频率可调式助听器设计设计.docx

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频率可调式助听器设计设计

频率可调式助听器设计设计

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。

最终完成设计任务要求，整个作品体积小于5cm*5cm*3.5cm，声音信号清晰，能够实现助听器的作用和频率可调的要求。

关键词助听器频率可调带通滤波器功率放大器

TitleThedesignoffrequencyadjustablehearingaid

Abstract

Thedesignconsistsof3part,whichis,themicrophoneamplificationsection,thefilteringsection,andthepoweramplifiersection.Themicrophoneamplificationsectionshouldbeasmall-signalpreamplifiercircuit.Designrequirementsforhighinputimpedance,highcommonmoderejectionratio,andlowdrift,whichneedsuA741toachieve.Thefilteringsectiondesignsasasecond-orderactivebandpassfilter,withpotentiometerfrequencyadjustable,thefilteringsectionalsousesuA741.Thepoweramplifierpartistoachievepoweramplification,hearingaid,consideringofcost,usingtheLM386.Theentirecircuitwitha12Vbattery-powered,processesintoaPCB,theappropriatechoiceofchassis,inordertoachievethepracticalrequirements.FinallyIcompletedthedesignrequired.Thevolumeoftheworksislessthan5cm*5cm*3.5cm.,withclearsoundsignals,whichisabletoachievetherequirementsofhearingaidandfrequencyadjustable.

KeywordsHearingaidFrequencyAdjustableBand-passfilterPoweramplifier

第1章引言

1.1课题研究目的和意义

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工具、设备、装置和仪器等统称助听器。

即使有听力损失者，听力损失不是大且又及早的借助“助听器”帮助帮助提高听觉能力，其语言分辨能力也相对较好。

目前市场上销售的助听器，价格多在几百元到几千元之间，售价相对较高，对于许多条件相对一般的家庭来说，售价相对偏高，而且，市面上销售的助听器，多是仅仅可以实现声音信号放大，很少有针对不同人对不同频率敏感程度的差异的助听器。

因此，设计一款可以针对人对不同频率敏感程度差异的助听器可以有效的改善他们与正常世界的沟通能力，相信也一定会有较为广阔的市场。

本文介绍了一种成本低，制作简单的频率可调式助听器，经过完善后相信具有较高的推广价值。

1.2发展趋势

　在可以预见的未来，助听器发展主要有三个方向：

小型化，定制化，智能化。

1.2.1小型化

同我们日常接触到的许多仪器一样，助听器体积也是由大到小慢慢发展的，最初的助听器，和桌面差不多大小；而现在，助听器已经小到了只有几克重。

现在甚至有技术提出把助听器直接植入到人体，它的体积只有几粒米的大小。

我相信，随着科技的日益进步，助听器的外型和尺寸还有近一步缩小的空间。

1.2.2定制化

随着社会的发展和进步，对于耳障人群来说，他们已不再满足于仅仅是听到了，他们更希望能够听清。

同时我们也注意到，听障者的状况相同的很少，因此，我们有必要针对不同人群，推出有针对性的助听器，相信，这会发展成为一种趋势。

1.2.3智能化

　　要想提高助听器的用户体验，就需要对助听器作进一步的改进，比如使助听器具备记忆能力、重新编码能力等。

这些都离不开各种新近发展的技术的支持，如利用DSP等技术来实现。

但是这些新的发展趋势还没有受到助听器生产厂家的足够重视，作为产品推出应用范围也较窄，还有较大的发展空间。

1.3要研究内容及工作

要求针对不同耳障人群，利用所学的电子技术知识，设计一款音频范围内频率可调的助听器。

完成电路设计，焊接和调试，绘出测试技术指标，绘制并加工PCB电路板，选择合适机壳，组装成样机。

第2章系统设计方案选择

为了保证设计的频率可调助听器经济实用，满足耳障人群对不同频率敏感的差异需求，必须对系统设计方案进行充分分析和论证。

2.1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

2.2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

第3章系统总体设计

根据课题论证书要求，通过设计方案比较和论证，设计了一种音频范围内频率可调的助听器。

仪器包括话筒放大、滤波和功率放大三部分内容。

首先根据需要确定整个语音放大电路的倍数，然后再具体分配到各个单元电路，使其技术指标能够合理，最后根据确定的技术指标，确定各个电路的元件参数。

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。

3.1话筒放大器

由于话筒输出信号一般只有5mV左右，而产生的共模噪音可能会达到几伏，故在设计中一定要考虑的是放大器的输入漂移和噪音以及放大器本身的共模抑制比。

因此是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移、能与高阻话筒接配的小信号前置放大器电路非常满足以上的设计要求。

