法器开关电路 电路原理图如下:图乘法器开关电路该乘法器用于控制扩音器的打零功能。10脚接可设定定时器的输出端（电压为 u1=x1-x2）, 3脚接双音频十级渐响电路输出端（电压为u2=y1-y2）。则根据乘法器原 理，其输出电压uoil = kup2,其中k为乘法器的电压放大倍数。可知，10脚输入

12、为高电平（iv）或低电平（0v）,则乘法器输出电压为ku）或0,从而起到了开关的作用。 一参数计算：在该功能电路中，我们不希望有任何的电压放大，故可在z1端加入负反馈来改变整个电 路的放大因数。通过利用&7 = 10kq, &o=9ok。的分压作用，可以使放大倍数k=l,即心“=u2。器件选择：乘法器选择mpy634。mpy634是具有宽频带、高精度、四象限模拟乘法器，带宽10mhz, 在四象限范闱内精度可达0.5%： mpy634内部备有精密的基准电压，可精确设定放大因 数，同时，差动输入信号z容许通过外部电阻反馈，对放大因数进行调整。其中各管脚 作用如下：1和10脚，3和4脚，6和7脚分别

13、为输入电压，满幅输入电压值与sf相 同，最大可为可.25sf。2脚即sf为放大因数,内部经激光校准到10v,利用外部电阻可 1/1在3v到10v之间调整，8脚为乘法器输出端。5脚和9角为外接电压端。3.6 自动降噪电路 电路原理图如从原理图可以看出，r36, c24和r39, c25组合形成共模滤波器，用以减小两个输入端 的共模噪声。共模电阻和电容应尽可能匹配，电阻误差应小于等于1%,而电容的误差则 最大不超过5%。电容c12构成了一个差模滤波器，用以衰减相对于两输入端电位差的信 号。c12还用来补偿r36, c24和r39, c25的不匹配性，由于r/c不匹配会降低放大 器的cmrr,因此补

14、偿是非常重要的。u11a是整个设计的前级放大器。c15和c16可 以滤除输入信号的直流部分。参数计算：已知 r1=r2, c1=c2kc3c1 和 c20对于共模滤波,f-3dbf-3db2万r39c25对于差模滤波：f_3db2乃(&6 + &9)024 c?5 +c|2通过有关仿真和计算，得到该单元电路的有关参数如下：&6=&9=%7=54。，c24 = c25 = 1/f , ci2 = 4.7/f o信号合成单元电路原理如下:图信号合成电路原理图本扩音器利用同相求和运算电路实现信号的合成，其中输入信号为声音信号和铃声 信号（乘法器开关电路输出）。参数计算：在5脚处（设为p点）的电流方程

15、为:，41 =，31 +，37up _uup、uupr41r31r37，+，+_l）up=%+”r“ r3t r、 p / &7 所以同相输入端电位为：up=rp（/+言 k337式中为使4=5+/，可计算得：&产&=&7=&i=15kq, 48=5kq,器件选择：该功能电路选择集成运算放大芯片ne5532,因其具有较强的稳定性。引脚功1/1个人资料整理.仅限个人学习(史用请勿商用能如下：1, 2脚和5, 6脚分别为运算放大器输入端。3脚和7脚分别为两个运算放大器 的输出端。4脚外接电源端。8脚为接地端。3.8二倍电压放大电路电路原理图如图：图二倍电压放大电路该二倍电压放大电路由两个非门组成，

16、可将6v电源电压变成12v电源电压。供btl功 率放大电路使用。电路中两个非门组成方波振荡器，其频率约为170khz。当振荡器输出 信号为高电平时，g通过2被充电，充电电压为6v,极性为左负右正，此时r,被反 相偏置。当振荡器输出信号为高电平时，由于g上的电压不能突变，故其右端电压达到 12v,此时&被反相偏置，12v电压通过。6给充电，于是在输出端得到了 12v的直 流电压。参数计算：非门振荡器的振荡频率为/ = r,在本设计中选择/ = 170h7z,故可以得到 2.2 叫 6c6与6=2.7女c,。6 = 10尸。充放电电容。ng均选择100pf。器件选择：非门选择cd4069芯片，二极

17、管选择1n4148该放大电路由两个lm386放大电路组成，且每个放大电路的放大倍数为儿，当输入电 压为时，第一个lm386的净输入电压为% =u/“up2 （设pl为第一个lm386的3 脚,p2为另一个的3脚）,uh 。第二个lm396的净输入电压为4 =pp产5, uc=-auf.：因此，电压放大倍数a.=纬% = 24为了使最大不失真输出电压的峰值接近电源电压匕,，静态时，应设置lm386的同相输 入端和反相输入端电位均为匕/2,输出电位也为匕j2,因此应对两个lm386提供基 准电压匕/2。当u,由零逐渐增大时，u,“从匕./2逐渐增大，u02从匕.j2逐渐减小； 当u,增大的峰值时，

