学士学位论文--扩音机电路的设计-说明书.doc

信息职业技术学院

毕业设计说明书(论文)

设计(论文)题目: 扩音机电路的设计
专 业: 通信技术
班 级: 通技06-2
学 号: 1
姓 名:
指导教师:

二〇〇八年十二月三十日

四川信息职业技术学院毕业设计说明书
信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学　生
姓　名

学号
1
班级
通技06-2
专业
通信技术
设计（或论文）题目
扩音机电路的设计
指导教师姓名
职 称
工作单位及所从事专业
联系方式
备 注

工程师
技术学院电子系
5

高级工程师
电子科技股份有限公司
1878

设计（论文）内容：
设计一种具有：
1、要求采用运算放大集成电路和音频功率放大集成电路设计；
2、最大输出功率8W；
3、负载阻抗为8Ω；
4、在通频带内、满功率下非线性失真系数不大于3%；
5、具有音调控制功能，即用两只电位器分别调节高音和低音；
6、输出功率的大小连续可调；
7、输入阻抗不小于50KΩ，通频为6KHz，输入灵敏度不大于20mV。
进度安排：
第一阶段（200809～2008，10）：完成资料的收集；
第二阶段（2008，10～2008，11）：完成硬件设计,即完成单元电路及总电路图的设计和工作原理的叙述，电路性能指标的验算；
第三阶段（2008，11～2008，12）：进行调试、仿真，编写报告准备答辩。
主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：
[1]　王川.《实用电源技术》，重庆大学出版社，2000
[2]　胡宴如.《模拟电子技术》，高等教育出版社（第二版），2006
[3]　陈晓文.《电子线路课程设计》，电子工业出版社，2007
[4]　钱金法.《电子设计自动化技术》，机械工业出版社，2005
审
批
意
见

教研室负责人：

年 月 日
备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。

目　录
摘　要 1
第1章　概述 2
第2章　方案设计 3
2.1　方案比较与论证 3
2.2　方案选择 4
第3章　单元电路设计 5
3.1　前置放大器的设计 5
3.2　音调控制器的设计 6
3.2.1　低频工作时元器件参数的计算 7
3.2.2　高频工作时元器件参数的计算 10
3.3　功率输出级的设计 13
3.3.1　确定电源电压 13
3.3.2　功率输出级设计 14
3.3.3　电阻R17～R12的估算 14
3.3.4　确定静态偏置电路 14
3.3.5　反馈电阻R13与R14的确定 15
第4章　电路调试 16
4.1　前置级调试 16
4.2　音量控制器调试 16
4.3　功率放大器的调试 16
4.4　整机调试 16
总　结 18
参考文献 19
附录1　总电路原理图及PCB板底图 20
附录2　元件清明细表 22

摘　要
很多场合（如商场、学校、车站、体育场等）都安装有广播系统，它的主要功能是播放音乐、广播通知和要闻。这些广播系统都含有扩音设备，用以把从话筒、录放卡座、CD机送出的微弱信号放大成能推动扬声器发声的大功率信号。根据实际需要和放大器件的不同，扩声电路的设计也有很多种类。作为电子线路的课题设计，本课题提出的扩声电路性能指标比较低，主要采用理论课题里介绍的运算放大集成电路和音频功率放大集成电路来构成扩声电路。这种性能指标低的扩音器主要在于价格便宜，制作简单，不需要太多昂贵的集成块。

关键词　扩声；音频功放；放大电路
第21页　共22页
第1章　概述
随着电子技术的飞速发展，话筒扩声电路应用越来越广泛，它的种类也越来越繁多。功放集成电路是一种大规模的集成电路。使用功放集成电路，通过简单的外接电路即可获得语音或是各种模拟的声响。经过功力晶体再把放大的信号.透过扬声器放出声音。其工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。功放集成电路价格便宜，电路结构简单，工作稳定可靠，耗电省，所以在简单的电子产品中广泛应用。
功放俗称“扩音机”，它的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音响放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。
功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。
功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。
第2章　方案设计
2.1　方案比较与论证
1．方案一：电子管功放电路
采用SRPP电路和阴极输出器的级联，两者之间直接耦合成的电子管前级电路。其功放集成电路内部结构方框图大致如图2-1所示：
阴极输出级

SRPP电路

电子管前级电路
信号ui

声音信号uo

图2-1　电子管功放电路原理框图
电子管的工作电压比晶体管高得多，前者为数百伏，后者仅需几伏。显然两者不能直接替换。第二，电子管依靠阴极受热后发射电子，屏极（阳极）加有高正电压，可以收集这些电子。如果屏极相对阴极加负电压则屏极排斥电子，没有电流产生，这就是电子管二极管的整流原理。所以，电子管要工作需要加热，这一般通过给靠近阴极的灯丝通电来实现，否则电子管不能工作。这也是电子管发热大的原因。第三，三极管工作原理是在阴极和屏极间用细金属丝网加了一个栅极，屏极加正高压时，栅极上加一个很小的负电压就能够减小屏极电流，达到控制屏极电流的目的。所以于NPN型晶体管放大电路需要在基极加正向偏置不同，电子管正常工作时栅极和阴极之间的电压是负电压（负栅压）。在这个电子管前置电路中阴极电流会产生几伏的压降。由于栅极通过电阻接地，栅极就自然产生了相对于阴极的负栅压。这种偏置方法还有自动稳定的作用。例如某外界原因导致阴极电流（就是屏极电流，栅极电流为零）变大，则栅压自动变负，阴极电流又自动变小。但是高档的电子管放大器不是这样偏置的，因为这样偏置不精确。它的特点是特高频相应好,当晶体管确定时，分布电容就定了，那么要提高上限频率，只能增大负载电阻。选用普通电阻自然不能增大太多，否则电路工作点就不对了。
2．方案二：扩声电路
采用运算集成电路和音频功率放大集成电路设计一个对话筒输出信号具有放大能力的扩声电路。
其电路方框图如图2-2所示：

