扩音机课程设计

模拟电子技术课程设计说明书

扩音机

系、部：电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：贾雅琼职称讲师

专业：自动化

班级：自本1004班

完成时间：2010年6月10日

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，它不仅是电子信息类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。

扩音机的通常作用是把从话筒等音频设备输出的微弱的信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号，故主要用到运算放大器和功率放大器。因此由前置放大器、音调控制器、功率放大器这几个部分组成。

前置放大器对输入信号进行适当的放大,放大后的信号送入音调网络, 最后送入功率放大级进行功率放大后的信号送入扬声器,在扬声器上得到了放大后的音调信号。

关键词：计算机；电子信息技术；扩音机；前置放大；音调控制器；功率放大器

ABSTRACT

In recent years, computer technology has entered the rapid development period of hitherto unknown, with the development of electronic information technology in electronic technology based on audio amplifier in the increasingly important position, it is not only the specialties of electronic information is an important part, but also in other types of professional engineering is necessary.

The purpose is to change the megaphone usually from microphone audio devices such as the weak signal output enlarged speaker of the high power can promote the voice signal,it mainly use the operational amplifiers and power amplifier.So by preamplifier、tone controller、power amplifier this several parts.

The preamplifier of the input signal to the appropriate amplifier, enlarge after the signal into tones network, finally into power amplifier level power amplifier after the signal into the speaker, the speaker has been amplified the tones of the signal.

Key words:The computer; Electronic information technology; Megaphone; Preamplifier; Tone controller; Power amplifier

目录

一、设计任务与要求 (1)

二、设计原理分析 (2)

2.1 扩音机原理 (2)

2.2 LM353芯片介绍 (3)

三、设计过程 (4)

3.1 前置放大器 (4)

3.2 音调控制电路 (6)

3.3功率放大器 (11)

四、扩音器的调试 (13)

五、结束语 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

附录Ⅰ (18)

附录Ⅱ (19)

附录Ⅲ (20)

附录Ⅳ (21)

一、设计任务与要求

1.设计目的

(1)熟悉集成功放的基本特点掌握集成功率放大器的工作原理及使用方法

(2)学习扩音机电路的测量的方法，测试给项指标

(3)掌握扩音机的设计\组装与调试方法

(4)提高独立设计电路和验证实验的能力

2. 设计任务

1)设计扩音机要求

(1)

(2)

(3)输入电阻

(4)频率范围为20Hz-20KHz

(5)音调控制范围：低音为

(6)

2)组装调试扩音机

3)画出扩音机的完整电路

4)仿真调试

二、设计原理分析

2.1扩音机原理

扩音设备的通常作用是把从话筒等音频设备输出的微弱的信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号，故主要用到运算放大器和功率放大器。因此由前置放大器、音调控制器、功率放大器这几个部分组成，图2.1所示。

图2.1扩音机的组成框图

扩音机是多级放大电路，前置放大器对输入信号进行适当的放大,放大后的信号送入音调网络,信号经过音调网络,然后再输入功率放大中放大，放大后再经扬声器输出。

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。我们设计的是Pomax=3W，Rl=8，所以Uo=5V，要使输入为5mV的信号放大到输出的5V，所需的总放大倍数为1000倍。

扩音机中各级增益的分配为：前置放大放大100倍，音调调控放大1倍，功率放大级放大10倍，总体放大1000倍。

2.2 LF353芯片介绍

图2.2LF383芯片图

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。其输入

，转换速率为阻抗达到104MΩ,输入偏置电流极为50X10-12A,单位增益频率为4MH

Z

13V/us。

如图2.2所示它有8个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“VCC”、“VEE”为正、负电源端，“OUT”为输出端。两个信号输入端中，IN（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；IN（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

三、设计过程

根据设计课题的要求和原理分析，该音频功率放大器电路可以分为3级:

前置放大；音调控制；功率放大。使输入的5mV的信号放大到输出的5V，要经过放大1000倍才能实现，所以设计各级的放大倍数为前置放大放大100倍，输出的为500mV的信号；经音调控制放大1倍，输出的还是500mV的信号；再经功率放大放大10倍，输出的就为5V的信号。

最后的负载扬声器额定功率为3W，阻值为8欧姆，但实际电路中会有损耗，因此最后输出的功率不会达到3W。

下面主要介绍各部分电路。

3.1 前置放大器

由于话筒提供的信号非常弱，所以需要加一级前置放大器，主要是完成对小信号无失真的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带宽，噪声小，使得电路具有很强的带负载能力，能够驱动后级的电路。

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。

由于话筒提供的信号非常弱，一般在音调控制器前面加一个前置放大器。其要求有选择低噪声、低漂移的集成运算放大器，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。考虑到这些要求，前置放大器选用集成运算放大器LF353，LF353在前面已有了介绍，如图2.2所示。

前置放大电路可由一个LF353芯片组成两级放大电路。为满足将设计要求需在第一级将信号放大100倍，即

Av1=1+R3/R2=10 (3-1-1)

Av2=1+R6/R5=10 (3-1-2) 可取R3=R6=90Ω ,R2=R5=10Ω，以满足放大要求，为了将高频的噪音滤除掉，防止噪音进入放大电路的第一级被放大，对输出结果产生影响, 利用RC并联电路特性的阻抗，在R3的基础上再并上一个100pF的小电容C3.耦合电容C1与C2取10μF，可以较好的滤除两级放大之间所产生的噪音.C4,C11取100μf，以保证扩音电路的低频响应。其中在负反馈端R5上并联了的大电容C4，还可以使电路对低频信号有一个更好的放大作用，输出较好的信号质量。