18、达到最大值，u,2达到最小值，负载上的电压可接近+匕一同 理，当u,减小到的负峰值时，u”达到最小值，达到最大值，负载上的电压可接近 -匕因此，最大不失真输出电压的峰值可接近电源电压匕则rl 2rl可调电阻r?6可用于调v.扬声器音量的大小。go, &3串连构成校正网络用来进行相位补偿。gi，gi为旁路电容。主要参数计算：（1）根据lm386的内部电路原理，可以知道其电压放大倍数为公式中层,凡，（为lm386内部电阻且叫=150。，凡=135长。，r1=15kq r为 1脚和5脚之间连接的电阻，用于调节电压放大倍数。因为设计要求btl电压放大倍数 为10,则需要每个lm386的电压放大倍数为5

19、。故可以计算得到r=5kq。应当指出， 在引脚1和引脚8外接电阻时，应只改变交流通路，所以必须在外界电阻回路中串联一 个大容量的电容。如图o所示。（2）由于本设计中选择了 6v电压源对整个装置供电，且凡可供选择的值为 2c,4。,80,160,32。通过公式（）计算可得到最大的2m为9w,仍不能满足13w的设计要求，故需利用前面的二倍电压放大电路，使该匕, = 12v。最后再通过变压器耦合,可以得到13w的最大功率。器件选择：由于lm386具有自身功率消耗低，电压增益可调整，电源电压范围达，外接元件少和总 谐波失真小等优点，故在本设计中选择两个lm386组成btl功率放大器。lm386的器 件

20、参数和引脚功能如表（）表lm386器件参数和引脚功能电路类型otl引脚1增益设定电源电压范围/v5. 0-18引脚2反相输入静态电源电流/ma4引脚3同相输入输入阻抗/k。50引脚4接地电压增益/db26-46 （1,5 角开路）引脚5增益设定频带宽/khz300 （1, 8脚开路）引脚6旁路电容增益频带宽积/khz引脚7外接电源总谐波失真/%0.2%引脚8输出4 .扩音器完整原理图及工作原理说明4.1 扩音器原理图如图图扩音器原理图4.2 工作原理说明：有时钟信号发生器单元电路产生1hz的时钟信号，供给十级阶梯波发生器使用。十级阶梯波发生器通过时钟的控制依次从十个引脚输出电压信号，且级差为1

21、0mv.双音频发生器产生600hz和660hz的双音信号，且其调制信号为1hz。用第一个乘法器把十级阶梯波和双音频信号合成，输出信号给乘法器开关电路, 可设定定时器的充电时间（即打铃时间）为10s,放电时间（通过教师控制可调电阻来控 制下课时间和上课时间）分别为5min和33min.当定时器处于充电状态时（即打铃时）, 输出为高电平。当定时器处于放电状态时，输出为低电平。输出信号给乘法器开关电路, 乘法器开关电路通过把十级双音频和可设定定时器信号相乘，输出上课和下课铃声信号, 时间为10s。且把该信号送给下一级信号合成器，与声音信号合成 降噪电路通过对声音进行降噪处理后把信号送给信号合成器与铃

22、音信号（十级渐响双音 频信号）合成，让后把信号送给btl功率放大器。btl功率放大器把输入的合成信号电压放大10倍，最大功率为13w。然后通过变压器耦 合与扬声器连接，达到扩音的作用。5扩音器原理图的pcb图 扩音器原理图的pcb图如图、图扩音器pcb图主要参数测试，仿真及误差分析参数测试需用仪器设备名称：直流稳压电源、双踪示波器、低频信号源、数字万用表、 实验电路板可设定定时器参数测试(1)按图接线，用双踪示波器观测vc与v。的波形，测定频率。观测555是否工作稳定。 其理论波形如图所示1/1图周期性地改变r3的值，从而改变输出信号的组成占空比。再次观测vc, vo波形，测 定波形参数。（即

23、测试上课，下课和打铃时间是否满足要求）。其仿真.波形如图图音响闹铃渐响器的测试按图接线，用示波器观测v。的波形，测定其循环周期和步进级差。循环周期理论值为10s, 步进级差理论值为10n】v0最后通过仿真，得到示波器中理论上出现的波形，如图，由于十级阶梯波的起始电压为 5.9v,所以在示波器中看到的波形起始值也均为5.9v。图btl功率放大器测试，仿真及误差分析线性放大器的效率低，这主要是因于输出功率管上的管压降。首先是功率输出管上的直 流压降和输出功率成反比，其次是由于正弦波本身的原因。管压降可由vdd减去输出电 压的rms （均方根值）值得到，管压降乘以电源电流的rms,即可算出管耗.利用