由于受到运放增益带宽的限制，该级增益不宜太大，如果过高的话，放大电路则会不可避免的产生失真。

本设计中可以取Au=7.8，如图3.1所示。

图3.1话筒放大电路

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。

我们可以以图3.1电路是为例，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

图中R9取10K，R8取68K,则理论计算得出的放大倍数Au=7.8.

proteus仿真图

当输入端接入信号发生器，8mV输入时，输出大约是50mV，输入输出波形图如图3.2所示。

（黄色信号为输入，蓝色信号为输出，下同）

图3.2话筒放大器仿真图

3.2语音滤波器

声音以波的形式存在，能够在空气中传播，称为声波。

声音的传播携带了大量信息，是人类传播信息的一种主要媒介。

通常情况下，把频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20kHz的声波称为超声波，这两类声音人耳是听不到的，不是本文的讨论范围。

人耳可以听到的声音频率在20Hz~20kHz之间。

这其中人的发声器官发出的声音频率在80Hz~3.4kHz之间，特别值得一提的是，人说话的频率通常在300Hz~3kHz之间，一般情况下，人们把这种频率范围的信号称为语音信号。

根据语音信号的频率范围，助听器中需要设计一种二阶有源带通滤波器，该滤波器的下限频率是200Hz，上限频率是3200Hz。

根据技术指标要求，设计的语音滤波电路如图3.3所示。

该二阶有源带通滤波器频率范围在200Hz~1100Hz之间，图中RV2和RV3两个电位器的作用是调节滤波器上下限频率范围，其中上限频率范围最大可调到2200Hz~3200Hz，这样，就完成了一款频率可调的带通滤波器设计。

图3.3语音滤波电路

3.2.1带通滤波器简介

带通滤波器在通常使用中用低通滤波器和高通滤波器组合产生，是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，通过后的波形近似为钟罩型。

