高保真全集成电路扩音器.docx
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高保真全集成电路扩音器
东北石油大学
课程设计
课程电子技术课程设计
题目高保真集成电路扩音器
院系电气信息工程学院
专业班级自动化
学生姓名
学生学号120601140
指导教师刘小斌刘超
2014年7月6日
东北石油大学课程设计任务书
课程电子技术课程设计
题目高保真集成电路扩音器
专业自动化姓名学号1206011404
主要内容：
选择运算放大器及功率集成电路来设计全集成电路扩音器，基本共射电路的工作原理。
掌握有源滤波电路的调试及技术指标的测试方法。
基本要求：
1.分析设计要求，明确性能指标。
必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。
参考资料：
[1]田振清.电声系统与电声教学.内蒙古：
内蒙古教育出版社，2001.
[2]曹揆申.教育电声系统.北京：
高等教育出版社，1996.
[3]伍建阳.艺术录音基础.北京：
中国广播电视出版社，1999.
[4]俞承芳.音响技术.上海：
复旦大学业出版社，1994.
[5]付家才.应用电子工程实践技术.北京：
化学工业出版社，2005.
完成期限2014.6.30至2014.7.6
指导教师刘小斌刘超
专业负责人
2014年6月30日
1全集成电路高保真扩音机设计方案论证
1.1全集成电路高保真扩音机的应用意义
随着科学技术的不断发展,各种专用集成电路大量涌现。
在电子技术领域里，集成电路大有取代分立元件的趋势。
在各种音响设备中，全集成电路高保真扩音机由于工作可靠，外围电路结构简单，容易调试，内部设有各种保护设施，不易损坏的特点，不断地被从事电子技术工程人员和无线电爱好者认可和接受。
另外，由于体积小，价格便宜，在学校、公司、技术企业，以及工厂，它都发挥了其他任何东西不可替代的作用。
1.2全集成电路高保真扩音机设计的要求、技术指标及性能指标
1.2.1设计要求：
1.分析设计要求，明确性能指标。
必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思总体方案，绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对所设计的方案进行分析，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。
1.2.2技术指标：
采用全部或部分分立元件设计一种全集成电路高保真扩音机。
额定输出功率
。
负载阻抗
。
频率响应20—20KHz
1.2.3性能指标：
1.输出功率
输出功率是扩音机最根本的指标。
输出功率又有额定输出功率、最大不失真输出功率、使用功率和音乐功率之分。
（1）额定输出功率（RMS）是指扩音机能连续正常输出的功率，一般扩音机上标注的功率为额定输出功率。
使用扩音机时，一般不允许输出功率超过额定功率。
（2）最大不失真输出功率（PM）是指在不过载或谐波失真不超出某规定数值的情况下，扩音机能输出的最大功率，它是衡量扩音机最大输出能力的指标。
并不是正常使用的功率。
扩音机工作时，由于语言和音乐节目是一些振幅变化很大的非正弦信号，瞬间超过额定功率是常常发生的。
扩音机如果没有一定的功率容量，就容易发生过载。
扩音机的最大输出功率一般应达额定功率的1.2～2倍。
实际测量时，往往输入100赫兹的正弦波，在输入端用示波器测出最大不失真的正弦信号电压，在进行功率的换算，即PM=（输出电压）2/负载阻抗。
（3）使用功率是指扩音机和扬声器都在低失真状态下工作的平均使用功率。
以欣赏音乐为主的扩音机，使用功率时常只使用到最大输出功率的十分之一左右。
比如，在一般家庭中，欣赏音乐只需3W左右就足够，但时常选用最大输出功率为几十瓦甚至上百瓦的高保真扩音机，原因就在于此。
（4）音乐功率是指扩音机的瞬间最大输出能力,分为音乐功率（MPO）和音乐峰值功率（PMPO），这时放大器已经达到饱和。
一般音乐功率是额定功率的4倍左右，而另一指标音乐峰值功率则为额定功率的8～10倍。