24、下面的公式可以计算放大器的效率:d .s 一行0 %0一,一苞 = 72qis =匕切* /次心s =瞑学元112rrh筑s =27p 吗37z放大器效率=等27按图连接btl功率放大电路，可外接8c电阻作为测试电阻。在输入端输入不同功率的 信号，测试输出端的电压值，即可求出btl电压放大倍数，效率，内部功耗及总谐波失 真等参数。图由于没有做出实物，到实验台去测试，故在本论文中采用计算机仿真给出实际测试时的 理论结果。虽然计算机仿真.无法考虑温度等因素的影响，但在一定程度上是具有参考价 值的。首先，仿真结果表明电压放大倍数为10,如图，最大输出功率为13w。其次，通 过多组仿真结果得计算，得出

25、了输出功率不同条件下计算得到的效率。如表。当输出功 率低时，电路效率也低，随着输出功率的增加，电路的功率也增加。在正常工作范围内, 内部功耗几乎为恒定值。从方程（4）可以看出，电源电压vdd下降，电路效率增加。图btl功率放大单元电路的仿真波形（输入为0.5v方波）表8c负载时btl功放效率与输出功率的关系输出功率（w）效率（%）峰值到峰值的电压内部功耗0.12533.61.410.260.2547.62.000.290.37558.32.450.28由理论分析和表中的数据可以看出，高的峰值电压值引起总谐波失真增大。误差分析：由于是计算机仿真，其忽略了外界干扰条件，故得到的结果为理论值。但是在

26、实际的实 物仿真中，外界等不利因素定会影响btl功率放大电路的工作状态。在此，本论文对有 可能产生的外界干扰进行分析，得出两点主要的影响因素：（1）模拟芯片的准确度随时间及温度的变化发生漂移（2）被测量的波形畸变将给测量带来较大误差；扩音器元器件清单descriptiondesignat footprint orlibrefquantitycapacitorclrad-0.3cap1capacitorc2rad-0.3cap1capacitorc3rad-0.3cap1capacitorc4rad-0.3cap1capacitorc5rad-0.3cap1capacitorc6rad-0.3c

27、apicapacitorc7rad-0.3capicapacitorc8rad-0.3cap1capacitorc9rad-0.3cap1capacitorciorad-0.3cap1capacitorchrad-0.3cap1capacitorc12rad-0.3cap1capacitorc13rad-0.3cap1capacitorc14rad-0.3cap1capacitorc15rad-0.3cap1capacitorc16rad-0.3cap1capacitorc17rad-0.3cap1capacitorc18rad-0.3cap1capacitorc19rad-0.3cap1ca

28、pacitorc20rad-0.3cap1capacitorc21rad-0.3capicapacitorc22rad-0.3capicapacitorc24rad-0.3cap1capacitorc25rad-0.3cap1default diodedidso-c2/x3.diode13default dioded2dso-c2/x3.diode13default dioded3dso-c2/x3.diode13high conductance fast dioded4dio7.l-3.9xl diode1.91n4148default dioded5dso-c2/x3.diode13hig

29、h conductance fast dioded6dio7.l-3.9xl diode1.91n4148high conductance fast dioded7dio7.l-3.9xl diode1.91n4148high conductance fast dioded8dio7.l-3.9xl diode1.91n4148high conductance fast dioded9dio7.i-3.9xl diode1.91n4148high conductance fast diodediodio7.l-3.9xl diode1.91n4148loudspeakerlsipin2spea

30、ker1microphonemk1pin2mic21microphonemk2pin2mic21resistorriaxial-0.4res21resistorr2model nameres2ivariable resistorr3axial-0.6res adj2iresistorr4axial-0.4res2iresistorr5axial-0.4res21resistorr6axial-0.4res21resistorr7axial-0.4res21resistorr8axial-0.4res21resistorr9axial-0.4res21resistorriomodel namer

31、es21五月 9,20073:17:15 pmdescriptiondesignat footprintlibrefquantityorresistorrllaxial-0.4res21resistorr12axial-0.4res21resistorr13axial-0.4res21resistorr14axial-0.4res21resistorr15axial-0.4res21resistorr16axial-0.4res21resistorr17axial-0.4rcs2iresistorr18axial-0.4rcs2iresistorr19axial-0.4res21resisto

