电子电路实验扩音机电路的设计与实现.docx
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电子电路实验扩音机电路的设计与实现
扩音机电路的设计与实现
学院:
信息与通信工程学院
摘要:
扩音设备的作用是把从话筒、录放卡座、CD机送出的微弱信号放大成能推动扬声机发生的大功率信号,主要采用运算放大器和集成音频功率放大电路来构成扩音机电路。
本实验中声音先经过话筒变成微弱的电信号,在前置放大电路中将小信号放大,中间级音调控制电路中实现对输入信号高、低音的提升和衰减;后级功率放大器决定了整机的输出功率,要求效率高,是真尽可能小,输出功率大。
关键词:
扩音机、前置放大、音调控制、功率放大
一实验目的:
1了解扩音机电路的形成和用途。
2掌握音频放大电路的一种实现方法。
3提高独立设计电路和验证试验的能力。
二设计任务要求:
1a)设计实现一个对话筒输出信号具有放大功能的扩音机电路,设计指标以及给定条件为:
1)最大输出功率2W。
2)负载阻抗为8Ω。
3)具有音调控制功能,即用两个电位器分别调节高音和低音。
当输入信号为1KHz时,输出为0dB;当输入信号为100KHz弦时,调节低音电位器可以使输出功率变化±12dB;当输入信号为10KHz正弦时,调节高音电位器可以使输出功率变化±12dB。
4)输出功率的大小连续可调,即用电位器可调节音量的大小。
5)频率响应:
当高、低音调节电位器处于不提升也不衰减的位置时,-3dB的频率范围是80Hz~6KHz,即BW=6KHz。
6)输入端短路时,噪声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。
b)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)。
2.提高要求:
提出其他扩音机设计方案。
(见十一)
三设计思路、总体结构框图:
设计思路:
1.由于话筒提供的信号非常弱,所以需要加一级前置放大器,这级电路放大倍数不需要很高,主要是要求高阻抗,保证低噪声输入和尽可能大的声音信号输入。
输出阻抗要低,使得电路具有很强的带负载能力,能够驱动后级的电路。
根据这些要求,选择集成运算放大器LF353,LF353属于高输入阻抗低噪声的集成器件,输入阻抗达到104MΩ,输入偏置电流为50X10-12A,单位增益频率为4MHz,转换速率为13V/us
2.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,用大电容实现,另一路对高频信号具有选择和调节作用,用小电容实现。
3.根据对输出功率的波形和功率的要求,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c、外围电路简单,使用方便;d内含各种保护电路,工作安全可靠
4.Pomax=2W,输出电压Uo=4V,要使输入为5mv的信号放大到输出的4V,所需的总的放大倍数为800。
扩音机各级分配的增益为:
前置级的放大倍数为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8。
总体框图:
话筒输入
四
分块电路和总体电路的设计:
A:
前置放大级
由于话筒提供的信号非常弱,一般在音调控制级前加一个前置放大器。
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LF353。
前置放大电路是由LF353组成的两级放大电路。
第一级放大倍数为11,即1+R5/R6=11,取R6=10KΩ(实际实验中我的R6=9.1KΩ),R5=1OOKΩ。
第二级放大倍数也为11,R9=10KΩ(实际实验中我的R9=7.5KΩ),R8=100KΩ。
耦合电容C1、C3、C5取10uf,C4取100uf,以保证扩音电路的低频响应。
其他元件的参数为C2=100pf,R4=R7=100KΩ,R10=22KΩ。
B:
音调控制器的设计
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或衰减,而中音信号的增益不变。
音调控制电路通常是由低通、高通、带通滤波器组成的,半导体公司有专用的IC生产,也可用运算放大器组成音调控制电路,本实验中的音调控制器电路的设计仍选用LF353来实现。