2．频率特性
频率特性又叫频率响应。
它表示扩音机的增益与信号频率的关系，是扩音机的一项重要指标。
频率特性是用扩音机的高、低频的实际增益与中频增益相比较用分贝数来表示其均匀程度。
由于实际声音的频率有高有低（低的只有几十赫兹，高的可达几千赫兹，其泛音甚至可达两万赫兹），各种语言和音乐信号也不是单一频率的正弦信号，而是一种由许多不同频率的正弦信号，因此，要求扩音机对这些不同频率的电信号要能做大小相同的放大，才能保证复杂信号经过放大器后，不致出现失真。
理想的扩音机，其频率特性应从几赫兹到几千赫都是均匀的。
3．输入灵敏度
扩音机输出额定功率时所需要的输入信号电压叫做输入灵敏度。
如灵敏度低，则正常输入信号时，扩音机就达不到额定功率输出。
一般扩音机要求话筒插口灵敏度为3mV左右，拾音器插口灵敏度为100mV左右。
4．谐波失真
谐波失真是非线性失真的一种它是由放大器放大信号时的非线性引起的。
一个正弦波信号经放大器放大后，由于电子器件的非线性，输出信号的波形也会或多或少地产生畸变，即总有一点失真。
失真的后果是产生了新的谐波分量，使重放出来的声音失去原来的音色。
一个放大器，其元器件选得好、电路设计得当，非线性失真就很小。
普及型扩音机的失真度在5～10%，高保真的扩音机则可在较宽的频率范围（如40～1600Hz）做到小于1%。
5.信号噪声比
任何一个放大器都会产生噪声，只是大小不同而已。
当把一个输入信号加给放大器输入端时，输出端信号中即混有噪声信号。
我们把输出信号电压与输出的噪声电压之比叫信号噪声比，简称信噪比，用S/N表示，习惯上常用分贝（dB）表示。
扩音机的信噪比越大，表明混在信号里的噪声越小，放音质量越高。
计算公式为：
S/N=20lg（Uo/Un）dB
式中Uo——扩音机额定输出电压
Un——在额定条件下扩音机输出的噪声信号
6.增益
又称放大倍数，是衡量扩音机放大能力的指标，其值的大小等于扩音机的输出量/输入量，也用分贝表示，各种增益的表达式见下表：
表1.1扩音机增益的表达式
名称
一般表达式
对数表达式
名称
一般表达式
对数表达式
电压增益
Av=U2/U1
Av=20lg（U2/U1）
功率增益
Ap=P2/P1
Ap=20lg（P2/P1）
电流增益
Ai=I1/I2
Ai=20lg（I2/I1）
7.互调失真
当两个以上的信号输入扩音机时，由于扩音机的非线性，使得两个信号的频率互相调制而产生多余的和频与差频以及各次谐波互相调制产生的和频与差频，这种现象称为互调失真。
高保真音响系统要求互调失真应小于0.4%。
8.瞬态失真
瞬态失真是检验扩音机对脉冲信号的跟随能力的指标，一般将方波信号输入被测扩音机，用示波器观察其重放方波的畸变。
当瞬态响应不好时，其输出波形的前沿回变缓或上冲，后沿有拖尾。
为改善扩音机的瞬态响应，一般把放音频带的高频响应展宽到超音频段，如30～50kHz。
9.瞬态互调失真
瞬态互调失真是指扩音机输入信号时，由于放大器的相移，输出端便不能立刻得到应有的输出电压，使输入级也不能及时得到应有的负反馈电压。
扩音机在这一瞬间处于开环状态，输入级出现瞬时过载，过载瞬时输入电压会比正常值大几十倍，从而出现互调产物。
10.相位失真
主要由线性电抗元件对不同频率的信号有不用的响应，使信号产生相位的偏移。
11.动态范围
动态范围也是一个重要指标。
指信号中可能出现的最高电压与最低电压之比。
扩音机的动态范围必须大于节目的动态范围，才满足高保真声音的重放。
12.左、右声道串音衰减
又称左、右声道分离度，指立体声中左右声道信号相互串扰的程度。
若串扰量大，表明重放音乐的立体感将变差。
13.左、右声道不平衡度
指立体声中左右声道增益的不一致性，若不平衡度过大，重放的立体声像位置将产生偏移现象。
1.3设计方案论证
全集成电路高保真扩音机由前置放大、音调和音量控制、功率放大及电源电路四部分组成。
由于采用集成电路，电路简单。
在电源电路中，整流电路采用双绕组双电源电路，并采用高频特性好的小电容C20、C21，这样可以使电源的高频特性更好；在前置放大及音调电路中，采用双电源供电的运放TL084，TL084的电源经R23、C18、R24、C19等构成的RC电路滤波，这样使电源的波纹更小，这样可以降低噪声。
