扩音器的设计-毕业设计

扩音器的设计

学生：XXX 指导老师：XXX

内容摘要：近几年来，计算机技术进入了前所未有的快速发展时期，随着电子信息技术的发展关于音响放大器在电子技术基础中所处的位置越来越重要，它不仅是电子信息专业的一个重要部分，而且在其他类专业工程中也是不可缺少的。放大器电路做为子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其现实生活中的运用也是非常普遍和广泛。扩音机电路是把微弱的声音信号放大成能推导尿管扬声器的大功率信号，主要由运算放大器和集成音频功率放大器构成。电路结构分为前置放大，音频控制，功率放大三部分。前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗攻，输出阻抗低，频带宽，噪音要小，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大。

关键字：扩音器功率放大器音频控制

The design of the amplifier

Abstract:In recent years, computer technology into an unprecedented period of rapid development, the development of electronic information technology for the audio amplifier an increasingly important location in the electronic technology, it is not only an important part of the Electronic Information andin other types of professional engineering is also indispensable. The amplifier circuit as a subsystem of the application, to develop more rapidly and has become indispensable to the core components of a new generation of electronic devices, their use in real life is also very common and widespread. The amplifier circuit is weak voice signal amplification can push the catheter speaker's high-power signal is mainly composed of operational amplifiers and integrated audio power amplifier. The circuit structure is divided into pre-amplification, audio controls, power amplifier parts. The preamp to complete small-signal amplification, and general requirements for the input impedance of the attack, low output impedance, wide band, noise, the audio control to achieve the input signal, bass enhancement and attenuation; power amplifier determines the overall output power

Keywords: amplifier power amplifier tone control

目录

前言 (1)

1 概述 (2)

2 总体设计方案 (2)

2.1 前置放大器 (2)

2.2 音调控制电路 (3)

2.3 功率放大器 (8)

3 设计原理分析 (9)

4 扩音器的调试 (10)

5 结束语 (12)

参考文献 (13)

扩音器设计

前言

设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度≤5mV，负载电阻等于8Ω的

条件下，音频功率放大器满足如下要求：

■最大输出不失真功率P OM≥8W。

■功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz。

■在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。

■输入阻抗R i≥100kΩ。

■具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz处有±12dB 的调节范围。

1 总体设计方案

该音频功率放大器可由图1-1所示框图实现。下面主要介绍各部分电路的特点及要求。

图1-1 音频功率放大器组成框图

2.1 前置放大器

音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带

放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。

对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。

2.2 音调控制电路

音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信号，达到控制音调的目的。音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。下面分析负反馈型音调控制电路的工作原理。

负反馈式音调控制器的工作原理：

由于集成运算放大器具有电压增益高、输入阻抗高等优点，用它制作的音调控制电路具有电路结构简单、工作稳定等优点，典型的电路结构如图2-1所示。其中电位器Rp1是高音调节电位器，Rp2是低音调节电位器，电容C是音频信号输入耦合电容，电容C1、C2是低音提升和衰减电容，一般选择C1=C2，电容C3起到高音提升和衰减作用，要求C3的

值远远小于C1。电路中各元件一般要满足的关系为：Rp1=Rp2，R1=R2=R3，C1=C2，Rp1=9R1。

低音

高音

R1R2

图2.2-1 负反馈式音调控制电路图

在电路图2.2-1中，对于低音信号来说，由于C3的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器Rp1在任何位置对低音都不会影响。当低音调节电位器Rp2滑动端调到最左端

时，C

1被短路，此时电路图2.2-1可简化为图2.2-2。由于电容C

2

对于低音信号容抗大，

所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。图2.2-2电路的频率响应分析如下：

dB

10

20

2

L

1L

Rp2

图2.2-2 低音提升等效电路图图2.2-3 低音提升等效电路图

上图所示的电压放大倍数表达式为：

1

2

2

2

2

2

1

2

.

/)

1

(R

R

C

j

R

C

j

R

Z

Z

A

P

P

Vf

+

+

-

=

-

=

ω

ω

。化简后

得：

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

.

1

1

P

P

P

P

Vf R

C

j

R

R

R

R

C

j

R

R

R

A

?

+

+

?

+

?

+

-

=

ω

ω

，所以该电路的转折频率为：

2

2

12

1

C

R

f

P

L?

=

π

，

2

2

2

2

2

22

1

)

//

(

2

1

C

R

C

R

R

f

P

Lπ

π

≈

=。可见当频率0

→

f时，

1

2

2

.

R

R

R

A P

Vf

+

→；当频率∞

→

f

时，11

2

.

