北邮大二模电综合实验扩音机Word文件下载.docx

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1、前置放大器设计

2、音调控制器设计

3、功率输出级设计

4、Protel绘制的全电路原理图

5、实际电路照片

六、电路所实现功能和实际测试数据

七、故障及问题分析

八、实验总结与结论

九、PCB板图

十、参考文献

本实验采用计算机辅助设计的方法，分析并设计了扩音机电路，实现了音频放大、音调和音量调节等功能。

报告中首先给出设计目标和电路功能分析，然后讨论各级电路具体设计和原理图，后给出了实际搭建电路测试的数据及分析，最后总结本次实验并给出了PCB板图。

扩音前置放大音调控制功率放大

1、设计一个对话筒输出信号具有放大能力的扩音电路，设计指标和给定条件为：

1）最大输出功率不小于2W

2）负载阻抗为8Ω

3）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出功率变化±

12dB

4）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80Hz~6KHz，即BW=6KHz

6）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100mA

2、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）

电路元器件

测试仪器

集成运算放大器LF353（2个）

单片集成功率放大电路TDA2030A（1个）

面包板（1个）

电阻电容若干

导线若干

直流稳压电源

函数信号发生器

万用表

示波器

扩音设备的基本功能是将从话筒等输出的微弱信号放大成大功率信号，以驱动扬声器发声，主要用到运算放大器和功率放大器。

电路可以分为3级。

第1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2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3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。

电路的整体框架图表示如图1：

图1.扩音机电路总体结构图

各级主要功能和要求：

前置放大主要完成小信号放大，要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声小；

音调控制主要实现对输入信号高低音的提升和衰减；

功率放大器决定整个电路的输出效率、非线性失真等指标，要求效率高、失真小、功率大。

各级增益的分配：

总增益为

前置放大100倍，音调控制中频放大1倍，功放级电压放大4倍，总放大倍数为400倍。

图2.1前置放大器电路

图2.2放大10倍波形图2.3放大100倍波形

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，主要要求高阻抗，保证低噪声输入、尽可能大的声音信号输入。

输出阻抗低，使得电路具有强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。

LF353N具有双运放结构，具体参数如图3:

图3.LF353N参数

第一级放大100倍,可取Au1=1+R6/R5

10,Au2=1+R9/R8

10；

又由于输入偏执电流为50pA,可取R6=R9=100K

R5=R8=10K

以满足放大要求。

取C4=100pf，很好的抑制了输入信号中带有的高频杂音的放大。

图4.1音调控制器电路.图4.2反相放大100倍

第二级的功能是：

根据需要按一定的规律控制，调节音响放大器的频率响应，以更好的满足人耳的听觉特性。

这一级只对高频和低频的增益进行提升或衰减，而中音信号的增益不变。

这一级的关键是电阻电容网络的选频作用。

输入信号分成两个支路进入放大器的输入端。

音调控制器幅频率特性曲线如图5所示。

图5.音调控制器幅频率特性曲线

A、中频段：

等效电路图如图6所示。

此时有：

.