图4音调控制电路图
图4电路中,RP1为低音调节电位器,RP2为高音调节电位器。
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防大器的输入端的。
一条是经R8、RP1、C6、R11到输入端,并经过C7、R9到输出端形成负反馈。
另一条是经过RP2、R10、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可视为开路,其等效电路为图5所示。
此时的放大倍数为-R9/R8=-1。
图5中频段等效电路
低频段:
低频时C8可视为开路,RP1调节时,图6对应RP1滑在最左端,即低频提升最大情况,图7对应RP1滑在最右端,即低频衰减最大情况。
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能改变低音的放大被数,产生提升和衰减的效果。
图6低频提升电路图7低频衰减电路
高频段:
高频时C6,C7可视为短路,图8对应RP2滑在最左端,即高频提升最大情况,图9对应RP2滑在最右端,即高频衰减最大情况。
随着RP2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RP2能改变高音的放大被数,产生提升和衰减的效果。
图8高频提升电路图9高频衰减电路
为了使电路获得满意的性能,下面要求必须具备:
1.信号源的内阻(即前一级的输出阻抗)不大。
2.用来实现音调控制的放大电路本身有足够高的开环增益。
3.C6、C7的容量要适当,其容抗跟有关电阻相比,在低频时足够大,在中、高频的时候又足够小;而C8的选择却要使它的容抗在低、中频时足够大,在高频的时候又足够小。
粗略的说,就是C6、C7能让中、高频信号顺利通过而不让低频信号通过;C8则让高频信号顺利通过而不让中、低频信号通过。
4.RP1、RP2的阻值均远大于R8、R9、R10、R11。
音调控制器电路参数的设计:
根据以上要求和工作原理,以及电路的设计任务要求,本实验中音调控制器电路参数的设计过程如下:
设fo=1KHz,中频增益Auo=0dB;
fL1为低频转折频率,一般为几十赫;
fL2=10fL1,中低频转折频率;
fH1为中高频转折频率;
fH2=10fH1,fH2高频转折频率,一般为几十千赫;
本实验中要求fo=1KHz,fL=100Hz,fH=10KHz,在100Hz,10KHz处有±12dB调节范围,AuL=AuH>=+20dB,则有
fL2=fL*4=400Hz
fL1=fL2/10=400/10=40Hz
fH1=fH/4=10000/4=2.5KHz
fH2=10fH1=2.5*10KHz=25kHz
根据要求AuL的值AuL=(RP1+R9)/R8>=10,选择Rp1=510kΩ,R8=R9=51KΩ,则有AuL=(RP1+R9)/R8=11,满足AuL>=10的要求。
根据fL1=1/(2π*Rp1*C7),则有C6=C7=1/(2π*Rp1*fL1)=0.008Uf,取C6=C7==0.01Uf;
根据Ra=3R8=3R9=3R11,有Ra=3*51=153kΩ;
根据条件AuH=(Ra+R10)>=10,则可以确定R10<=Ra/9=153/9=17kΩ,取R10=18kΩ;
根据fH2=1/(2πR10C8),则C8=1/(2πR10fH1)=1/(2π*15*1000*25*1000)F=354Pf取C8=330pF,电位器RP1=RP2=510kΩ,满足RP1、RP2的阻值均远大于R8、R9、R10、R11的要求。
音调控制器电路所有参数的设计结果为:
RP1=RP2=510kΩ,R11=R8=R9=51KΩ,R10=18kΩ,C6=C7==0.01Uf,C8=330pF
Au/dB
f/Hz
音调控制器频率特性曲线
C:
功率输出级的设计
选用了TDA2030A型单片集成功率放大电路,其主要特点是:
上升随率高、瞬态互调失真小;输出功率比较大;外围电路简单,使用方便;采用5脚单列直插的封装形式,体积小;内含各种保护电路,工作安全可靠。
图中:
1)R14、R13决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。
该电路闭环增益为(R14+R13)/R13=(0.68+22)/0.68=33.3倍,C11起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。
