模电扩音机的设计.docx

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模电扩音机的设计

新疆大学

电子课程设计报告

所属院系：

电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

课程名称：

模拟电子技术基础

设计题目：

扩音机的设计

班级：

学生姓名：

学生学号：

指导老师:

完成日期：

2010年7月8日

课程设计题目：

扩音机的设计

一.课程设计内容

1.熟悉音响放大器的基本组成，电路的工作原理，设计并画出系统电路原理图。

2.音响放大器的设计分为三个模块：

前置放大模块（采用集成运放设计）和音调

控制模块（采用集成运放设计），功率放大模块（采用集成功放）。

3.测试整机的有关参数，并写出实训报告。

二.主要技术指标

（1）由话筒输入信号，电压幅度1~20mV；输入频率50HZ~5kHZ；

（2）负载阻抗RL=8Ω，电源电压VCC=+12V、+16V；

（3）最大输出功率14W；

（4）频率响应fL=55Hz，fH=80kHz；

（5）失真系数γ<3%；

（6）音调控制特性1kHz处增益为0dB、18Hz和14.6kHz处有±12dB的调节

范围，AVL=AVH≥20dB。

指导教师评语：

评定成绩为：

指导教师签名：

年月日

一.总体方案的选择

1.原理图：

2.设计原理

语音放大器实际上是典型的多级小信号放大电路，在小信号放大电路中，一般话筒送来的直流或低频信号，经放大后多用单端输出，一般情况下，有用信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，而共模噪声可能高到几伏，故放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要。

前置放大器主要完成对小信号的放大，一般要求是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。

音调控制器是一种选频电路，它是一种能使中频频率信号通过，同时能够增大或衰减低频和高频信号的装置。

功率放大器的主要作用是向负载提供功率，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。

二.单元电路的设计

1.前置放大器的设计

由于话筒提供的信号非常微弱，一般在音调控制器前面应加一个前置放大器。

前置放大电路可以采用两级负反馈放大器的差分放大电路，也可以用集成运放构成的测量小信号放大电路等；该前置放大器的下限频率要低于音调控制器的低音转折频率，上限频率要高于音调控制器的高音转折频率。

考虑到设计电路对于频率响应及零输入（即输入端短路）时的噪音、电流、电压的要求，前置放大器用集成运算放大器LM324。

前置放大电路由一个同向放大器和一个反向放大器组成，具有输入阻抗高、电压增益容易调节、输出不包含共模信号等优点。

为了使输入的话筒信号最大可能的不失真，采用两极电阻来平衡输入电压，如下图所示：

各电路元件及电路参数：

①U1A为同相比例放大电路，且取R14=40kΩ，R13=10kΩ，Au1=1+R14/R13=5；

②U2A为反相比例放大电路，且取R18=50kΩ,R15=10kΩ,Au2=R18/R15=5；

耦合电容C11与C12取10uF，C13取10uF，以保证扩声电路的低频响应良好。

Au=Au1*Au2=5*5=25；

其他元件的参数选择是：

R11=R12=R16=R17=10kΩ，直流电源为±12V。

2.音调控制器的设计

音调控制器的功能主要是根据设计需要按一定的规律控制和调节音频放大器的频率响应，以更好地满足人耳的听觉特性。

一般音调控制器只对低音和高音信号的增益进行提升或衰减，而中音信号增益不变。

音调控制器的电路结构有多种形式，常用的典型电路结构如图所示：

经过前置放大器的信号通过耦合电容C20耦合到音调控制电路，实现高低频率的补偿。

音调控制电路采取RC网络反馈，集成运算放大器U3A构成反响放大电路。

其中Rp1,R21,R22,R23,C21,C22构成低频反馈量调节网络；另一部分是由Rp2,R24,C23构成的高频段反馈量调节网络。

由运放的“虚短”和“虚断”的特点，这两个反馈网络部分是独立作用，互不干扰的。

当电路的频率很低时，C23=500pF近似开路,此时的增益为A=（R（p1）+R22）／R21,Rp1电位器中心抽头与两端间有旁路电容C21、C22中高频信号，因此只对低频信号起作用，Rp1中心移动时，中高频的反馈量不变，放大倍数A=1。