音调电路为反馈式音调电路。
电路的基本组成为反相放大器，其反馈网络有两个：
一个是W1、R4、R5、C2、C3构成的低音频段反馈量调整网络；另一个是由W2、R6、C4构成的高音频段反馈量调整网络。
根据运放的虚短理论，可以把两个网络看成是独立作用，互不干扰。
通过这两种网络，可实现对高、低音频段增益的调整。
音调电路输出，通过音量电位器W3分压调节。
调节W2可以改变分压输出的信号电压，从而可以改变音量的大小。
调节平衡电位器W4可以改变左右声道的附加衰减，从而调节左右声道信号的相对大小。
平衡电位器可以使立体声的声像基本位于在前方的中间范围。
在功率放大电路中，为防止移位产生高频自激；防止输出端的电感性负载（喇叭本身在某些频段呈感性）产生的冲激电压击穿TDA2030A内的功放输出管，在输出端设置了由R10和C8构成的RC网络。
在各级电路中，又设计了负反馈电路，保证信号稳定输出。
同时，为运算放大器和功率放大器提供了合适的直流偏置电路，保证其能正常工作。
1.4总体设计方案框图及分析
图1.1扩音机整机电路框图
电路分析说明
1.4.1整机电路：
整机采用双电源供电。
输入的交流220V、50Hz电源经变压器T1降压和隔离后，输出双12V的电源。
整流电路为典型的双绕组双电源电路。
对于每一组电源（+15V电源或-15V电源），都是全波整流电路。
C16、C17为滤波电容。
TL084是采用双电源供电的运放，用于前置放大及音调电路。
TL084的电源经R23、C18、R24、C19等构成的RC电路滤波，这样使电源的波纹更小。
这样可以降低噪声。
小电容C20、C21的高频特性好，这样可以使电源的高频特性更好。
1.4.2信号流程：
本机电路的左右声道的电路完全相同，这里以L声道为例进行分析。
从插座输入的信号经C1隔直后，经前置放大、音调电路后，输出至音量电位器。
经平衡电位器后，由隔直电容耦合进入IC2构成的双电源功率放大电路。
功放输出经喇叭输出接座输出至喇叭。
功放输出同时通过发光二极管指示输出电压的大小。
根据信号流程，利用信号注入法可以方便的判定故障的范围。
2全集成电路高保真扩音机各单元电路设计
2.1前置放大电路设计
图2.1前置放大电路设计
前置电路由IC1A及外围元件构成。
C1为隔直电容。
IC1A构成典型的同相放大器。
R2、R3构成电压串联负反馈网络，保证在本级中稳定输出交流信号并决定放大器的放大倍数。
本级放大倍数为（R2+R3）/R2=11。
R1为运算放大器同相输入端的直流偏置回路。
2.2音调和音量控制电路设计
前置的输出直接耦合至音调电路。
音调电路为反馈式音调电路。
电路的基本组成为反相放大器，其反馈网络有两个：
一个是W1、R4、R5、C2、C3构成的低音频段反馈量调整网络；另一个是由W2、R6、C4构成的高音频段反馈量调整网络。
根据运放的虚短理论，可以把两个网络看成是独立作用，互不干扰。
W2及外围元件构成的反馈网络，由于中心端与两端有C2、C3旁路中高频段信号，因而只改变低频信号的反馈量。
所以，当W2移动时，中、高频段的反馈量不变，放大器放大倍数均为1；而低频段的反馈量改变；当中心点最靠近R4时，放大器放大倍数为：
（RW1+R5）/R4（RW1为W1的电阻值）；而当靠近R5时，其反馈倍数为R5/（R4+RW1）。
W2及C4、C6构成的网络，由于电容C4的作用，调节W2时只影响高音段的反馈量，因而调W2可调高音段的增益（单元电路图如下所示）。
图2.2音调和音量控制电路设计
2.3功率放大器及扬声器电路设计
音调电路输出，通过音量电位器W3分压调节。
调节W2改变分压输出的信号电压，从而改变音量的大小。
W4为平衡电位器。
调节W4改变左右声道的附加衰减，从而调节左右声道信号的相对大小。
C5为隔直电容。
IC2TDA2030A可看作为双电源功率运算放大器。
本电路接成同相放大器。
反馈网络由R8、R9、C6构成。
C6为隔直电容。
对于同相输入的直流信号，相当于构成跟随。
直流放大倍数为1，因此输出的直流工作点相当稳定。