3.2.2工作原理

一般情况下，我们将低通滤波器与高通滤波器相串联可得到对应阶数的带通滤波器，本设计方案是将二阶高通滤波器与二阶低通滤波器串联起来得到一个二阶带通滤波器。

此带通滤波器的频率低端f1与高通滤波器的截止频率fH相对应，频率高端f2与低通滤波器的截止频率fL相对应，因此就能满足如上文中所提到的设计要求。

3.2.3设计方案理论计算

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。

3.2.4语音滤波器仿真图

这里做举例演示，同样接入8mV输入信号，信号频率为1.1KHz，当带通滤波器通带范围在200~1100Hz时，输入输出波形如图3.4所示。

当带通滤波器通带范围在2200~3200Hz时，输入输出波形如图3.5所示。

图3.4语音滤波器仿真图1

图3.5语音滤波器仿真图2

3.3功率放大器

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，具体设计的电路如图3.6所示。

图3.6功率放大电路

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。

上文中提到，LM386具有低功耗的特性，这就让电池供电成为了可能，因此，收音机、助听器等需要电池供电的设备中，许多都采用了LM386。

尽管LM386的应用电路非常简单，但有时候，一不注意，例如在插拔音频插头、调节音量旋钮的瞬间，会产生瞬态冲击，从而在耳机里会产生令人难受的噪声。

这是因为LM386设计应用时，一定要遵循一些规则。

1、设计时可以在第1脚和第8脚之间接入电位器和电容来使电压增益可调，断开后电压增益是固定值。

因此如果整个电路增益不大或者对增益要求不高的话，电容就不要接了，不仅减少了成本，而且还会降低噪音。

实际制作时我实验了这种办法，最后还是加了电容。

2、因为音频功率放大电路设计的要求，LM386的外围元件都要尽量靠近它，同时，输入信号尽量采用平行走线的方式，输出要求同上。

3、对于调节音量的电位器，一定要选用质量好的。

使用质量太差会对使用者的耳朵造成伤害；一般情况下电位器选择10kΩ左右，太大也会影响音质。

4、尽可能采用双音频输入/输出。

这样输出端可以很好地抵消共模信号，有效地抑制共模噪声。

5、连接第7脚和地的旁路电容一定要添加。

设计时，第7必须与地线之间接一个10uF的电容，这个电容可以有效地过滤掉音频放大电路中的噪音。

设计时，我也用了1uF的电容，但是我发现用10uF的能够更有效的抑制噪声，这是因为，容值较大的电容，能够更有效的降低基准电压的变化速度。

在电路上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致。

功率放大器仿真

取输入信号为8mV，则输出信号的范围大约是0.1~1V，仿真图如图3.7和图3.8所示。

图3.7功率放大器以最小放大倍数输出

图3.8功率放大器以最大放大倍数输出

助听器整体设计电路见附件。

第4章PCB板制作

本设计要求最后能够完成实物作品的制作，因此，后期需要制作成PCB形式，经适当包装后提交。

制作PCB板，我选择了ProtelDXP软件。

下面，我就对ProtelDXP软件中比较重要的部分做一个简单介绍。

4.1ProtelDXP简介

ProtelDXP是一款基于Windows2000和WindowsXP操作系统的EDA设计软件，相对于之前的版本，它有了许多新的功能，包括可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等功能。

ProtelDXP的设计库已经非常庞大，对于我们经常使用，甚至一部分很少使用的元器件，都已经做了封装，并且这些封装都能完全符合设计的要求，如果我们对这些封装还是不满意的话，还可以自己修改，变成自己想需要的封装，同时我们也可以在PCB库编辑器制作自己所需要的封装。

4.2ProtelDXP说明

在ProtelDXP设计时，有一些地方对我来说很重要，这里举例说明。

（1）ProtelDXP一共有共74个板层可供设计：

Signal层32层，Mechanical层16层，InternalPlane层16层，SolderMask层2层，PasteMask层2层，Silkscreen层2层，钻孔层2层，KeepOut层1层，Multi-Layer层1层。

设计中，我主要用到了Signal层，KeepOut层和Mechanical层。

（2）ProtelDXP中Pad点的外型有3种，分别是圆形、方形和八角形。

通常情况下，我们主要使用的是圆形和方形。

（3）ProtelDXP布线种类包括任意角走线，45度角走线，45度角圆弧走线，90度角走线和90度角圆弧走线。

对我来说，45度角走线就很合适。

（4）ProtelDXP的铺铜包括45度角铺铜，90度角铺铜和水平铺铜。

设计中，我采用了水平铺铜技术。

需要说明的是，我们最关心的是ProtelDXP中的自动布线功能。

事实上ProtelDXP在Protel99SE的基础上对布线规则和内部算法做了一定程度的优化，这样，当我们布线时成功率以及准确率都有了较大的提高。

相信这可以在一定程度上减轻我们的忧虑。

值得一提的是，当我们进行高频电路的布线时，我们可以应用ProtelDXP中的高速电路布线规，它可以帮助解决我们在高频电路中碰到的平行走线的长度问题和网络匹配长度的问题，减轻我们设计时的负担。

如果我们在层管理器中进行相应的设置，就可以很方便地完成多层板的设计，这对我们来说非常方便。

当本设计绘制PCB板时，可以看到，只要合理布局，使用软件中提供的自动布线，布线的成功率非常高，同时，完成后只需要修改一些垂直走线的部分，而且短路或是网络混乱问题也几乎不会产生，效率非常高。

