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扩音机电路的设计与实现
实验报告
课程名称：
电子测量与电子电路综合实验
课题名称：
扩音机电路的设计与实现
学院：
信息与通信工程学院
班级：
姓名：
班内序号：
教师：
成绩：
北京邮电大学
2012年3月17日
目录
1．实验目的4
2．摘要4
3．关键词4
4．设计任务要求4
4.1基本要求4
4.2提高要求5
5．设计思路（设计过程、总体结构框图）5
5.1实验电路图5
5.2实验设计思想5
5.2.1理论依据5
5.2.2搭建与调试思路6
6．分块电路与总体电路的设计7
6.1前置放大器7
6.2音频控制器8
6.3功率输出级11
6.4总体电路的设计12
6.5仿真结果14
7．功能说明（基本功能、扩展功能、主要测试数据、测试方法等）16
7.1基本功能16
7.1.1前置放大级测试16
7.1.2音调控制级测试17
7.1.3功率输出级测试17
7.1.4总体功能测试及SCH/POC设计18
7.2扩展功能20
7.3主要测试方法20
7.3.1单级放大倍数的测量20
7.3.2逐级测试法20
7.3.3逐点测试法21
7.3.4其他方法辅助21
8.故障及问题分析21
9．总结和结论22
9.1实验总结22
9.2实验结论23
10．仪器元件23
10.1所用仪器仪表23
10.2所用元件23
11．参考文献24
1．实验目的
a．了解扩音机电路的形式与用途；
b．掌握高频放大电路的一种实现方法；
c．提供独立设计和验证实验的能力；
d．熟悉常见错误及其解决方案。
2．摘要
扩音设备的作用是将小信号放大成为能够推动扬声器工作的大功率信号。
前级电路主要采用差分放大器或者集成运算放大器，一方面放大小信号，另一方面减少输入级噪声；功率输出级采用功率放大电路放大功率信号。
本实验由前置放大级、音频控制级和功率放大级组成，通过面包板搭建电路，通过逐级检测，扩音机电路满足功率放大、输出阻抗、最大输出功率、相位关系等多项指标。
3．关键词
扩音机，前置放大电路，音频控制器，功率放大器
4．设计任务要求
4.1基本要求
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：
a．最大输出功率不小于2W；
b．负载阻抗为8Ω；
c．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1KHz时，输出为0dB；当输出信号为100kHz正弦时，调节低音电位器可以使输出功率变化±12dB；
d．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；
e．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~6KHz，即BW=6KHz；
f．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，静态电源电流不超过100mA；
g．设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。
4.2提高要求
提出其他扩音机设计方案。
方案见附录1。
5．设计思路（设计过程、总体结构框图）
5.1实验电路图
5.2实验设计思想
5.2.1理论依据
5.2.1.1电路的基本原理
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。
Fig.1扩音机原理图
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
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
，输出电压
，要使输入为5mv的信号放大到输出的2V，所需的总放大倍数为400。
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4。
5.2.2搭建与调试思路
由于扩音机电路从层次上来看，可以认为是前置放大级、音频控制级、功率输出级级联而成，具有清晰的层次。
因此，在实际搭建和测试电路时，可以逐级搭建、逐级调测，将指标分配到各级电路，逐级完成指标。
此外，由于电路中的相移元件（如电容）较多，因此，对于相位和直流成分的观测主要采取逐点调测的方式。
因此，在电路的调试环节主要采用逐级+逐点调测的思路，即逐级确认指标是否完成，若非，则由该级输入端和输出端，向中间逐点观察波形，找出错误源。
6．分块电路与总体电路的设计
6.1前置放大器
Fig.2前置放大电路
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LF353N。
LF353N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104M，输入偏置电流极为50*1012A，单位增益频率为4MHz，转换速率为13V/us。