图6.中频等效电路图

图7.低频提升电路图

图8.低频衰减电路图

B、低频段：

等效电路图如图7、图8所示。

此时Rp1从左端滑到右端，容抗将增大，电路增益也增大。

即：

调节Rp1可改变低音放大倍数，产生提升和衰减的效果。

C、高频段：

与低频时同理，调节Rp2产生高音提升和衰减的效果。

图9.1功率输出级电路图9.2反相放大400倍

功放要求功率尽可能大，失真尽可能小，效率尽可能高。

此处选用TDA2030A型集成功率放大电路，该芯片手册上给出了外部常规接法，如图8所示。

该器件主要特点为：

上升随率高、瞬态互调失真小；

输出功率较大；

外围电路简单，使用方便；

5脚单列直插封装，体积小；

内含保护电路，安全可靠。

TDA2030A相关参数如图10：

图10.TDA2030A相关参数

为了提高电路稳定性，减小输出波形失真，功放级通过R18，R19，C15引入了深度交直流电压串联负反馈，由于接入C15，直流反馈系数F´

≈1。

对于交流信号而言，因为C10足够大，在通频带内可视为短路，所以交流反馈系数,按电路的实际参数。

因而该电路的电压增益。

可见改变电阻R18、R19可以改变电路增益。

电容C10、12、13、C14用作电源滤波。

D1和D2为保护二极管。

R20、C15为输出端校正网络以补偿电感性负载，避免自激和过电压。

图11.全电路原理图

图12.实际电路照片

1.分级测试：

前置级

音调控制级

功率放大级

整机

Vi1

5mV

Vi2

600mV

Vi3

580mV

Vi

Vo1

Vo2

Vo3

2V

Vo

Av1

120

Av2

0.97

Av3

3.4

Av

400

表1.分级测试数据

2.调节电位器RP3，使得扩音机的输出功率最大，但仍在额定输出功率以内，并保证输出波形不产生失真。

测试最大输出功率：

Po=Vo^2/R=4.3^2/8=2.31W

3.利用RP1、RP2调节高音和低音：

输入信号

高音调节

低音调节

输出电压

电压增益

提升/衰减量

100Hz

不衰减

不提升

最大提升

2.12V

52.3dB

+15.2dB

最大衰减

0.24V

33.3dB

-11.1dB

1kHz

不衰减也不提升

0.84V

44.3dB

0dB

10kHz

2.21V

53.6dB

+9.8dB

0.27V

34.3dB

-9.9dB

表2.音调调节数据

4.利用RP3调节音量的大小：

调节Rp3——Rp3增大，Uo增大，失真时Uomax=4V；

Rp3减少，Uo减小，最小Uomin=0V；

输出电压连续可调，最小输出电压可趋近0V，增大音量输出电压可达到最大输出电压值。

由此可知音量也连续可调。

5.频率响应：

调节Rp1、Rp2至大概中间位置，调节输入信号的频率，从0Hz~10kHz。

测得：

-3dB的频率范围是20Hz~10.67KHz

6.噪声电压：

Ui=0（输入短路），噪声输出电压的有效值Vo=2.8mv，静态电源电流

Io=23mA，直流输出电压Vo’=18mv。

1、电路图不正确。

由于书上的电路图不正确，一开始搭电路时完全按照书上的电路图连接，导致电路错误，造成元件损坏。

从网上查找资料后修改电路图，最后成功完成电路的搭建。

2、对面包板认识不够深刻。

由于初次使用面包板，对上面的内部连接结构不熟悉，导致元件连接短路、断路，使电路功能无法正常实现。

通过增强对其的熟悉，解决该问题。

3、管脚太长造成短接。

没有剪短元件时，由于元件管脚长，容易接触造成短路，使电路无法实现功能。

通过剪短管脚，解决该问题。

4、输入信号过大。

初次测试电路时，所加输入信号过大导致元件温度过高，电路损坏，功能无法实现。

后通过调整输入信号峰峰值，使输入信号在合适的范围内，使电路功能实现。

5、测试仪器不好用。

几次测试时输出波形错误，检查电路没有发现错误。

后发现是仪器的问题。

所以测试前线检查仪器情况，保证仪器工作正常很重要。

6、急于求成，没有逐级调试。

搭第一级的时候，由于急于求成的心态，把后面几级都搭好了，测试时问题很多，无从下手。

于是开始逐级调试，一级一级地测试最终才达到了测试要求。

这个实验对我的影响非常深刻。

从能力上来讲，我熟悉了面包板，熟悉了各种元件（包括电阻色环的辨别、放大器的引脚使用等等），学会了搭建和测试电路。

从精神上来讲，我真切地感受到了做一件事情的过程中艰辛的努力和起伏的波澜。

有几次电路搭好测试时总是无法正常实现功能，检查和调试电路都没有用，当时坚持着没有放弃，通过更深入的思考和与同学的交流最终克服困难，那种柳暗花明的感觉非常刻骨铭心。

我深刻地感悟到做一件事、特别是把一件事做到极致时所要付出的努力和心理承担的责任和压力。

在这个实验的影响下，在以后的学习与生活之路上，我会更坚强、坚定地行走下去。

图13.布线图

图14.背面布线图

图15.3D图

[1]《电子电路综合设计实验教程》，北京邮电大学电路中心编著，2012年。