静态工作点稳定性好。
C11采用电解电容,大小取22UF。
2)R15、C16称为茹贝网路,用以在电路接有感性负载扬声器时,保证高频稳定性。
VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030。
R15取1,C16取0.22UF瓷介电容。
3)C12,C13,C14,C15为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡。
分别取C12=C14=220UF,用电解电容,C13=C15=0.1UF用瓷介电容。
4)RP3是音量控制电位器,调节它可以连续改变TDA2030A单片集成功率放大电路的输入的大小,从而改变输出,大小取10K。
5)C10为输入耦合电容,大小取1UF的电解电容
6)R1是TDA2030同相输入端偏置电阻,大小取为22K。
7)D1、D2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030,为IN4007小功率整流二极管。
系统总体电路图
五所实现功能说明:
基本功能测试方法:
1.最大输出功率:
测量Pmax的条件:
信号发生器输出功率f=1kHz,输出电压有效值为Vi=5mV,
音调控制器的两个电位器Rp1,Rp2置于中间位置,音量控制器Rp3置于最大值,用双踪示波器观测Vi,Vo的波形。
测量Pmax的步骤:
功率放大器的输出端接额定的负载电阻8Ω(代替扬声器),输入端接Vi,调节音量控制器Rp3逐渐减小输出直到Vo的波形刚好不出现削波失真,此时输出的电压为最大输出电压,再由Pmax=Vo*Vo/RL。
2.音调控制功能:
Vi(约100mV)从音调控制级输入端耦合电容加入,Vo从功率放大级输出端耦合电容引出。
先测输入信号为1kHz处的电压增益Auo;测输入信号为100Hz时,即低频时,调节低音电位器直至两种极限情况下,测量此时的输出电压值,算出电压增益;测输入信号为10KHz时,即高频时,调节高音电位器直至两种极限情况下,测量此时的输出电压值,算出电压增益;
3.频率响应:
放大器的电压增益相对于中频1kHz的电压增益下降3dB时所对应的低频fL和高频fH成为放大器的频率响应。
测量的条件信号发生器输出电压有效值为Vi=5mV,用双踪示波器观测Vi,Vo的波形,使信号发生器的输出频率fo从0~500K变化(要保持输出电压有效值为Vi=5mV),测出负载电阻上对应的输出电压,对坐标绘出频率响应曲线,并从曲线上读出fL、fH的值。
4.噪声电压:
扩音机的输入为零时,输出负载上的电压称为噪声电压。
测量方法是:
将输入端对地短路,音量电位器调到合适的位置,用示波器观测输出负载的电压波形,用交流电压表测量其有效值。
六主要测试数据:
输入信号为1KHz,有效值5mV的正弦信号。
用毫伏表测得第一级输出电压有效值为0.68V,Au=136,满足实验要求。
测得第二级输出电压有效值为0.65V,可见第二级放大倍数约为1,满足实验要求。
测得第三级输出电压有效值为4.48V,直流稳压源电流示数为0.424A,功率为P=4.88*0.424=1.9满足要求。
七故障及问题分析:
刚开始连接电路时因为没有弄清楚面包板的内部构造导致电路连接错误,于是重新连接电路
1.故障:
未深入了解实验原理,也没有查找相关的资料,对实验任务要求还没有完全理解时,就开始按照书上的实验原理图大建电路,接上电源和输入信号后,用示波器测输出,无输出
问题分析:
整个电路较为复杂,在做实验时切不可机遇求成,必须一级一级的连接和调测电路,在某级发现错误后,则在该级内分析故障产生的原因,加以修正,然后再进行下一级的调测。
故重新开始一级一级的调测。
2故障:
连完第一级后,测试无波形
问题分析:
后来检查下电路,发现好多器件的线连一块了,造成好多元件短路了,把电路拆了,重新连了一下,并且保持各元件的距离,解决了问题。
3故障:
在分级调测之前,对线路的连接、接触是否良好进行了排查,即将电源的+12V电压的黑表笔与万用表的黑表笔共地,用电源的红表笔放在面包板一排中的某孔,测该排中其他孔是否有12V电压。
这样的排查相当于将各个运放及其他元器件的各个管脚都接过高电平12V,极容易烧坏管脚,若采用此方面应将电源调低。