前置放大电路是由LF353N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=100K，R6=10K。
取Au2=11，同样R8=100K，R9=10K。
耦合电容C1、C3与C5取10uf,C4取100uf，以保证可以电路的低频响应。
其他元件的参数选择为C2=100pf,R4=R7=100K，R10=22K。
第一级的主要功能为完成电路的主要放大功能。
这里设计第一级时没有采取直接将小信号放得很大，而是通过两级放大来完成，其原因是考虑到增益带宽积的常数特点。
若是直接将小信号给予大的放大，那么中频带宽将下降；而同时，语音放大需要考虑到频带的需求，例如如果是针对语音通信，则需要的带宽约为4KHz，而作为音乐流则可能需要11.2MHz的带宽；对于前者，单级的放大倍数可以做的大一些，而后者则需要考虑到增益带宽积的限制。
此外，考虑到线性度（即输出随输入线性变化）的限制，单级放大倍数不宜过大。
6.2音频控制器
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。
Fig.3音频控制器
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。
RP1、RP2不具有音调调节的功能。
Fig.4中频等效电路
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。
Fig.5低频提升电路
Fig.6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：
a.信号源的内阻不大。
b.用来实现音调控制的放大电路本身有足够高的开环增益。
c.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。
d.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=18K,C8=330pF
Fig.6音频控制器幅频特性曲线
6.3功率输出级
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、上升速率高，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。
电路中两二极管起稳压作用，保证运放正常工作，1Ω的电路起限流作用，避免频率过高时C15蜕化为导线引起的4端直接接地，22uF电容主要滤除20kHz以上的高频噪声，而0.22uF主要滤除600Hz一下的低频噪声。
而220uF与0.1uF的并联组合主要能够滤除低、中频宽频带的噪声。
而两电容并联的原因为，220uF的电容由于容值过大，高频时分布电感明显，易产生自激振荡，必须要有一个小电容消除自激。
而两电容的接入方式为对称地接入±12V与地（0V）之间。
功率级放大倍数主要由Fig.13中R13与R12的比值决定，即：
Fig.7TDA2030A外形图和常规外部接法
6.4总体电路的设计
由于电路分块明显，总体电路的设计思路为分级设计。
其中前置放大电路主要完成小信号的提升。
但同时考虑到增益带宽积和线性度的问题，因此前置放大采取两级放大达到指标。
而音频控制级需要完成高、低频时音调的调节，以及音量调节。
因此音调调节为使调节效果明显，则采取大范围可调的500k（>>51k）电位器，而音量调节需要明显的音量变化，因此采取10k的电位器。
此外，若需要波形进一步稳定，则可将10k电位器换成20k或稍高幅度的电位器。
最后一级为功率输出级，其主要完成大功率信号的进一步放大功能和滤除非需求频率，因此，如上7.3所述，电容的选取至关重要。
Fig.8系统总体电路
6.5仿真结果
Fig.9输入输出波形图
Fig.10前置放大级波形
其中ChannelA为输入级，电压分度为2mV/Div，ChannelB为第一级输出，分度为500mV/Div，时间分度均为200us/Div。
从此看出，第一级放大倍数满足实验要求约为100倍。
Fig.11音频控制器
其中途中两波形电压分度均为100mV/Div，时间分度同上，由此可看出第二级电路有略微的缩小，同样不偏离实验要求。
Fig.12输入输出波形图
从入中看出放大倍数约为200倍，基本满足实验要求。
7．功能说明（基本功能、扩展功能、主要测试数据、测试方法等）
7.1基本功能
7.1.1前置放大级测试
由设计搭建前置放大级电路，通过示波器观测波形，测得数据如下表所示：
f
Vi
Vo
理论值
1kHz
30mV
3.7V
3.0V
由此可知，输入中频信号时，前置放大级的放大倍数：
其中，由设计可知，前置放大级单级放大倍数的决定公式为：
综合来看，与实测值相符合，误差率
。
7.1.2音调控制级测试
a．低音提升、高音衰减测试
将
设置为最大提升，
设置为最大衰减。
输入电压0.5V。
b．低音衰减、高音提升测试
将
设置为最大衰减，
设置为最大提升。
输入电压0.5V。