=→

R R A Vf 。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R 2与R 1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为122)(R R R P +。低音提升等效电路的幅频响应特性的波特图如图2.2-3所示。

同样当R p2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图2.2-4所示。由于电容C1对输入音频信号的低音信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路可实现低音衰减。图2.2-4电路的频率响应分析如下：

该电路的电压放大倍数表达式为：

1

121

22122112.

)//(11//)1(C R R j C R j R R R R C j R R A P P P P Vf ωωω++?

+-=+-

=，其转折频率为： 12'

1

21C R f

P L π= ，112'

221)//(21R R R f P L ππ≈

= 。可见当频率0→f 时，2

12.P Vf R R R A +→；当频率∞→f 时，11

2

.

=→

R R A Vf 。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R 2与R 1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为)(212P R R R +。低音衰减等效电路的幅频响应特性的波特图如图2.2-5所示。

在电路给定的参数下，'11L L f f =，'22L L f f = 。

-10

-20''

图2.2-4 低音衰减等效电路图 图2.2-5 低音衰减等效电路幅频响应波特图

同理，图2.2-1和图2.2-2电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器Rp1，即可实现对高音信号的提升或衰减。图2.2-6就是工作在高音信号下的简化电路图。为了便于分析，将图 中的R1、R2、R3组成的Y 型网络

转换成连接方式，如图 2.2-7。其中23131R R R R R R a ?+

+=，1

3232R R

R R R R b ?++=，3

2

121R R R R R R c ?+

+=。在假设条件R 1=R 2=R 3的条件下，R a =R b =R c =3R 1。

高音

高音

图2.2-6 高音等效简化电路 图2.2-7 高音等效简化电路

如果音调放大器的输入信号是采用的内阻极小的电压源，那么通过R c 支路的反馈电流将被低内阻的信号源所旁路，R c 的反馈作用将忽略不计（R c 可看成开路）。当高音调节电位器滑动到最左端时，高音提升的等效电路如图2.2-8所示。此时，该电路的电压放大倍数表达式为：[]4

34343.

1()(1//)1(R C j R R R C j R R R C j R A a a b

a b Vf ωωω+++=+=

，其转折频率为：)(21431

a H R R C f +=

π，43221R C f H π=。当频率0→f 时，1.=→a

b Vf R R A ；当频率∞→f 时，4

4.

R R R A a

Vf +→

。从定性的角度上看，对于中、低音区域信号，放大器的增益等于1；对于高音区域的信号，放大器的增益可以提升，最大增益为4

4R R R a

+。高音提升电路的幅频响应曲线的波特图如图2.2-9所示。

1020

2

H 1H

图2.2-8 高音提升等效电路 图2.2-9 高音提升等效电路的幅频响应波特图

当Rp1电位器滑动到最右端时，高音频信号可以得到衰减，高音衰减的等效电路如图

2.2-10所示。

-10

Rb

Ra

''

图2.2-10 高音衰减等效电路 图2.2-11 高音衰减等效电路的幅频响应波特图

该电路的电压放大倍数表达式为： )

(11//)1

(434

334.

b a

c a b

Vf R R C j R C j R R R R C j R A +++?

=+

=

ωωω。其转折频率为： )(2143'

1

b H R R C f

+=

π，43'

221R C f H π=。当频率0→f 时，1.=→a b Vf R R A ；当频率∞→f 时，b

Vf R R R A +→

44

.

。可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。该电路的

幅频响应曲线的波特图如图2.2-11所示。在电路给定的参数下，'11H H f f =，'

22H H f f

= 。

（2）音调控制器的幅频特性曲线

综上所述，负反馈式音调控制器的完整的幅频特性曲线的波特图如2.2-12所示。根据设计要求的放大倍数和各点的转折频率大小，即可确定出音调控制器电路的电阻、电容大小。

1020f

图2.2-12 音调控制电路的幅频响应波特图

2.3 功率放大器

功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应和效率。目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好，功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。

采用集成功放设计功率放大器不仅设计简单，工作稳定，而且组装、调试方便，成本低廉，所以本设计选用集成功放实现。目前常用的集成功放型号非常多，本设计选取SGS 公司生产的TDA2030/2030A集成功放，该器件具有输出功率大、谐波失真小、内部设有过热保护，外围电路简单，可以作OTL使用，也可作OCL使用。

相输入相

输

入

输

出

端

图2.3-1 TDA2030管脚图图2.3-2 TDA2030组成的OCL功率放大器电路

由TDA2030/2030A构成的OCL功率放大器电路如图2.3-2所示。该电路由TDA2030组成的负反馈电路，其交流电压放大倍数33倍，满足设计要求。二极管D1、D2起保护作用，一是限制输入信号过大，二是防止电源极性接反。R4、C2组成输出相移校正网络，使负载接近纯电阻。电容C1是输入耦合电容，其大小决定功率放大器的下限频率。电容C3、C6是低频旁路电容，电容C5、C4是高频旁路电容。电位器R P是音量调节电位器。

