太原理工大学电路CAD课程设计13级某同学.docx

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太原理工大学电路CAD课程设计13级某同学

电路CAD课程设计报告

设计题目：

耳聋助听器

专业班级：

测控1301

学号：

201300****

学生姓名：

****

同组学生：

**********

20**年*月**日

《耳聋助听器》任务书

1、设计目的：

（1）掌握多级阻容耦合放大器的设计方法；

（2）熟悉微型驻极体话筒应用。

2、设计要求：

（1）设计电子助听电路；

（2）要求绘出原理图，Multisim仿真；

（3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；

（5）拟定设计步骤；

（6）撰写设计报告。

耳聋助听器

摘要

系统主要分为3各部分设计实现，话筒放大部分，滤波部分，功率放大部分。

话筒放大部分应为小信号前置放大器电路，设计要求为高输入阻抗，高共模抑制比，低漂移，使用uA741即可实现。

滤波部分设计成二阶有源带通滤波器，应用电位器以实现频率可调，滤波部分同样考虑使用uA741。

功率放大部分主要功能是实现功率放大，实现助听的作用，考虑成本问题，使用LM386。

整个电路要求用12V电池供电，加工成PCB电路，同时选用合适机壳，以实现实用性的要求。

声音信号清晰，能够实现助听器的作用和频率可调的要求。

Abstract

The design consists of 3 part , which is,the microphone amplification section, the filtering section,and the power amplifier section. The microphone amplification section should be a small-signal preamplifier circuit.Design requirements for high input impedance, high common mode rejection ratio, and low drift, which needs uA741 to achieve. The filtering section designs as a second-order active band pass filter, with potentiometer frequency adjustable, the filtering section also uses uA741. The power amplifier part is to achieve power amplification, hearing aid, considering of cost, using the LM386. The entire circuit with a 12V battery-powered, processes into a PCB , the appropriate choice of chassis, in order to achieve the practical requirements.

目录

一、设计任务和要求1

二、方案选择与论证1

1.助听器的分类1

2.耳聋助听器的性能及指标2

3.总体设计方案3

三、单元电路设计与计算说明5

1.功率放大电路5

2.电路原理图及仿真结果6

3.其他单元电路说明7

4.其他单元电路原理图及仿真结果7

5.本章小结10

四、元器件选择和电路参数计算的说明11

1．总原理图11

2．说明11

3．元器件清单12

五、电路原理图13

六、电路板图14

七、结论与心得15

参考文献16

一、设计任务和要求

1.设计任务

（1）能够帮助听力残疾者改善或者提高听觉能力，并且帮助使用者与他人正常会话交流的设备。

（2）针对不同耳聋人不同频率敏感的差异，设计频率可调式耳聋助听器。

2.设计要求

（1）设计电子助听电路；

（2）要求绘出原理图，Multisim仿真；

（3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；

（5）拟定设计步骤；

（6）撰写设计报告

二、方案选择与论证

1.助听器的分类

（1）数字助听器

数字助听器的优点是具有宽动态压缩，噪声消除以及反馈消除等功能，但是价格昂贵，不能满足普通人群的需求。

数字助听器的设计框图如图2.1所示。

图2.1数字助听器设计框图

（2）模拟助听器

模拟助听器是采用模拟电路设计的，其优点是设计简单，成本低廉，可实现频率可调功能，能够满足一般人群的基本需求，故选用此方案。

模拟助听器的设计框图如图2.2所示。

图2.2模拟助听器设计框图

2.耳聋助听器的性能及指标

　　一个合格的耳聋助听器至少应考虑下述六项性能指标：

　　1、频率范围。

低档耳聋助听器的频率范围至少在300～3000Hz，普通耳聋助听器高频应达到4000Hz，高级耳聋助听器的频率范围可在80～8000Hz之间。

　　2、最大声输出或饱和声压级（SSPL）。

实际上代表了耳聋助听器的最大功率输出。

使用耳聋助听器时的最大声输出应低于患耳的不舒适阈，尤其对重振阳性的患耳，必须控制最大声输出以保护患耳。

　　3、最大声增益。

主要表示耳聋助听器的放大能力，各国生产的耳聋助听器增益多在30～80dB之间。

一般说，耳聋程度轻的要选择增益小的，程度重的应分别选用增益中等的或大的耳聋助听器。

在具体使用中耳聋助听器上都备有使声增益在一定范围内变动的音量调节开关。

选配适合的耳聋助听器可依一些公式预先计算，最简易的方法是按照纯音听力图，对500、1000、2000Hz三个音频的增益补偿调节，以其阈值的一半或稍多为宜，多能获得满意效果。