同理,调节当频率升高时,C23的容抗减小，C23近似短路，Rp2只对高频信号起作用，Rp2的中心抽头移动会改变反馈系数，即起到提升（左移）或衰减（右移）的作用。

该电路可拆分为以下电路：

中低频等效电路：

低频等效电路：

中高音调等效电路：

参数：

Rp1、Rp2（0～470kΩ）,R21=R22=47kΩ,R23=17kΩ,耦合电容C20=100nF,旁路电容C21=C22=0.01uF,R24=13kΩ,R25=kΩ,R26=10kΩ;运算放大器为LM324.电路直流电压源+12V。

3.功率放大器

功率输出级的电路结构有多种形式，选择由分立元件组成的功率放大器或单片集成功率放大器均可。

为了巩固在电子线路课程中所学的理论知识，这里选用典型的双电源供电工作在乙类状态下的OCL互补对称功放电路；功率管为常用集成功率管TDA2030；功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。

他一般直接驱动负载，带负载能力强,，其主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。

综合以上条件考虑，其电路原理如图所示：

由前两级控制电路提供给功率运算放大器频率的范围为20～18kHZ,通过耦合电容C31的滤波，为了提高语音的音质，应该减少输出阻抗，即可在扬声器的两端并联一个1Ω电阻和一个0.1μf的电容串联电路，另外，在直流电压电路中，可并上两个电容，形成去耦电路，以减少引入运放而产生的干扰。

该功率放大器的电压增益Av3=1+R33/R32=4

参数：

耦合电容C31=10uF，C32=100uF,C32=100nF,C34=0.1uF;

R31=R32=10kohm,R33=30kohm,R1=1ohm,Ro=8ohm,电位器Rp（0～10kohm）；直流稳压电源+16V。

三.总体电路

将三级控制放大电路连接在一起后就组成了总体语音放大电路，总体电路图如下：

参数：

输出的最大功率为Pom=14w。

总的放大增益Av≈Av1×Av2×Av3=5×5×4=100。

四.仿真调试

先对各级放大控制电路进行调试，测量出各级电路的电路参数；最后对总体电路进行调试，测出该电路的总体参数。

1前置级的调试：

当无输入交流信号时，用万用表分别测量LM324的输出电位，正常时应在０Ｖ附近。

若输出端直流电位为电源电压值时，则运算放大器可能已坏或工作在开环状态。

输入端加入ｕｉ＝10ｍＶ,ｆ＝１kＨｚ的交流信号，用示波器观察有无输出波形。

如有自激振荡，应首先消除；当工作正常后，用交流毫伏表测量放大器的输出电压，并求其电压放大倍数。

输入信号幅值保持不变，改变其频率，测量幅频特性，并画幅频特性曲线。

幅频特性曲线：

输入输出波形图如下：

输入电压Ui波形图输出电压Uo波形图

测量数据如下：

输入信号：

Uid≤10mV；

测量输入电流和电压，则输入阻抗：

Ri≥5KΩ；

电压增益Av=Uo/Ui=249.855mV/10mV≈25；

共模抑制比：

KCMR≥30dB。

2音调控制器的调试

先对其进行静态测试；

后进行动态调试：

用低频信号发生器在音调控制器输入端输入3００ｍＶ、1kHZ的正弦信号，保持幅度不变；①将低音控制电位器调到最大提升（最右端），同时将高音控制电位器调到最大衰减（最左端），分别测量器幅频特性曲线；②然后将两个电位器的位置调到相反状态，重新测量其幅频特性曲线。

若不符合要求，应检查电路的连接、元器件值、输入输出耦合电容是否正确和完好，纠正错误或排除故障，重新调试，直到符合设计要求为止。

幅频特性曲线：

低频特性高频特性

1.观察得音调控制范围：

低音18HZ：

+12dB；高音14.6kHZ：

+12dB

所以带通频率范围是：

12HZ-14.6kHZ.

2.用万用表测得输入阻抗Ri>60kΩ.