3、设计原理分析

扩音器的原理就是把接收进来的信号.经过电子元件的组合.把信号放大.，经过功力晶体再把放大的信号.透过扬声器放出声音.其动作原理是把电气讯号转换为声音讯号的

转换器。扬声器为电子产品之声音输出端的重要零组件，其应用范围广泛，可装置於各型耳机或头机内，如随身听、音响、无线电通讯、多媒体电脑、录音工程或电子字典，用来收听声音与音乐，也可装置於电话自动拨话器，用来打电话。

■惮性支座,惮性支座是连接振动膜与支架的部分。它由弹性物料造成，一方面固定振动膜，另一方面容许振动膜有轻微振动。

■支架,支架由金属造成，作用是支撑起振膜，线圏等软弱的部分。

■振动膜,振动膜一般是由纸，塑料或金属所制造的，线圈与振动膜相连，当线圏振动时便会带动振动膜一起振动时，然后推动了周围的空气。振动的空气，变成声音。

■永久磁石磁石分为南北两极，南北两极的存在便会在该位置造成一个永久的磁场。在这磁场内，同极会相拒，异极会相吸。

■线圈,一条导电的金属线围绕成线圏后，一经通电便会造成电磁场，电磁场和磁石造成的磁场大致相同。但电磁场石是暂时性的，而且当电流的方向改变时，磁场的方向亦会改变。

■在音箱中的永久磁石造成一道永久磁场，电流流过线圏时，线圏的电磁场或会和永久磁场相吸，又或会和永久磁场相拒。当电流方向改变时，磁场方向亦会对换。相吸的变成相拒，相拒的变成相吸。即每次电流方向改变时，线圏都会振动一下。

■高低音的分别在於，空气每秘振动的次数，即频率。如现在要播放 C 调 (频率为 256 Hz，即每秒振动256次)，唱机就会输出256 Hz的交流电，换句话说，在一秒钟内电流的方向会改变 256 次。每一次电流改变方向时，电磁铁上的线圈所产生的磁场方向也会随著改变。线圈的磁极不停地改变，与永久磁铁一时相吸，一时相拒，产生了每秒钟 256次的振动。

■中心盘,中心盘由环状弹性物料造成。它的所用是在上下左右平面上固定线圈，但又需让线圏可以前后振动。所以它被设计成风琴形，在平面上有如弹簧，给线圏一定压力。在线圏前后移动时，它又可向前后稍微伸展，不防碍线圏振动。

■防尘盖,盖著线圏的中心，防止尘粒掉入。

■电线,电线与线圏相连，红黑两线的正负极不断交替更换，改变线圏的磁场，线圏前后移动带动振动膜振动，产生声音。

■音箱,音箱有多个作用。首先，它可把扬声器内的各部分固定及保护防止它们移位。第二，音箱可吸收扬声器的振动，如我们把扬声器的主体放在桌上，桌子会和扬声器

一起振动，吸去扬声器的声音。第三，当振动膜在振动时，它不单振动前方的空气，振动膜后方的空气亦会同时被振动。音箱内的声波会由反射管道发方出外，倍大声音。

■反射管道,音箱内的声波会由这里向外反射，倍大声音。

■控制电路板,我们在家中所用的交流电的频率是50Hz的，即每秘钟转换五十次。在播放声音时，我们需要不停的把频率变化。控制电路板的角色便是读取所需的频率，然后控制输出交流电的频率。造出不同的音效。

■可变电阻,当你改变扬声器声音的大小时就是在调节电路内的电阻，电阻上升时，电流会减弱，导至线圏的振动减弱。相反当你把调低时，电流会增加，线圏的振动增强，声音便会加大。当讯号由讯号源（如DVD拨放机读取光碟片讯号）经过扩大机放大电流（真空管扩大机则是放大电压），来到喇叭的音圈，依右手安培定理导线通过电流周围则产生磁场，当音圈通过电流，产生磁场时，与喇叭的磁铁的固定磁场，产生同性相斥，异性相吸，产生震动。音圈的音圈管连接胴体，胴体则依佛莱明左手定理产生运动，胴体震动空气发出声音，胴体越大频率则可以越低。