　　4、频率响应和音调调节。

为满足聋人听力要求，耳聋助听器应提供各种不同的频率响应，频率不同反应在听觉上就是音调不同。

为了使耳聋助听器的频响比较符合聋人的听力损失特点，音调调节钮上设置一些不同音调，通常L代表低音，N为正常，H为高音。

　　5、信号噪声比（S/N）。

耳聋助听器耳机放大后的输出往往是语言信号和恼人的噪声同时存在，信号噪声比值越大，语言信息输出的质量也越好。

优质耳聋助听器的信噪比可达40dB左右，至少应保证30dB以上。

6、谐波失真。

为了能高地传输放大后的声信号，耳聋助听器的失真度应越小越好,按规定失真应小于10％,而小于5％的基本上可以保持语言的逼真性。

3.总体设计方案

所有耳聋助听器不外由传声器（话筒）、放大器和受话器（耳机）三个主要部分组成。

传声器为声电换能器，将外界声信号转变为电信号，输入放大器后使声压放大到1万乃至几万倍,再经受话器输出这个放大后的声信号。

耳聋助听器还应包括电池能源以推动机器工作。

由于不同性质、不同程度的听觉损伤机能差异也不同，因此装置音量调节、音调调节、最大声输出调节、电话拾音等设备,以及O-M-T（关断－话筒－电话）三档开关都是不可缺少的。

耳聋患者绝大多数是感音神经聋，其中相当多的人具有重振阳性现象。

他们对小声听取感到困难，但稍响的声音又难以忍受，响度感觉的动态范围明显缩小。

由于电子学上采用AGC或PC线路实现压缩和限幅功能，以使这类聋人较满意地应用耳聋助听器克服听觉障碍。

1、工作原理：

耳聋助听器原理图如图1所示，该电路实质是由晶体三极管VT1～VT3构成的一个多级音频放大器。

在该电路图中，VT1跟外围的阻容元件一起构成了典型的阻容耦合放大电路，发挥着前置音频电压放大的作用;VT2、VT3则一起组成了两级直接耦合式功率放大电路，其中VT3接成发射极输出形式，输出阻抗较低，方便其与8Ω的低阻耳塞式耳机相互匹配。

驻极体话筒B接收到声波信号后，输出相应的微弱电信号。

该信号经电容器C1耦合到VT1的基极进行放大，放大后的信号由其集电极输出，再经C2耦合到VT2进行第二级放大，最后信号由VT3发射极输出，并通过插孔XS送至耳塞机放音。

　　电路中，C4为旁路电容器，其主要作用是旁路掉输出信号中形成噪音的各种谐波成份，以改善耳塞机的音质。

C3为滤波电容器，主要用来减小电池G的交流内阻（实际上为整机音频电流提供良好通路），可有效防止电池快报废时电路产生的自激振荡，并使耳塞机发出的声音更加清晰响亮。

三、单元电路设计与计算说明

1.功率放大电路

功率放大电路的作用是将前级滤波器电路输出的微弱电信号进行放大，再利用扬声器实现电信号到声音信号的转换。

对于功率放大电路，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。

功率放大电路的形式很多，本设计采用电路设计简单、工作稳定的集成功率放大器LM386，美国国家半导体公司推出的这种芯片是一种价格低廉的音频集成功率放大器，具有一系列有点，例如低功耗、可调内链增益、可适应电源电压从4V到12V等特点，是一种性价比较高的集成芯片，目前在音频功率放大电路具有广泛的应用。