在电路元件允许的范围内,而不损坏元器件。
4故障:
调测音调控制级电路时,中频的放大倍数为1,高频的调节提升和衰减比较合理,但低频的调节只能提升不能衰减。
问题分析;推测C7电容接触不良,将其重新插进面包板后调节电位器可以衰减。
本次实验没有合理的进行线路布局,导致电路出现了多次接触不良或线路相碰的问题,实验中应该从最开始的连接电路就合理布局,才能使电路清晰简单,发现问题也便于更改错误。
5故障:
在连接功率放大电路时,发现TDA2030A虽然外围电路简单,只有5个管脚,但它并不容易完全插如入面包板,这样很容易接触不良,也很容易损坏TDA2030A的管脚,而且通电的时候,它的温度极高。
而且功率电阻工作时候也温度较高。
问题分析:
将TDA2030A和功率电阻的管脚和导线焊接在一起,在将导线连到面包板中即可,再将TDA2030A连接到一个散热片上即可。
6故障:
连接好第三级电路后,发现一旦连接电源后无输出信号,而且直流稳压电源的显示便跳变,从12V跳至6V左右。
问题分析:
仔细研究电路后,发现连接电路的时候,没有发现到合理的区分电解电容和瓷介电容,而且也忽视了电解电容的+-的区别,TDA2030A的使用简单方便,但它对它周围的电路要求极高,虽然它需要的器件不多,但必须每个器件都是有偶保证的器件。
7.故障:
将第三级电路调整好后接通电源,输出波形严重失真,应输出为正波,但输出波形已近似方波,而且输出电压的有效值较大。
而且发现TDA2030A工作时温度较高,若降低周围空气的温度,则波形的失真状况明显好转。
这个是实验中遇到的最主要的问题。
问题分析:
失真的最主要原因是放大倍数过大输出电压的有效值过大应是由于10K的电位器调节不当或是后级功率放大级的放大倍数过大导致,将电位器调节改变后级的电阻使输出为2V左右后,在波形还有点失真时在最后级水泥电阻前并上了一滤波电容,输出波形又好了些。
八总结和结论:
这次的电路实验,是一次比较综合比较大型的综合性实验,在这次的实验里,我们需要综合的运用模电的知识来分析电路,设计电路参数,从而更好的完成实验要求。
本次实验中,书中已完整地为我们提供了电路及相关参数,但是书中的参数并不一定是最佳的。
通过计算机模拟仿真、实际搭电路改变参数值以及老师的精心指导,更改了一些参数,从而更好地完成了正确的实验电路的设计和实现。
本次实验使用了新的芯片,通过查阅元件手册了解了其特性。
在实验中大量应用了电阻与电容组成的放大电路并通过电位器改变电路的选频特性。
这让我们在实际操作中深刻理解了相关知识,并实践了相关知识的应用。
本次实验与以往的实验相比更加综合、难度更大,在操作过程中遇到了不少的问题,在通过对电路仔细检查和认真分析之后解决了问题。
经过这次的模电实验,我对电路的分析与设计有了一个更深层次的理解与掌握,我觉得实验前和实验后的自己对电路的感觉更加深刻了。
计算机模拟加实际操作的模式非常有效,通过计算机软件仿真可以帮我们轻松地调试,实际搭电路则让我们身临其境地感受电路的魅力之所在。
同时,我认为完成一件复杂事情最关键的地方在于认真,只有认真仔细才能更好地完成要求。
九Protel绘制的原理图及PCB图:
十所用元器件及测试仪表清单:
元器件:
驻式话筒、功率电阻、电位器、1N4001、LF353、TDA2030A、电阻电容若干、面包板、导线及其他。
测试仪表:
示波器、函数信号发生器、直流稳压源、交流毫伏表、万用表。
十一:
提高要求:
其他扩音机设计方案
设计该扩音机由四部分组成,分别是话筒放大级,混合前置放大级,音调控制级和功率放大级。
设计总框图:
整体电路原理图:
十二:
参考文献
1.《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路实验中心
2.《电子技术实验与课程设计》赵淑范王宪伟清华大学出版社
3.《电子技术实验与课程设计》第三版毕满清机械工业出版社
附一.LF353和TDA2030A的芯片资料
附二.频率响应数据及图象
数据表格中A为频率,单位Hz,,B为测得的对应输出电压,C=20*LOG10(B/2)
图象中,系列一以A为横坐标,B为纵坐标,系列二以A为横坐标,C为纵坐标,两图分别显示-+3dB的位置。
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- 关 键 词:
- 电子电路 实验 扩音机 电路 设计 实现