3功率放大器的调试

静态调试：

首先将输入电容Ｃ31输入端对地短路，然后接通直流电源，用万用表测试Ｕｏ，调节电位器Ｒp3使输出端电位近似为零。

动态调试：

在输入端接入400ｍＶ、１kＨｚ的正弦信号，将Rp3调为100%，

用示波器观察输出波形的失真情况，并逐渐加大输入电压幅值直至输出电压

的波形出现临界削波时，测量此时RL两端输出电压的最大值

或有效值

临界削波时的输出电压波形:

测得数据如下：

Uo=14.364/√2=10.16V,最大输出功率为Pom=Uo^2/RL=14W

说明：

理想情况下Po=Ucc^2/RL=16^2/（2*8）=16W

所以计算得效率：

n=Pom/Po×100%=14/16×100%=87.5%

电压增益Av=Uo/Ui≈4

4整机调试：

将三级放大控制电路连接起来后，在输入端连接一话筒。

此时，调节音量控制电位器Ｒp3，应能改变音量的大小；调节高、低音控制电位器，应能明显听出高、低音调的变化；敲击电路板应无声音间断和自激现象。

（1））输入Ui为一定值的正弦信号，改变频率f的幅值，用示波器观察输出电压幅值的变化情况，记录Uo下降到0.707Uo之内的频率的范围，测得fL=55HZ、fH=80kHZ

（2）将Rp3调为100%，计算总的电压放大增益Au=Uo/Ui=998.738mV/10mV=100。

另:

最大不失真输出功率（额定功率）：

POM=14W；负载阻抗：

RL=8Ω；电源电压：

+16V和+12V。

五.体会心得

这次课程设计是我对模拟电子技术这门学科有了进一步的认识，将所学的知识应用在具体时间中，而不只是单纯的学习其理论知识，还应该做到理论与实际相结合!

在设计电路原理图时，我感觉到自己的知识确实不够用，真正体会到了“书到用时方恨晚”的道理，于是就从图书馆借了一些参考资料，进行研究，参照书上的电路图慢慢摸索，在大概领会其要领后设计了一份电路图。

同时也和做同样设计的同学交流了一下。

在交流中，我有了新的感悟。

设计完后我有仔细看了几遍电路图，发现还有很多方面自己还没有考虑到，例如各个元器件值如何选取。

在进行仿真调试时，我熟悉了软件的操作（特别是EWB的熟练操作），了解了一些设计方法和步骤，更加深刻理解了一些基本概念。

在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，同时仿真软件也方便了验证自己的设想。

能够完满的完成，也是对我的耐心的一次磨练；由于自己的知识不足，以后应该增强对知识的学习。

六.各元器件清单

位置编号

名称

型号

规格

数量

备注

R11R12R13R15

R16R17R25R26R32

电阻

10kΩ

9个

25˚C

R15

电阻

40kΩ

1个

25˚C

R18

电阻

50kΩ

1个

25˚C

R21R22

电阻

47kΩ

2个

25˚C

R23

电阻

17kΩ

1个

25˚C

R24

电阻

13kΩ

1个

25˚C

R31

电阻

20kΩ

1个

25˚C

R33

电阻

30kΩ

1个

25˚C

R34

电阻

1Ω

1个

25˚C

RL

扬声器

14W8Ω

1个

25˚C

话筒

1个

25˚C

Rp1Rp2

电位器

470kΩ

2个

调节放大倍数

Rp3

电位器

10kΩ

1个

调节音量

C11C12C13C31

电容

10uF

4个

25˚C

C20

电容

100nF

1个

25˚C

C21C22

电容

0.1uF

2个

25˚C

C23

电容

500pF

1个

25˚C

C32

电容

100uF

1个

25˚C

C33

电容

100nF

1个

25˚C

C34

电容

0.1uF

1个

25˚C

U1U2U3

集成运算放大器

LM324

3个

25˚C

U4

功率放大器

TDA2030

1个

七.参考文献

1.童雅月主编李书旗副主编《电子技术基础实验》（上册）——模拟电子技术及其EDA机械工业出版社2004

2.康华光主编《电子技术基础（模拟部分）》高等教育出版社2009

3.林春方主编《电子线路学习指导与实训》电子工业出版社2003