使用时如果1、8脚之间空置，则此时电压增益为固定值20；如果接入一个电位器和电容（10uF），那么增益范围可变，最大可达到200

具体说明：

这是一个普通的功率放大电路，所用的集成功率放大器是美国半导体公司推出的LM386集成功率放大器，围绕着这个芯片在周围接了三个极性电容和一个普通电容，一个普通电阻以及一个电位器，最后在电路末端接一个扬声器，以实现电路的最终放大作用。

在本次电路设计中，使用了LM386集成放大器，LM386是一个专为低压应用设计的功率放大器，低电压供电；增益由内部默认设置为20，以保证较少的外部元件数。

但是，通过调节1脚和8脚间的电阻和电容可以使增益在20－200间调节。

输入以地作为参考电压，输出自动偏置到供电电压的一半。

6V供电时静态功耗只有24mW，因此LM386对于电池供电的应用场合是非常理想的。

2.电路原理图及仿真结果

原理图：

仿真结果：

3.其他单元电路说明

（1）话筒放大电路

通常情况下，话筒输出的信号为5mV左右，根据设计要求，当整个放大电路的输入信号为5mV，输出功率为1W时，输出电压为3V，则系统的总电压放大倍数Au=600。

（此处为估算，但误差不会太大）考虑到电路损耗的情况，取Au>600。

因此，系统各级电压放大倍数较为恰当的分配为：

话筒放大电路5~10，滤波电路2~3，功率放大电路30~40

μA741作为一种高增益运算放大器，价格低廉，广泛应用于军事，工业和商业等领域。

同时作为一种集成电路，它具有输出短路保护和闭锁自由运作的作用。

我们可以假设分压电阻取10K，反馈电阻取68K,是为例，进行相应的理论计算，根据电路理论，其放大倍数为Au=1+R8/R9则理论计算得出的放大倍数Au=7.8

（2）语音滤波电路

我们知道

f=1/（2πRC）

由这个公式，对于高通滤波器，当我们取R=10kΩ，C=0.1μF时，fH≈200Hz。

对于低通滤波器，R=15kΩ,C=0.01μF时，fL≈1100Hz。

这时，我们设计产生了一个频率范围大约在200Hz~1100Hz的带通滤波器。

当我们将滤波器的电阻改为可调电位器时，对于高通滤波器，再取R=750Ω,C=0.1μF,则此时fH≈2200Hz。

对与低通滤波器，取R=5KΩ,C=0.01μF，则此时，fL≈3200Hz。

这时，我们设计产生了一个频率范围大约在200Hz~3200Hz的带通滤波器。

综上，我们将高通滤波器部分电阻用一个750Ω与一个10kΩ相串联，低通滤波器部分电阻用一个5kΩ与一个10kΩ相串联，即可得到设计要求的电路。

4.其他单元电路原理图及仿真结果

（1）话筒放大电路

仿真结果：

（2）语音滤波电路

仿真结果：

5.本章小结

这一章内容是本次课程设计的核心内容，主要包括各个单元电路的设计以及各个单元电路的仿真结果，并且在各个单元电路设计完成之后要能够保证单元电路本身的功能能够得以实现并且还要能够实现单元电路连接到一起之后能够完美的得到想象到的结果。

本次设计主要涉及到了三个单元电路：

话筒放大电路，语音滤波电路以及功率放大电路，各个电路都需要仔细认真的去设计与布置，要保证电路中的元器件的正确性，画原理图时更要认真细心。

在各个单元电路完成之后，进行电路仿真，在仿真过程中曾经出现过一定的失真现象，导致整个输出结果并没有达到理想的结果，但是，在小组成员的相互讨论之下，最终找到了解决办法，也达到了预期的结果。

总之，在单元电路中的设计过程中，深刻体会到了做事情认真仔细的重要性，在这次设计中的收获还是很大的，本次设计过程主要参考了以前所学习的模电知识，最后在单元电路完成之际，感觉到还是有很大收获的。

