简易助听器.doc

模拟电路课程设计报告

设计课题： 简易助听器

专业班级： 自动化4班
学生姓名： 白力洋
学　　号：　　　110506011008　　　
指导教师： 冯伟功
设计时间： 2013年1月21日

简易助听器

一、设计任务与要求
使用小功率晶体三极管、电阻、电容等器件设计一个耳聋助听器，性能指标如下：
1、通频带：50Hz—20kHz；
2、电压放大器放大倍数＞90；输出功率＞01W；
3、非线性失真系数≤20%。
二、方案设计与论证
助听器 （Hearing Aid） 是一个有助于听力残疾者改善听觉障碍，进而提高与他人会话交际能力的工具、设备、装置和仪器。实质上是一个信号的放大装置。
助听器的基本结构
助听器名目繁多，但所有电子助听器的工作原理是一样的。任何助听器都包括6个基本结构。
1．话筒（传声器或麦克风）接收声音并把它转化为电波形式，即把声能转化为电能。
2．放大器放大电信号（晶体管放大线路）
3．耳机（受话器）把电信号转化为声信号（即把电能转化为声能）。
4．耳模（耳塞）置入外耳道。
5．音量控制开关
6．电源供放大器用的干电池。

助听器的基本工作原理
现代电子助听器是一放大器，它的功能是增加声能强度并尽可能不失真地传入耳内。因声音的声能不能直接放大，故有必要将其转换为电信号，放大后再转换为声能。输入换能器由传声器（麦克风或话筒）、磁感线圈等部分组成。其作用是将输入声能转为电能传至放大器。放大器将输入电信号放大后，再传至输出换能器。输出换能器由耳机或骨导振动器构成，其作用是把放大的信号由电能再转为声能或动能输出。电源是供给助听器工作能量不可缺少的部分，另外还设有削峰（PC）或自动增益控制（AGC）装置，以适合各种不同程度耳聋病人的需要。
助听器的性能指标
一个合格的助听器至少应考虑下述六项性能指标：
频率范围
低档助听器的频率范围至少在 300～3000Hz，普通助听器高频应达到4000Hz，高级助听器的频率范围可在80～8000Hz之间。
SSPL
最大声输出或饱和声压级（SSPL）。实际上代表了助听器的最大功率输出。使用助听器时的最大声输出应低于患耳的不舒适阈，尤其对重振阳性的患耳，必须控制最大声输出以保护患耳。
最大声增益
主要表示助听器的放大能力，各国生产的助听器增益多在30～80dB之间。一般说，耳聋程度轻的要选择增益小的，程度重的应分别选用增益中等的或大的助听器。在具体使用中助听器上都备有使声增益在一定范围内变动的音量调节开关。选配适合的助听器可依一些公式预先计算，最简易的方法是按照纯音听力图，对 500、1000、2000Hz三个音频的增益补偿调节，以其阈值的一半或稍多为宜，多能获得满意效果。
频率响应和音调调节
为满足聋人听力要求，助听器应提供各种不同的频率响应，频率不同反应在听觉上就是音调不同。为了使助听器的频响比较符合聋人的听力损失特点，音调调节钮上设置一些不同音调，通常L代表低音，N为正常，H为高音。
S/N
信号噪声比 （S/N）。助听器耳机放大后的输出往往是语言信号和恼人的噪声同时存在，信号噪声比值越大，语言信息输出的质量也越好。优质助听器的信噪比可达40dB左右，至少应保证30dB以上。
谐波失真
为了能高效地传输放大后的声信号，助听器的失真度应越小越好，按规定失真应小于10%，而小于5%的基本上可以保持语言的逼真性。

三、单元电路设计与参数计算
根据设计要求，放大倍数为90左右，故需要2级放大的电压放大器。功率在0.1W以上，则需要1级的功率放大器，故组成VT1，VT2的两级电压放大电路，两级之间用直接耦合，以及电压并联负反馈，VT3组成功率放大电路，射极连接耳机即可。
原理图附图
如图所示，驻极体话筒B接收到声波信号后，输出相应的微弱电信号。该信号经电容器C1耦合到VT1的基极进行放大，放大后的信号由其集电极输出，再经C2耦合到VT2进行第二级放大，最后信号由VT3发射极输出，并通过插孔XS送至耳塞机放音。
　　电路中，C4为旁路电容器，其主要作用是旁路掉输出信号中形成噪音的各种谐波成份，以改善耳塞机的音质。C3为滤波电容器，主要用来减小电池G的交流内阻（实际上为整机音频电流提供良好通路），可有效防止电池快报废时电路产生的自激振荡，并使耳塞机发出的声音更加清晰响亮。