可以说ProtelDXP在自动布线功能上设计的相当完善。

4.3ProtelDXP中的信号完整性分析

在制作PCB的过程中，我们经常需要了解设计是否符合电磁兼容的要求，布置的线路是否会产生串干扰等，特别是高速数字电路对这方面要求较高。

但是，我们经常又不是很确定，所以有时候不得不等把PCB板实物做出来以后，再进行硬件检测。

这样会造成很多的不便，第一，设计的周期会相应的延长，第二，PCB的制作成本还是很贵的，再次制作一块PCB板的投资还是不小的。

因此，信号完整性分析的存在就显得特别重要。

可能我们会怀疑信号完成性分析的必要性和作用。

应该说信号完整性分析是非常重要的，它让我们可以在软件上就能真实的模拟出整个电路板各个网络的工作情况。

同时，我们可以在多种优化方案中选择自己最需要的方案。

正是由于ProtelDXP所提供的强大的集成库，使得我们可以完成信号完整信分析，分析自己需要的电磁兼容的要求、电磁干扰的要求及串扰的参数等，并作出恰当的修改。

ProtelDXP中，大到IC元器件，小到电阻电容都有独自的仿真模型参数，同时我们可以自己编辑设定新的IC器件进行仿真。

对于有经验的DXP使用者来说，还会建立自己的元件封装库并设置相应的模拟参数。

正是因为ProtelDXP中信号完整性的存在，让我们可以顺利解决在设计中碰到的的很多麻烦，极大地提高了设计PCB板的成功率，给大家带来了很大方便。

4.4ProtelDXP仿真设计

4.4.1ProtelDXP电路仿真概述　

电路中只有采用仿真元件才能实现仿真。

ProtelDXP为设计者提供了大部分仿真元件，常用的仿真元件库是MiscellaneousDevices.IntLib，仿真信号源的元件库为SimulationSources.IntLib，仿真专用函数元件库为SimulationSpecialFunction.IntLib，仿真数学函数元件库为SimulationMathFunction.IntLib，信号仿真传输线元件库为SimulationTransmissionLine.IntLib。

本设计方案中，主要用到了MiscellaneousDevices.IntLib。

ProtelDXP为设计者提供了一个常用仿真元件库。

该元件库包括电阻、电容、电感、振荡器、三极管、二极管、电池、熔断器等多种常用元件，所有元件均定义了仿真特性，仿真时只要选默认属性或者修改为自己需要的仿真属性即可。

4.4.2ProtelDXP电路仿真设计的一般步骤

一般来说，要对电路图进行仿真分析，需要包含以下信息：

①DXP中包含了许多仿真器件模型，绘制PCB板时，要选用恰当的模型；

②必须连接激励信号源，这样才能在仿真过程中驱动电路工作，仿真才能顺利；

③网络标号必须添加到绘制仿真数据的节点处；

④电路的仿真初始条件一定要有，我们一定要定义。

ProtelDXP执行信号仿真的设计流程如图4.1所示。

图4.1仿真设计流程

4.5设计仿真原理图步骤

（1）我们在仿真时，一定要先加载仿真元件库，才能设计仿真原理图，系统默认的存放仿真元件库路径为Altium＼Library＼Simulation，仿真元件库如图4.2所示。

图4.2仿真元件库

（2）我们所绘制的原理图中的所有部件都必需包含自己的仿真信息。

通常情况下我们会引用适当的Spice器件模型。

（3）放置元件连接线路，将具有仿真信息的元件放置到原理图。

（4）添加激励源和网络标号

在电路实施仿真之前，一定要给所设计电路添加合适的激励源，以便仿真器进行仿真。

同时在需要观测输出波形的节点处，定义网络标号，以便于仿真器的识别。

（5）实施仿真

在设计好仿真原理图后，先对该原理图进行ERC检查，如有错误，返回到原理图设计中进行修正，直至完全正确。

接着，设计者就可以对仿真器设置，确定对原理图进行何种仿真分析，并设置分析所用的参数。

设置不正确，仿真器可能在仿真前报告警告信息，仿真后将仿真过程中的错误写入Filename.err文件中。

4.6在DXP上绘制原理图

图4.3是本设计的原理图，关于图中各部分的作用在上文中已经做了一定的说明，需要说明的是，图中各元件并未与设计元件相对应一致，为便于绘图，对一些器件的型号、参数做了一定修改。

图4.3在DXP上绘制的原理图

4.7设计完成后的PCB画板

未进行附铜，整个电路有两个可调部分，分别针对频率调节和音量调节，未设置开关键，因为考虑到此助听器一般针对的是老年人，如果再添加按键，会增加使用的难度，反而造成不便，同时，我认为对于需要使用助听器的人群来说，电路很少是需要断开的。

总结

整个电路设计制作完成后，面积小于5cm*5cm，由于实际制作时因为条件所限，无法选择合适大小的电位器和电池，整个设计作品厚度较大，大约有3cm。

如果量产采用贴片封装并且能够专门定制器件的话，整个电路厚度和面积能够显著缩小。

整个电路制造成本低廉，3片uA741，1片LM386，1个四联电位器，两节电池是电路中耗费成本较高的了，相信如果量产的话，上面提到的成本应该会小于两元，加上其他附属设备，制造成本也不会大于3元。

经过了这次毕业设计，我对滤波电路有了更进一步的了解，同时，初步学会了使用ProtelDXP，能够解决其中的一些问题，对PCB板从陌生到现在对其有了一定的理解。

这些进步，都与老师的督促有着很大的关系，在此，我希望能够表达我的谢意。

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