四、元器件选择和电路参数计算的说明

1．总原理图

2．说明

电路整体分为三个模块，从左到右依次为话筒放大电路、语音滤波电路及功率放大电路。

首先话筒放大电路，在通常情况下，话筒输出的信号为5mV左右，根据设计要求，当整个放大电路的输入信号为5mV，输出功率为1W时，输出电压为3V，则系统的总电压放大倍数Au=600。

（此处为估算，但误差不会太大）考虑到电路损耗的情况，取Au>600。

因此，系统各级电压放大倍数较为恰当的分配为：

话筒放大电路5~10，滤波电路2~3，功率放大电路30~40，这部分主要输入的是语音信号，在经过话筒放大电路之后，输出一个经过放大的语音信号，为接下来的语音滤波做准备。

接下来是语音滤波电路，这时，我们设计产生了一个频率范围大约在200Hz~1100Hz的带通滤波器。

当我们将滤波器的电阻改为可调电位器时，对于高通滤波器，再取R=750Ω,C=0.1μF,则此时fH≈2200Hz。

对与低通滤波器，取R=5KΩ,C=0.01μF，则此时，fL≈3200Hz。

这时，我们设计产生了一个频率范围大约在200Hz~3200Hz的带通滤波器。

语音滤波电路主要是接收一级的话筒放大电路后所输出的波形，然后通过语音滤波，经过设定好的频率范围滤波之后，输出理想的波形。

最后是功率放大电路，功率放大电路的作用是将前级滤波器电路输出的微弱电信号进行放大，再利用扬声器实现电信号到声音信号的转换。

对于功率放大电路，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线性失真尽可能小。

这部分起到对最后工作的收尾作用，经过语音滤波之后的信号可能会相对来说比较微弱，这是通过功率放大电路，对信号进行放大，从而达到最终能够直接输出到扬声器的理想声音信号。

整个电路的工作过程就是当助听器接收到外界的语音信号后，经过麦克风，将语音信号转换为电信号，然后经过滤波、放大，最终能够得到耳聋患者能够听到的理想声音信号，最后通过扬声器传输到耳聋患者的耳朵里。

3．元器件清单

五、电路原理图

六、电路板图

设计思想:

七、结论与心得

这次课程设计是大学学习中的最后一个课程设计，所以做的还是很认真的，在设计过程中也全身心的投入到其中，同时，也得到了预期的结果。

本次课程设计中也遇到了一些麻烦，比如在绘制电路图中，有些元器件元件库并没有存在，还需要自己去查阅资料，自己手工制作所需元器件。

还有在电路仿真过程中，刚开始把各个单元电路连接起来之后曾经出现过很多的失真情况，为此，我们小组成员也曾经向班级里的大神们请教过，但是也并没有得到妥善的解决，最后实在没办法时候，我们用了最笨的办法，将电路一部分一部分拆分来进行波形仿真，然后在将各个仿真电路中的电容电阻一个个的去掉、替换，在最终的努力之下，终于得到了预期的结果，找到了失真原因，发现失真是因为一个电容出现了问题，并最终解决了问题。

在这次耳聋助听器的设计中，我们学习到了很多的东西，并且还在这门课程所学习的软件上面也提升了一定的熟练程度，感觉这个收获还是很大的。

虽然，最终设计出来的耳聋助听器和市场上所销售的助听器差距还是很大的，但是，在整个设计过程中我们通过翻阅文献，查找资料，对耳聋助听器方面的知识还是掌握了不少，这也算是在制作课程设计之中所习得的一些书本之外的知识吧。

在最后，感觉做事情还是要认真仔细，比如在画电路图中，设定的元件值与元件封装一定要认真仔细的输入，如果稍有马虎，就会带来很多不必要的麻烦，这也可以说是这次课程设计的收获之一吧。

参考文献

[1]中国计量出版社组编.新编电子电路大全（第1卷,共6卷）——家用与民用电路.北京:

中国计量出版社,2001.

[2]夏路易.电路原理图与电路板设计教程.兵器工业出版社.2002

[3]《简单介绍耳聋助听器原理图及其工作原理》——中国聋人网

[4]protel99se实用教程张伟主编2008-5人民邮电出版社

[5]模拟电子技术基础（第四版）周良权主编高等教育出版社2009.8