4 扩音器的调试

■在安装电子电路前，应仔细查阅电路所使用的集成电路的管脚排列图及使用注意事项，同时测量电子元件的好坏。

■画出每个单元电路的电路原理图和连线图；画出整个电子系统的原理图。

■前置放大器调试。安装电路时注意电解电容的极性不要接反，电源电压的极性不要接反。同时不加入交流信号时，用万用表测量每级放大器的静态输出值；然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象，同时测量前置放大器的噪声输出大小。加入幅值5mV、频率1000Hz的交流正弦波信号（注意5mV信号可以通过一个10kΩ和100Ω组成的衰减网络得到），测量前置放大器的输出大小，验证前置放大器的电压放大倍数。改变输入正弦波信号的频率，测试前置放大器的频带宽度。

■音调控制器调试。（1）首先进行静态测试，方法同上。（2）中频特性测试。将一频率等于1kHz、幅值等于1V的正弦信号输入到音调控制器输入端，测量音调控制器的输出。（3）低音提升和衰减特性测试。将电位器R P1滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从20Hz~1kHz连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，画出其幅频响应特性曲线。（4）高音提升和衰减特性测试。将电位器R P2滑动端分别置于最左端和最右端时，频率从2kHz~30kHz连续变化（输入信号幅值保持不变），记下对应输出的电压值，

画出其幅频响应特性曲线。（5）最后画出音调特性曲线，并验证是否满足设计要求并修改。

■功率放大器测试：（1）通电观察。接通电源后，先不要急于测试，首先观察功放电路是否有冒烟、发烫等现象。若有，应迅速切断电源，重新检查电路，排除故障。（2）静态测试。将功率放大器的输入信号接地，测量输出端对地的电位应为0V左右，电源提供的静态电流一般为几十mA左右。若不符合要求，应仔细检查外围元件及接线是否有误；若无误，可考虑更换集成功放器件。（3）动态测试。在功率放大器的输出端接额定负载电阻R L(代替扬声器)条件下，功率放大器输入端加入频率等于1kHz的正弦波信号，调节输入信号的大小，观察输出信号的波形。若输出波形变粗或带有毛刺，则说明电路发生自激振荡，应尝试改变外接电路的分布参数，直至自激振荡消除。然后逐渐增大输入电压，观察测量输出电压的失真及幅值，计算输出最大不失真功率。改变输入信号的频率，测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满足设计要求。

■整机联调。将每个单元电路互相级联，进行系统调试。（1）最大不失真功率测量。将频率等于1kHz，幅值等于5mV的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端，观察其输出端的波形有无自激振荡和失真，测量输出最大不失真电压幅度，计算最大不失真输出功率。（2）音频功率放大器频率响应测量。将音调调节电位器R P1、R P2调在中间位置，输入信号保持5mV不变，改变输入信号的频率，测量音频功率放大器的上、下限频率。（3）音频功率放大器噪声电压测量。将音频功率放大器的输入电压接地，音量电位器调节到最大值，用示波器观测输出负载R L上的电压波形，并测量其大小。

5 结束语

单片微型计算机在我国的应用正以预想不到的速度迅猛发展，近几年，它已在我国人民的生活和生产中的各个领域得到了卓有成效的应用，成为实现我国科技现代化的重要工具。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我觉得课程设计就是良好的实践平台。在这次课设过程中，需要查阅大量资料，一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，无法升级为设计。通过这些天的设计，使我深深的感受到了，理论联系实际的必要性及其重要性，在我们以往的学习过程中，我们刻意地去加强理论的基础，对于一个程序我们只求它在运行时没有出错，我们便以为我们的计划成功了，岂不知它能否在硬件结构中得以实现则是另外一回事，这就要求我们的动手能力了，如果无法使软件与

硬件实现有机的结合，那么再好的程序也只是一堆废字符。

在课设期间，在老师的教导下，在同学的帮助下，通过不断学习理论知识和参与实践，感觉自己的综合素质在很大程度上得到了提升，努力将自己塑造成为一个专业功底扎实、知识结构完善、适应能力强的合格大学生。我所学的专业是计算机科学与技术，我认为对于任何一名计算机相关专业的学生来说，光学好书本上的知识是远远不够的，学习是学生的天职，同样，它需要智慧，毅力和恒心，尤其是在当今这个快速发展的信息时代，更要求我们不断汲取新知识，学以致用，理论联系实际。这次课设，不仅让我们大开眼界，也是对以前所学知识的一个初审，从这次实习中，进一步巩固和深化了所学的理论知识，弥补了单一理论教学的不足，并为后续专业课学习和毕业设计打下了坚实的基础。

对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进。通过这次实习，加深了大家对本专业的了解及信心，可以提高我们的自身竞争力，让我们在未来社会中站稳脚尖。

参考文献：

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