扩音机电路的设计与实现.docx
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扩音机电路的设计与实现
实验七：
扩音器电路的设计与实现
学院：
班级：
姓名：
班内序号：
学号：
一、实验目的：
1.了解扩音机电路的形式和用途。
2．掌握音频放大电路的一种实现方法。
3.提高独立设计电路和验证实验的能力；
二．摘要
扩音设备的作用是把微小信号放大成能推动扩音器发生的大功率信号，主要采用运算放大器和集成功率放大电路来构成扩音机电路。
本实验由前置放大电路，音频控制电路和功率放大电路构成，通过元件在面包板上模拟实际电路，通过测试，使扩音机电路满足放大功率，输出阻抗，频率相应等多方面的要求。
三、关键词：
扩音机，前置放大器，音频控制器，功率放大器
四、实验要求：
1.基本要求：
a）设计实现一个话筒输出信号具有放大能力的扩音机电路，设计指标及给定条件为：
1）.最多输出功率不小于2W。
2）负载阻抗为8Ω。
3）具有音调控制功能，即用两个电位器分别调节高音和低音。
当输出信号为1KH时，输出为0Db；当输出信号为100kH正弦时，调节低音电位器可以使输出功率变化+-12dB。
4）输出功率的大小连续可调，即用电位器也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示也不衰减的位置时，-3dB的频率范围是80Hz~6Kz，即BW=6KHz.
6）输入短路时，噪音输出电压的有效值不超过10mv，直流输出电压不超过50mv，静态电源电流布超过100mA。
b）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTRL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。
2.提高要求：
提出其他扩音机设计方案
五、实验所用仪器
实验仪器
作用
万用表
测量电阻、直流交流电压电流
函数信号发生器
产生各种函数信号
双路跟踪稳压稳流电源
产生稳定的直流电压和电流
晶体管毫伏表
测量交流电压的有效值
示波器
测量各种波形
多种元件如下表
名称
规格
数量
名称
规格
数量
电阻器
10K
2
电解电容
100uF
1
电阻器
100K
4
电解电容
10uF
4
电阻器
22K
1
电容器
0.01uF
2
电阻器
18K
1
电容器
330pF
1
电阻器
51K
3
电容器
0.1uF
2
电阻器
3.3K
1
电容器
0.22uF
1
电阻器
680
1
电容器
100pF
1
电阻器
1
1
功率放大器
TDA2030A
1
电阻器
8.2K
2
电位器
500K
2
电阻器
3.9K
1
电位器
1K
1
电阻器
15K
1
二极管
IN4007
2
电解电容
220uF
2
运算放大器
LF353N
2
六、实验原理及设计
设计思路和总体结构框图
本实验中声音先通过话筒变成微弱的电信号，经过放大器可将其放大。
总共设计可分为三级电路来实现本实验的功能，第一级实现微弱电信号的放大即前置放大器，第二级根据实验要求设置为音频控制级，第三级采用功率放大电路使信号可通过扬声器发声为大功率的信号，它的负载即是8Ω的扬声器。
前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声要小，音频控制主要是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，要求效率高，失真尽可能小，输出功率大。
设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计。
因为Pomax=2W，输出电压U=4V，要使输入为5mv的信号放大到输出的4V，所需的总放大倍数为800。
扩音机中各级增益的分配为：
前置放大倍数为100，音调控制中频电压放大倍数为1，功率放大级电压放大倍数为8。
分块电路和总体电路的设计：
1、前置放大器
由于话筒提供的信号非常弱，一般要在音调控制器前面加一个前置放大电路。
考虑到到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353.LF353是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声的集成器件。
其输出阻抗达到
MΩ，输入偏置电流极为50
A，单位增益频率为4MHz，转换速率为13V/us.
前置放大电路有LF353组成的两级放大电路。
第一级放大电路的Au1=11，即1+R5/R6=11，取R5=100KΩ，R6=10KΩ.取Au2=11，同样R8=100KΩR9=10KΩ.耦合电容C1、C3与C5取10uf,C4取100uf，以保证可以电路飞低频响应。
其他元件的参数选择为C2=100pf,R4=R7=100KΩ,R10=22KΩ。
前置放大电路原理图
2、音调控制电路的设计
音调控制器的功能是：
根据需要按一定的规律控制、调节音响放大器的频率响应，更好的满足人耳的听觉特性。
一般的音调控制器只对低音和高音的增益进行提升和衰减，而中音信号的增益不变。
音调控制器的关键是电阻电容网络的选频作用。
输入信号是分成两个支路送到放大器的输入端的。
一条是经过R11，RP1，C6，R13到输入端，并经过C7，R12到输出端形成负反馈。
另一路是经过RP2，R14，C8到输入端，这两条支路的电容容量相差很大，C6，C7容量大，对低频信号影响大，C8容量小对高频信号起作用。
中频段：
此时C6，C7可视为短路，C8视为开路，其等效电路为此时的放大倍数为-R12/R11=-1.
