模拟电子技术课程设计扩音机.docx

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模拟电子技术课程设计扩音机

模拟电子技术课程设计--扩音机

《课程名称》课程设计报告

学院：

信息科学与技术学院

专业：

电子信息工程

班级：

2

姓名：

王凯/憨超

学号：

2010508114/2010508141

2012年1月3日

1.课程设计目的

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.课程设计任务和要求

2.1课程设计任务

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课程设计要求

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.课程设计报告内容

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。

原理图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／us，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。

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4音调控制曲线

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。

图5负反馈式音调控制电路图

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）∕C7R（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400Ｈｚ（因为从１２ｄＢ到０ｄＢ对应两倍频程，所以，对应频率是该频率２*２*１００Ｈｚ＝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f（L1）＝f（L2）／１０＝４０Ｈｚ．电阻Ｒ８、Ｒ10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=1／2πfL1R（p1）≈0.0085μF，取C7=0.01μF.

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）。

图5b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＝Ｒc＝３R8.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。

（a）

（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＝１（中频增益）

当ｆ»f（H２）时，电容C5近似短路，此时的电压增益为：

A（Ｈ）=Rb（Ra+R11）∕Ra·R11

当f（H1）≤f≤f（H２）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（Ｈ）＝２.５ｋＨｚ。

又因为w（H1）∕w（H2）＝（Ra+R11）∕R11＝A（Ｈ），高频最大提升量A（Ｈ）一般也取１０倍，所以f（H２）＝A（Ｈ）。

f（H1）＝２５ｋＨｚ.由（Ra+R11）∕R11＝A（Ｈ），得R11＝Ra∕（Ａ（Ｈ）－１）＝１７ｋ欧，取R11＝１８ｋ欧。

由w（H2）=1∕R11C5，得Ｃ５＝１∕（２лｆ２R11）＝３５４ｐＦ。

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ＮPN管，仍组成ＮPN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ＰＮＰ管。

TDA2030管脚图图7TDA2030组成的OCL功率放大器电路

确定电源电压Ｖｃｃ

功率放大器的设计要求是最大输出功率Po，max=Ｕｏｍ×Ｕｏｍ∕２Ｒｌ，可得Po，max=Ｕｏｍ。

考虑输出功率管VT2、VT4的饱和压降和发射极电阻R21与Ｒ２２的降压作用，电源电压常取：

Ｖｃｃ＝（１.２～１.５）Ｕｏｍ。

将已知参数代入上式，电源电压可选为±１２Ｖ。

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（ＣＥ，ｍａｘ）＝２Ｖｃｃ，每只晶体管的最大集电极电流为Ｉｃ，ｍａｘ＝Ｖｃｃ/Ｒｌ≈１.６Ａ；每只晶体管的最大集电极功耗为：

Ｐｃ，ｍａｘ＝０.２Po，maxＷ。

所以，在选择功率三极管时，除应使两只管的β值尽量对称外，其极限参数还应满足下列关系：

Ｖ（BR）ＣＥＯ>２Ｖｃｃ，Icm>Ｉｃ，ｍａｘ，Pcm>Ｐｃ，ｍａｘ。

根据上述关系，选择功率三极管为3DD01.

复合管的选择

ＶＴ１与ＶＴ３分别和VT4组成复合管，它们承受的最大电压为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：

Ｐｃ，ｍａｘ≈（１.１～１.５）　Ｐｃ，ｍａｘ∕β２，而实际选择ＶＴ３参数时要大于该最大值。

另外，为了复合输出互补类型的三极管，一定要使ＶＴ１与ＶＴ３互补，且要求尽可能对称。

VT1可选用9013，ＶＴ３选用９０１５.

电阻Ｒ１７～Ｒ２２的估算

　Ｒ18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ＶＴ18和VT2管的输入端等效电阻，其大小可用公式ri2=rbe+（1+β２）R21来计算，大功率管的rbe约为10欧，β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ＶＴ１与ＶＴ３管的类型不同，接法也不一样，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（ＶＴ１与ＶＴ３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ＩＮ４１４８.

反馈电阻R13与R14去确定

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＋（　R（p3）＋R（p4））/R（p4）＝２０，若取Ｒ４＝１ｋ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=100μF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=0.1μF；一般取Ｃ９＝４.７μF.

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ＬＦ３５３的输出电位，正常时应在０Ｖ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４００ｍＶ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Ｃ８输入端对地短路，然后接通直流电源，用万用表测试Ｕｏ，调节电位器Ｒ（ｐ３）使输出地电位近似为零。

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，调节电位器Ｒ（ｐ３）使输入端波形交叉失真最小；调节电位器Ｒ（ｐ４）使输入电压的峰值不小于１１Ｖ，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Ｒ（ｐ４），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

R11R12R13R15

R16R17R25R26R32

电阻

10kΩ

9个

25˚C

R15

电阻

40kΩ

1个

25˚C

R18

电阻

50kΩ

1个

25˚C

R21R22

电阻

47kΩ

2个

25˚C

R23

电阻

17kΩ

1个

25˚C

R24

电阻

13kΩ

1个

25˚C

R31

电阻

20kΩ

1个

25˚C

R33

电阻

30kΩ

1个

25˚C

R34

电阻

1Ω

1个

25˚C

RL

扬声器

14W8Ω

1个

25˚C

话筒

1个

25˚C

Rp1Rp2

电位器

470kΩ

2个

调节放大倍数

Rp3

电位器

10kΩ

1个

调节音量

C11C12C13C31

电容

10uF

4个

25˚C

C20

电容

100nF

1个

25˚C

C21C22

电容

0.1uF

2个

25˚C

C23

电容

500pF

1个

25˚C

C32

电容

100uF

1个

25˚C

C33

电容

100nF

1个

25˚C

C34

电容

0.1uF

1个

25˚C

U1U2U3

集成运算放大器

LM324

3个

25˚C

U4

功率放大器

TDA2030

1个

5.设计总结

这次课程设计是我对模拟电子技术这门学科有了进一步的认识，将所学的知识应用在具体时间中，而不只是单纯的学习其理论知识，还应该做到理论与实际相结合!

在设计电路原理图时，我感觉到自己的知识确实不够用，真正体会到了“书到用时方恨晚”的道理，于是就从图书馆借了一些参考资料，进行研究，参照书上的电路图慢慢摸索，在大概领会其要领后设计了一份电路图。

同时也和做同样设计的同学交流了一下。

在交流中，我有了新的感悟。

设计完后我有仔细看了几遍电路图，发现还有很多方面自己还没有考虑到，例如各个元器件值如何选取。

在进行仿真调试时，我熟悉了软件的操作（特别是EWB的熟练操作），了解了一些设计方法和步骤，更加深刻理解了一些基本概念。

在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，同时仿真软件也方便了验证自己的设想。

能够完满的完成，也是对我的耐心的一次磨练；由于自己的知识不足，以后应该增强对知识的学习。

6.参考书目

[1]任致程《经典智能电路300例》北京机械工业出版社2003

[2]周大平、宋德武《电子制作技术》北京人民邮电出版社2002

[3]陈永真《通用集成电路应用》北京中国电力出版社2007