32、rr20axial-0.4res21resistorr21axial-0.4res21resistorr22axial-0.4res21resistorr23axial-0.4rcs2resistorr24axial-0.4res2resistorr25axial-0.4res2tapped resistorr26vr3res tapresistorr27axial-0.4res2resistorr28axial-0.4rcs2resistorr29axial-0.4rcs2resistorr30axial-0.4res2resistorr31axial-0.4res2resistorr32a

33、xial-0.4res2resistorr33axial-0.4res2resistorr34axial-0.4rcs2resistorr35axial-0.4res2resistorr36axial-0.4res2resistorr37axial-0.4rcs2resistorr38axial-0.4rcs2resistorr39axial-0.4res2resistorr40axial-0.4res2resistorr41axial-0.4rcs2resistorr42axial-0.4rcs2resistorr43axial-0.4rcs2resistorr45axial-0.4rcs2

34、resistorr46axial-0.4res2resistorr47axial-0.4res2resistorr50axial-0.4res2resistorr51axial-0.4res2resistorr52axial-0.4rcs2resistorr53axial-0.4rcs2resistorr54axial-0.4res2transformert?transtransquad bilateral switch for transmission oruisohhcf4066bmmultiplexing of analog or digital signals1precision ti

35、meru2d008ne555dquad bilateral switch for transmissionu3somhcf4066bmor multiplexing of analog or digital signals1precision timeru4d008ne555dquad bilateral switch for transmissionu5somhcf4066bmor multiplexing of analog or digital signals1inverted circuitsu6m14acd4069ubc 1mdecade counter/divider with 1

36、0 decoded u7n16ecd4017bcn 1outputswide-bandwidth precision analog multiplier u8zz007mpy634am 1dual low-noise operational amplifieru9p008ne5532ap 1low-voltage audio power amplifieru10m08alm386m-1 1quad low-power operational amplifierull751a-o2lm324ad 1low-voltage audio power amplifieru12m08alm386m-1

37、1inverted circuitsu13m14acd4069ubc 1mnsc analoy timer circuit 元器件库总结如图，该图列出了 nscanaloytimercircuit元器件库元件的型号，图形和封装.个人资料整理.仅限个人学习（史用请勿商用图 nsc analoy tinier circuit 元器件库protel dxp部分使用操作由于论文篇幅有限，故在本论文中只介绍在protel dxp中设置新的pcb设计规则和放置1/1个人资料整理,仅限个人学习使用,请勿商用pcb元件的操作步骤。protel dxp的pcb编辑器是一个规则驱动环境。这意味着，当在pcb编辑器

38、中工作并执行那些改变设 计的操作时，如放置导线、移动元件、或自动布线，pcb编辑器将一直监视每一个操作并检查设计是 否仍然满足设计规则。在开始在板子上工作之前设置设计规则允许你依然关注你的设计任务，而确信任何设计错误都会立即 被标记出以引起你的注意。设计规则分为10个类别，并进一步分为设计类型。设计规则覆盖了电气、布线、制造、放置、信 号完整要求。o完成以下步骤来设置这些规则：1、pcb为当前文档时,从菜单选择design rules。2、pcb rules and constraints editor对话框出现。每一类规则都显示在对话框的设计规则而板（左手边）。 双击routing类展开后可

39、以看见有关布线的规则。然后双击width显示宽度规则为有效。pcs rdes afnd constraints editor力区)eecg 应上以兄地医*a丈b * %用由x*： ij poceneoinonp en. typocc(叩,sc(pcatinyknegiyce 11飞 jrrcuisdlla 1芯 stort jrort 1卜： desce1jym* 1eu omircrrcljr. 1彳riwiilrqjtntf/wj 11lt18bohnflrwqgl夕, soderme 1叵二 4ammtxneu_ 1r1 i 卜1 ppcuirg会3 3g7外 cr& 0fwerplmc

40、clmcanq?pkneqcawce，zowiraoc八 coweismeptanemstfe rrirfcwtln routed metelcctrc-j2(noanrhuot)5hoi4guiielecucd & - m sboffgcoul hwmwhole sbemau/eidurxnmil - 1 nl 130tpg2conpcnew cleat jnceptecenencm xciwiyre- loni chttecrrisme握urxfefcwlcm storpcrii usogooitporlztac4pow rxjjiroi hcrixrtdpda*h defnlienpkitenehtinccntnmqa r6$kn (8r| (1730td.fguiiqwiwroxngmtcpdw -stotcxt$4drm5l. ewpykuw mwkme即，eni board layers .2、点击元件放置工具中的align tops of selected components按钮。那么四个电阻就 会沿着它们的上边对齐。3、现在点击元件放置工具中的 make h