对于交流信号，C6相当于短路，由此可见，本级的电压增益为：
（R8+R9）/R9。
R7为IC2同相输入端的直流偏置电阻。
输出端的R10和C8构成的RC网络有如下作用：
（A）、移位防止高频自激；
（B）、防止输出端的电感性负载（喇叭本身在某些频段呈感性）产生的冲激电压击穿TDA2030A内的功放输出管。
电源端电容C22、C23是用于滤除高频，有利于改善功率放大的高频响应。
图2.3功率放大器及扬声器电路设计
2.4电源电路设计
输入的交流220V、50Hz电源经变压器T1降压和隔离后，输出双12V的电源。
整流电路为典型的双绕组双电源电路。
对于每一组电源（+15V电源或-15V电源），都是全波整流电路。
C16、C17为滤波电容。
如图2.4所示。
图2.4电源电路设计
3全集成电路高保真扩音机整体电路设计
3.1整体电路图及工作原理
整体电路图详见图3.1所示。
工作原理：
输入信号先经C1隔直后，再经前置放大，将输入信号放大，放大后的信号进入音调电路，对高低音段进行调节。
输出至音量电位器。
经平衡电位器后，由隔直电容耦合进入IC2构成的双电源功率放大电路。
功放输出经喇叭输出接座输出至喇叭。
功放输出同时通过发光二极管指示输出电压的大小。
3.2电路参数计算
1）整机频率响应的测试
测量系统连接好。
低频信号发生器产生正弦波，电压表V1用于监测输入信号的电平。
电压表V2用于测量输出信号的大小，示波器用于监测输出信号的波形，RL为额定负载。
开始测量时，先将扩音机的音调电位器置于中心位置。
首先输入1KHz的正弦波，输入大小一般为额定输入小10dB。
调整音量电位器，使输出电压为额定输出电压低10dB。
读出V2的分贝数。
改变信号发生器的输出频率，同时用V1监测输出电平，保证输出电平不变。
把测量的输出分贝大小及换算后的相对分贝大小（将1KHz信号的大小为0dB，其它频率信号的大小与1KHz信号的大小的差值为其它信号的相对分贝大小）记录如下表。
表3.1整机频率响应的测试
信号频率
20Hz
100Hz
200Hz
1000Hz
6000Hz
10000Hz
20000Hz
输出分贝
相对分贝
0dB
根据计算出的相对分贝数，分析频率分布是否均匀。
如果均匀，说明设计的扩音机符合要求。
2）最大输出功率的测试
如图接线。
音量电位器适中，调节输入信号幅度，直至示波器的输出波形刚刚出现畸变为止。
再将输入信号降低1dB，读出V2的电压Vmax。
用下列公式可算出最大输出功率Pmax。
计算公式为：
Pmax=（Vmax）2/RL
3）电压增益的计算
各级增益的计算：
前置放大级：
（R2+R3）/R2；
音调和音量控制级：
（RW1+R5）/R4（RW1为W1的电阻值）；
功率放大级：
（R8+R9）/R9；
总的增益为各级增益之积。
3.3整机电路性能分析
前面已经提及，本次设计的全集成电路高保真扩音机主要由前置放大电路、音调控制电路、控制电路、功率放大电路、扬声器电路和电源电路四部分构成。
扩音机工作时，输入选择电路主要对收音调谐器、录音座、CD唱机和AV辅助输入等信号源的信号进行选择切换控制，得出所需的信号输入，输入后的信号经均衡放大电路进行频率特性的校正和放大，使输入信号的频率特性变得较为平坦，同时使各种信号源输入的信号电平基本趋于一致，避免了在转换不同的信号源时声音响度出现较大的变化。
音量控制的目的主要是在音量较小时提升高、低频信号成分，以补偿人耳听觉的不足，在低响度时得到较丰满的声音信号。
经前置放大器放大处理后的信号被送入功率放大器进行功率放大，以推动扬声器重放出声音。
在功率放大器中加入保护电路是为了保护扬声器免受电路冲击电流的干扰或在电路出现故障时烧毁扬声器，电源电路的设置是为集成运放电路元件提供合适的电压。
图3.1整体电路设计
4设计总结
通过这次课程设计，我对电子技术基础这门学科有了进一步的认识和感知。
以前只是单纯注重理论知识的积累，忽略了它的实践意义。
这次的课程设计，不仅使我温习了书本上的理论知识，而且使我学会了如何把它应用到具体实践当中，做到了理论与实践相结合。
课程设计完成之后，我进行了再思考，并重新将自己的设计审视了几遍，同时也和做同样设计的几个同学交流了一下。