由上可知，音调控制级高、中、低频均符合设计要求，满足音调控制功能，即两电位器分别调节高、低音。
7.1.3功率输出级测试
测试参数如下表：
ui（V）
uo（V）
Av
Po（W）
0.70
6.15
8
7.1.4总体功能测试及SCH/POC设计
a．最大输出功率为
，最大输出电压有效值为
;
b．负载阻抗为
；
c．音频控制级具有音调调节功能：
当输入信号为1kHz时，增益为
，输入为100kHz时，调节电位器使输出功率的变化范围为
；
d．输出功率连续可调，10k电位器可以实现音量的调节；
e．输入端短路时，输出噪声
；
f．3dB带宽的频带范围为
，即
；
g．输入短路时，输出噪声有效值为8.31mV，直流输出电压为39mV，静态电流为83mA；
h．设计该电路的原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）
Fig.13电路原理图（SCH）
7.2扩展功能
该实验的扩展功能为另设计一个扩音机电路，通过查找资料、咨询老师、独立思考，我们获得了如下的扩音机电路：
7.3主要测试方法
7.3.1单级放大倍数的测量
实验中需要测量音频控制级的放大倍数。
在测量时，需将前级和后级电路断开，并且注意把无关电路的直流供电去除，否则可能对芯片有极大的影响。
在测量音频控制级、功率输出级时，切忌与前级相连，因为在测量该级时，输入信号直接加在前级的输出端，极可能将上一级的运算放大器烧掉，对电路造成极大的损伤。
7.3.4其他方法辅助
在进行逐点测试时，一定要在异常点利用一些方法排除一些异常原因。
比如，晃动附近的元件，观察波形变化，判断是否元件接触不良；若有直流成分，需要反复检查是否直流通路连接错误，并且观察直流稳压源，判断是否电源带负载能力不够。
8.故障及问题分析
a．输出端直流成分过大
可能原因：
#1电容损坏导致容性丧失，#2直流地线没有统一，#3示波器没有接地，#4正负电压不对称，#5电路的设计缺陷；
解决方案（序号表示对相应可能原因的解决建议，下同）：
#1首先探测电容两端波形，若电容输入没有直流，而输出存在直流，则可以考虑更换电容，#2直流地线没有统一的解决方法是反复检查电路，#3实验应该有良好的习惯，进入实验室先检测各设备、探头是否均正常、接入仪器时，应先接入地线，#4观测直流源两端电压是否差异过大，并且通过交换正负电源接法排除电路连接问题，#5检查电路连接，必要时可采取软件仿真检查是否存在设计缺陷，对于芯片的连接，一定要查询元件手册，确认芯片管脚连接正确。
9．总结和结论
9.1实验总结
这次的实验，让我了解到很多东西。
第一，做事不要急于求成，要相信自己。
当我第一次完成实验的时候，虽然达到了指标，但是布线和电路的稳定性都很差。
也多亏这次实验中途电路发生了故障，不然我也很难下定决心重搭电路，也不会有现在这个效果不错的作品。
第二，耐心调试，细心分析。
我们当时一连调测了好几天，几乎从第一周的周三开始，一直到周五，白天黑夜全部泡在实验室里面调试。
但是问题都没能发现。
当时我有一种拿到中发去找人做的冲动。
不过最后幸亏我没有放弃对自己的信心，最终交给自己一个满意的答复。
最后，在这里还要特别感谢魏老师和赵老师，当时我几乎就是没头没脑地一个劲问问题，多亏了他们的耐心，才能发现一个一个的问题，解决一个一个的问题。
9.2实验结论
a．设计前置放大级时，需要考虑到实际的应用环境。
若所设计电路为选频收音机，则可以单级给予更大的放大倍数，而若是选通放大，则需要考虑其频带宽度的限制。
在考虑以上两个因素时，主要借助于增益带宽积和线性度来衡量；
b．设计音频控制级时，主要需要考虑调音的范围，以此来确定电位器的选取；
c．设计功率输出级时，一是要注意该级的输入为大功率信号，因此所用的模型应该在大功率区，所以需要增加滤波环节，避免自激产生，并且不能给予该级过大的增益，以免带宽减小的过激。
10．仪器元件
10.1所用仪器仪表
名称
用途
模拟万用表
测量电阻阻值、电压、电流等
数字万用表
测量电阻阻值、电压、电流等
双路输出直流稳压电源
提供直流稳压输出
实验箱
提供待测元件、电路
交流毫伏表
测量交流电压有效值
示波器
显示待测波形
函数信号发生器
产生稳定的函数信号
10.2所用元件
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
2.2K
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
10K/20k
1
电阻器
15K
1
二极管
IN4007
2
电解电容
220uF
2
运算放大器
LF353N
2
11．参考文献
北京邮电大学电路中心.2012.电子电路综合设计实验教程.北京：
北京邮电大学出版社
刘宝玲等.2008.通信电子电路.北京：
高等教育出版社
董在望，李冬梅，王志华.2006.高等模拟集成电路.北京：
清华大学出版社
谷树忠，侯丽华，姜航.2009.Protel2004实用教程.北京：
电子工业出版社
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