前置放大的电路如图3.1所示：

图3.1前置放大电路

前置放大电路的效果可由示波器检测出来，输入5mV的信号，输出500mV 的信号，其示波器的结果如图3.2所示：

图3.2前置放大电路的输出结果

3.2 音调控制电路

音调控制器是通过电阻电容网络的选频作用来实现音调控制的。输入信号分成两路送到放大器的输入端，一路对低频信号具有选择和调节作用，用大电容，另一路对高频信号具有选择和调节作用，用小电容, 实现对输入信号高、低音的提升和衰减。

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。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。

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。所以我们使用负反馈型音调控制电路。

典型的电路结构如图3.3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

R1R2 Array高音

图3.3负反馈式音调控制电路图

如图3.3所示的电路，当该电路工作时，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，C1被短路，此时电路图3.3可简化为图3.4。由于电容C2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3.4低音提升等效电路图

由图3.4可见：

当频率0→f 时:

1

22.R R R A P Vf +→ （3-2-1） 当频率∞→f 时: 11

2.=→R R A Vf （3-2-2） 从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为(Rp2+R2)/R1。

同样当Rp2的滑动端调到最右端时，电容C2被短路，其等效电路如图3.5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3.5低音衰减等效电路图

由图3.5可见：

当频率0→f 时： 212.P Vf R R R A +→

（3-2-3） 当频率∞→f 时： 11

2.=→R R A Vf （3-2-4） 从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到衰减，最小增益为R2/(R1+Rp2)。

同理，图3.3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，可化简为图3.6。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3.6高音等效简化电路（1）

为了便于分析，将图3.6中的R1、R2、R3组成的Y 型网络转换成△连接方式，如图3.7所示。

图3.7高音等效简化电路（2）

联系到实际中： R1=R2=R3 （3-2-5）

可得：

R a =R b =R c =3R1 （3-2-6）

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3.8所示。

图3.8高音提升等效电路

由图3.8可见：

当频率0→f 时： 1.=→

a

b Vf R R A （3-2-7）

当频率∞→f 时： 4

4.R R R A a Vf +→ （3-2-8） 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 +。 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3.9所示。

图3.9高音衰减等效电路

由图3.9可见：

当频率0→f 时：

1.=→a

b Vf R R A （3-2-9） 当频率∞→f 时：

b

Vf R R R A +→44. （3-2-10） 可见该电路对于高音频信号起到衰减作用。

音调控制电路图如图3.10所示

图3.10音调控制电路

3.3功率放大器

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。

功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率，所以选用集成运放与晶体管组成的功放。

如图3.11所示,其中,运放为驱动级,晶体管Q1—Q4组成的复合式晶体管互补对称电路三级管。Q1,Q3为相同类型的NPN管 ,所组成的复合管仍为NPN型Q2,Q4为不同类型的晶体管,所组成的复合管为PNP型。

为减小静态功耗和克服交越失真,静态时Q1,Q2应工作在微导通状态, 称此状态为甲乙类工作状态,二级管D1,D2与三级管Q1,Q3应为相同类型的半导体材料,如D1,D2为硅二极管,则Q1,Q3也应为硅三极管。

功率放大电路如图3.11所示

图3.11集成运放与晶体管组成的功率放大器

四、扩音器的调试

在整个电路的输入端接上大小为5mV，频率为1KHZ的小信号，经过三级的放大、调节可输出5V的能使扬声器工作的大信号。我们可以通过示波器，波特仪、功率表等仪器来测试。

音量电位器调节到最大值，用示波器观测输出负载上的电压波形，并测量其大小，如图4.1所示。

表4.1各级测的电压

图4.1输出信号图

其输入信号由图4.2所示

图4.2输入信号图

总图的波特图如图4.3所示

图4.3输出波特图形输出的功率表示数如图4.4所示

图4.4功率表

五、结束语

1. 此次实验从设计到操作，每一步都伴随着问题的不断的产生与解决，经过艰辛的设计、测量、多次的操作，最终完成实验，设计图中各个参数、元器件、连接、结果都没出现错误，可是实物做了两个都没有成功，实验总体是不成功的，但我不会就此气馁，我还会继续试验的，这样的失败只使我更有经验啦。为以后打好基础。

2. 综合性实验涉及了几乎整个电路设计与实现的过程，严谨完成实验将很有意义，而且这是学习模拟电路以来第一次完整体验实际电路的实现，这个过程让我获益颇多。

3. 通过这次实践，我对音频放大电路有了有了更深入的了解，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,学习并熟悉了 Protel 软件的基本使用。

4.这次的实验加强了我的动手操作能力，有不懂的和同学讨论，还是不能解决的就和老师一起讨论，加深了我和老师同学的感情。

5.几点要注意事项

1)多级放大电路的第一级的反馈回路中需要在反馈电阻上并一个电容，用来滤除噪音。

2)对于特定的频率放大电路，可以通过串联电容的方法来调节电路中阻抗的大小，使得电路的性能更好。

3)在将直流源接到电路中时，需要接一大一小两个电容，以最大程度的滤除谐波分量，防止谐波对电路的影响。

4)在画图时，做PCB连线时要把元器件排到最佳位置，连线时要注意每个元器件是否都连上啦，打印后，有没打印好的可以用油性笔涂一下。

5)用FeCl3浸泡时不要泡太久，好了就拿上来。

参考文献

［1］黄智伟.《基于Multisim 2001的电子电路计算机仿真设计与分析》.2004年7月，第1版.电子工业出版社

［2］阎石.《数字电子技术》.第四版.高等教育出版社.2009年

［3］谢自美.《电子线路设计与实验测试》.第二版.华中科技大学.2010年［4］曹才开.《电路分析基础》.第四版.北京.清华大学出版社.2009

［5］康华光.《电子技术基础模拟部分》.第五版.华中科技大学出版社.2005年