四、总原理图及元器件清单
1．总原理图、PCB图
2．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
R1
RTX-1/8W
10KΩ
1

R2
RTX-1/8W
150 KΩ
1

R3
RTX-1/8W
1 KΩ
1

R4
RTX-1/8W
68 KΩ
1

R5
RTX-1/8W
1 KΩ
1

C1
CD11-10V
10μF
1

C2
CD11-10V
10μF
1

C3
CD11-10V
47μF
1

C4
CT1
0.01μF
1

VT1
9014
NPN
1

VT2
9014
NPN
1

VT3
3AX31
PNP
1

LED发光二极管
LED1

1

耳机接口
CKX2-3.5

1

电池盒

1

驻极体咪头

1

开关
SW

1

五、安装与调试
运用反证软件Electronics Workbench进行调试，改变R2的阻值，以使得VT1的集电极电压在1.5mV上下，且总回路电压在100mV~150mV左右。

六、性能测试与分析
运用反证软件Electronics Workbench进行测试，发现当输入幅值为5mV左右的正弦波时，耳机两端的电压幅值在100mV~200mV之间，故放大倍数大约为56.4~112.8之间。
测试发现，当输入电压>35mV时出现了截止失真，而一般的话筒输出都在5mV左右。
测试发现，回路电流为133.4mA左右，故工作时的功率为133.4*3=0.4002W
进行通频带测试时发现，输入信号F=1Hz时，输出电压为121.5mV，在输入信号F=5Hz时，输出电压为886mV，F=300Hz时，输出电压为871.6mV，输入F=332Hz时，输出电压854.9mV，输入F=335Hz时，输出电压832.4mV
故可知，通频带在5Hz~335Hz之间。
当输入为5mV，1Hz的正弦波时，如图可见，失真系数并不大，几乎没有失真
七、结论与心得
这次课程设计，是由我自己一人独立完成的，期间并无老师指导，所以我觉得我学到了很多东西。
从拿到元件开始，我就利用空闲时间进行原理图的绘制，以及PCB版的绘制，期间发现了诸多问题：
1.由于耳机接口在PCB默认的LIB文件中没有相应的5焊点封装，所以我选择自行测量、建立了MICOUT这个封装格式，并且放入了电路中。
2.刚开始我把电阻的封装也设为了0805，绘制完毕PCB版以后才发现跟实物几乎不对照，后来发现AXIAL0.3（0.3是经我测量后选择的）才是电阻的封装格式。
3.电容的封装比较难找到，我用了RB.2/.4封装格式（开始用的也是0805）
4.为了让实物跟PCB版的图对照，我的三极管用了TO-126封装，但是经过实际测试发现，我拿到的三极管基极是三管脚中间的管脚，而不是默认原理图中的从上到下为：基极，集电极，射极。这样拍列的，所以我改动了默认的管脚图，让焊点的名称与实物的三极管契合，这样简便了PCB的布线。
5.布线是个辛苦的工作，我经过2次重新布线，最终发现按照原理图来布线更简单一些，由于我想把所有的导线都放在PCB版背面（正面只有元件），所以所有的线都是在Bottomlayer这一层上，元件在Topouerlay这一层上。
6.由于想到要方便使用，所以在开关旁边加上了一个LED的元件，以方便观察助听器的开/关。
7.拿到的开关是4管脚的电键开关，但是实际只用了两个管脚，干脆用了0805的封装代替。
8.耳机接口的封装是查了网上的图以后才做出来的，刚开始是接错的。
9.焊接需要细心，耐心。

通过这次课程设计，我学到了很多：
1.加深了对protel 99SE 的理解。能更加熟练的使用这个软件。
2.明白了反证的意义，能根据要求、元件的型号调整阻值，然后在反证软件中验证调整的正确性。
3.查阅网上资料、参考书籍对学习至关重要，很多封装格式、元器件型号都来源于网上的资料或者参考书籍。
4.同学间的交流也很重要，通过交流，我发现了我电容器C4阻值的错误，以及耳机接口封装的错误。

八、附图

助听器总原理图

助听器反证图

自建元件：MICOUT（即耳机插口）封装图

对齐元件，未布线前

手动布线完毕的完成图

网络图

当输入信号为5mV，1Hz时的输入、输出波形图

九、参考文献
百度百科词条：助听器

模拟电路课程设计成绩评定表
专业： 班级： 学号： 姓名：
课题名称

设计任务与要求

设计报告成绩

电子
作品成绩

课程设计成绩

指导教师：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2012年10月18日