在进行交流中，我又有些新的感悟。
一开始进行设计的时候，由于我自身的知识储备不高，基本上都是参照相关资料进行。
这样做一方面可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。
另一方面等到自己设计的时候，可以在原有基础上完全按照自己的思路独立进行，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，虽说不上创新，但可能会有新意产生。
在这方面我自感做的不是很好，这就要求自己在今后的学习中要不断的扩充知识，同时还要加强自身探索能力的培养。
这正是以后最需要改进的地方。
这一点，我想同样适用于其它各门功课。
如果没有探索性，我们就会拘泥于现有的东西，永远不会推动科技的发展。
在这个设计过程中，探索性主要可以体现在下面几个方面。
一个是绘图所用的软件，很多人推荐我们使用Protel、EWB等，因为这几个软件有它们很大的优势，在学习使用过程中我也深有体会，特别是EWB，功能很强大，基本上能满足我在设计中的任何要求。
但是我们同样可以自己摸索，用其他差不多或者更好的软件。
还有设计时所采用的公式，每本资料基本都有较为成熟的公式让我们参考。
但它们不一定就是最好的，我们也可以到图书馆到网上去查阅更多的资料，找出其它公式，公式是否为最好无关紧要，能满足设计指标就好。
第三点，在整个设计过程中都会有很多的计算，如果靠笔算会很麻烦也不能保证准确性。
这个时候我们就可以把以前学的本领用出来了。
VC、Matlab都是很好的工具，利用它们编写一些小工具进行计算，大大方便了我们的设计，减少了设计中的机械性。
没有探索就没有创新，没有创新很可能就会被淘汰，在今后的学习和设计中，我也会更加注重这方面的锻炼和培养，希望会有所进步。
参考文献
[1]田振清.电声系统与电声教学.内蒙古：
内蒙古教育出版社，2001.
[2]曹揆申.教育电声系统.北京：
高等教育出版社，1996.
[3]伍建阳.艺术录音基础.北京：
中国广播电视出版社，1999.
[4]俞承芳.音响技术.上海：
复旦大学业出版社，1994.
[5]付家才.应用电子工程实践技术.北京：
化学工业出版社，2005.
附录
扩音机元件清单
名称
规格
数量
备注
集成电路
TDA2030A
2
功率放大
TL084
1
运算放大器
IC插座
DIP14
1
整流二极管
1N4001
4
电源整流
发光二极管
红色Ф5
1
电源指示
绿色Ф5
2
音量指示
电解电容
1000uF25V
2
电源滤波
220uF25V
2
电源滤波
22uF25V
2
隔直流
4.7uF25V
4
耦合
绦纶电容
47325V
6
音调/RC网络电路
33216V
2
音调电路
10425V
6
电源滤波
电阻
2kΩ1W
1
电源指示
100Ω1/2W
2
音量指示
10Ω1/2W
2
680Ω1/4W
2
功率放大
22kΩ1/4W
4
1.5kΩ1/4W
2
音调电路
10kΩ1/4W
4
82kΩ1/4W
4
前置放大
820kΩ1/4W
2
续上表
双联电位器
指数型50KΩ
1
音量电位器
线性型50KΩ
2
音调电位器
单联电位器
线性型100KΩ
1
平衡电位器
电源开关
1A250VAC
1
电源变压器
输入220V50Hz
输出双12V50W
1
降压及隔离市电
四位喇叭座
四位
1
连接
输入莲花插座
二位
1
螺丝
M3-12
6
紧固
M3-20
4
螺母
M3
18
平介
M3
14
弹介
M3
14
屏蔽线
1芯
0.5m
连接
引出线
0.5mm
2m
电源线
5A250VAC2米
1
扩音机机壳
1
热熔胶
若干
紧固
焊锡
若干
整体电路设计
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
电子技术课程设计
题目名称
高保真集成电路扩音器
学生姓名
学号
120601140
指导教
师姓名
刘小斌
刘超
职称
副教授
讲师
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
升级会员 