中频等效电路图
低频段：
低频时C8可视为开路，RP1调节时，在两种极限情况下的等效电路，信号频率越低，则随着容抗的增大增益越大，随着RP1的滑动端从左端移到右端，增益也将由小变大，也就是说调节RP1能改变低音的放大倍数，产生提升和衰减的效果。
低频提升电路低频衰减电路
高频段：
高频时C6，C7可视为短路，调节RP2可使高音的放大倍数得到提升和衰减。
RP1作低音控制，RP2作高音控制。
RP1旋到左端时低音提升，旋到右端时低音衰减。
RP2旋到左端时高音提升，旋到右端时高音衰减，为了使电路获得满意性能，下面条件必须具备：
1）信号源的内阻不大。
2）用来实现音调控制的放大电路本身有足够高的开环增益。
3）C6，C7的容量要适当，其容量跟有关电阻相比，在低频时足够大，在中、高频时足够小；而C8的选择却要使它的容抗在低、中频时足够大，在高频时足够小。
4）RP1、RP2的阻值远大于R11、R12、R13、R14。
取C6=C7=0.01uf,RP1=RP2=500K,R11=R8=R9=51K,R10=18KΩ,C8=330pF
音调控制器幅频特性曲线
3、功率输出级的设计
功放要求功率尽可能的大，失真尽可能的小，效率尽可能的高。
此处选用TDA2030A型单片集成功率放大电路，其主要特点是：
a、上升随率高，瞬态互调失真小；b、输出功率比较大，单片的TDA2030A的输出功率可达18W；c、外围电路简单，使用方便；d、采用5脚单列直插的封装形式，体积小；e、内含各种保护电路，工作安全可靠。
功率放大级电路图
4、系统总体电路
ProtelPCB板布局图
七、实验功能说明
1、最大输出功率
测量Pomax的条件：
信号发生器输出功率f=10KHz，输出电压5mV，音调控制器的两个电位器RP1,RP2置于中间位置，使用双踪示波器观察Vi,Vo的波形。
在功率放大器的输出端接额定的负载电阻8Ω，输入端接Vi，调节RP3使Vo的波形刚好不出现削波失真，此时输出的电压为最大输出电压，则Pomax=Vo*Vo/RL.
测量得最大输出电压为4.95V，则Pomax=4.95*4.95/8=3.06W>2W,符合要求。
2、分级调试
A、前置放大级测试
输入信号Vi=1mV，第一级输出端电压V1=0.095V，则第一级增益为A1=V1/Vi=95/1=95.达到设计要求。
第一级输出电压
B、音调控制级
将第二级与第一级连起来，输入电压不变，测得第二级输出端电压为V2=0.095V,则第二级增益A2=V2/Vi=95/1=95，即第二级放大倍数为1，符合设计要求。
并且在输入低音时，调节RP1可以改变低音的放大倍数；输入高音时，调节RP2可以改变高音的放大倍数。
第二级输出电压
C、功率放大级
直接将信号源接入第三级时输出电压为8mV，放大倍数为8.将第三级接入总电路并接上8Ω的负载时，输出电压为0.53V，此时总电路放大倍数A=530/1=530，达到实验要求。
单级：
第三级输出电压接入总电路第三级输出电压
八、故障及问题分析
问题一：
短路故障。
主要是由于电路本身元件较多容易混接以及面包板上电路排布的混乱交叉而短路，在实际搭建过程中，出现短路导致电路无法正常工作。
为解决这问题，在搭建电路时采用分级搭建测试的方法，并且在连接电源前都检查一遍电路，确定没有短路后再通电，从而排除此故障。
问题二：
在测试第一级电路时，无波形输出，为检查出现故障的原因，再次检查电容电阻，并确认电路连接无错后，发现在运算放大器输出端波形不正常，由此确定运算放大器故障，换了新的运算放大器后电路输出正常。
问题三：
第三级功率放大电路中，没有0.22uf的电解电容，用普通电容代替。
九、实验总结与结论
1．此次实验从设计到实现，每一步都伴随着问题的不断产生与解决，经过艰辛的调试、测量，最终完成实验，除了极个别的参数与设计要求稍有差距外，其余参数均满足设计指标，实验总体是成功的。
2、通过这次实验，我对音频放大电路有了更深入的了解，对模拟电路设计过程和方法有了基本了解和认识，能够对简单电路系统中出现的故障和问题提出解决方案，独立设计电路和验证实验的能力得到了提高，学习并熟悉了Protel软件的基本使用，并且能更熟练的使用示波器等实验仪器。
3、这次实验使我深刻了解到，在动手实验之前一定要弄清实验原理，比如电路的具体功能和意义，比如各个元件的作用。
在刚开始实验的时候由于对实验电路的理解不够，在电路调试时无从下手，耽误了很长时间。
在遇到问题时，我查阅了不少资料，和同学讨论交流，一同解决问题，解决实际问题的能力有所提升。
4、本次实验使我的动手能力得到很大的提高，并且使我享受到了动手实验的乐趣，有付出就会有收获，这次的实验经历我会珍藏于心。
十、参考文献
1）《电子电路基础》北京邮电大学出版社
2）《电子测量仪器原理与使用》电子工业出版社
3）《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学出版社
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