图2-2　扩声电路原理框图
前置放大主要完成对小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低，频带要宽，噪声要小；音量控制主要实现对输入信号高、低音的提升和衰减。
2.2　方案选择
扩声电路和方案一比起来,它不需要加热，不需要加那么高的电压，它具有安全的特性。方案二制作简单音乐集成电路价格便宜，电路结构简单，满足工作稳定可靠，耗电省的要求。由此，确定该产品采用方案二实现。
第3章　单元电路设计
3.1　前置放大器的设计
由于话筒提供发信号非常弱，故一般在音调控制器前面要加一个前置放大器。
该前置放大器的下限频率要小于音频控制器的低音转折频率，上限频率要大于
音频控制器的高音转折频率。考虑到所设计电路对频率响应及零输入（及输入短路）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。它是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声集成器件。其输入阻抗高为104MΩ，输入偏置电流仅有50х10-12A，单位增益频率为4MHZ，转换速率为13V/us，用做音频前置放大器十分理想，其外引线图如图3-1所示

图3-1　LF353外引线图
前置放大电路由LF353组成的两极放大电路完成，如图3-2所示。第一级放大电路的Au1=10，即1+R3/R2=10，取R2=10KΩ，R3=100KΩ。取Au2=10（考虑增益余量），同样R5=10KΩ，R6=100Ω。电阻R1、R2为放大电路偏置电阻，取R1=R4=100KΩ。耦合电容C1与C2取10uF，C4与C11取100uF，以保证扩声电路的低频响应。

图3-2　前置放大器
其他元器件的参数选择为：C3=100pF，R7=22KΩ。电路电源为±12V。
3.2　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，而中音信号的增益不变，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3-3所示。
该电路的音调控制曲线（即频率响应）如图3-4所示。音调控制曲线中给出了相应的转折频率：Fl1表示低音转折频率，Fl2表示中音下限频率，F0表示中音频率（即中心频率），要求电路对此频率信号没有衰减和提升作用，Fh1表示中音上限频率，Fh2表示高音转折频率。
图3-3　音调控制器电路
f/Hz
Au/dB
-20db/10倍数

FL1
100Hz
10Hz
FH2

图3-4　音频控制器频率响应曲线
音调控制器的设计主要是根据转折频率的不同来选择电位器、电阻及电容参数。
3.2.1　低频工作时元器件参数的计算
音调控制器工作时在低音时（即F电位器RP1中间抽头处在左端，对应于低频提升最大的情况。图3-6所示电位器RP1中间抽头处在最右端，对应于低频衰减最大的情况。下面分别进行讨论。

图3-5　低频提升电路

图3-6　低频衰减器
1、低频提升
由图3-5可求出低频提升电路的频率响应函数为
式中，
，
当频率F远远小于Fl1时，电容C7近似开路，此时的增益为

当频率升高时，C7的容抗减小，当频率F远远小于Fl1时，C7近似短路，此时的增益为

在Fl1＜F＜Fl2的增益范围内电压增益衰减率为-20dB/10倍频，即-6dB/倍频（若40HZ对应的增益是20dB，则240HZ=80HZ时所对应的增益是14dB）
本设计要求中频增益为A0=1（0dB），且在100HZ处有±12dB的调节范
围。故当增益为0dB时，对应的转折频率为400HZ（因为从12dB到0dB对应两个倍频程，所以对应频率是400HZ）因此音调控制器的低音转折频率f11=fl2/10=40HZ。
电阻R8，R10及RP1的取值范围一般为几千欧姆到几百千欧姆。若取值过大，则运算放大器的漏电流的影响变大；若取值过小，则流入运算放大器的电流将超过其最大输出能力。这里取RRP1=470KΩ。由于A0=1，故R8=R10。又因为wl2/wl1=（RRP1+R10）/R10=10，所以R8=R10=RRP1/（10-1）=52KΩ取R9=R8=R10=51KΩ。电容C7可由式求得：C7=0.00085uF，取C7=0.01uF。
2、低频衰减
在低频衰减电路中，如图6所示，若取电容C6=C7，则当工作频率f远小于fL1，电容C6近似开路，此时电路增益

当频率F远大于F12时，电容近似短路，此时电路增益

可见，低频端最大衰减倍数为1/10(即-20dB)。
3.2.2　高频工作时元器件参数的计算
音调控制器在高频端工作时，电容C6，C7近似短路，此时音调控制电路可简化成图3-7所示电路。为便于分析，将星形连接的电阻R8=R9=R10转换成三角形连接，转换后如图3-8所。所以Ra=Rb=Rc=3R8。由于Rc跨接在电路的输入端和输出端之间，对控制电路无影响，故它可忽略不记。

图3-7　音调控制电路在高频段时的简化等效电路

图3-8　音调控制电路高频段简化电路的等效变换电路
当RP2中间抽头处于最左端时，此时高频提升最大，等效电路如图3-9所示；当RP2中间抽头处于最右端时，此时高频衰减最大，等效电路如图3-10所示。

图3-9　高频提升电路

图3-10　高频衰减电路
1、高频提升。由图3-9可知，该电路是一个典型的高通滤波器，其增益
函数为

其中，，。
当F远小于Fh1时，电容C5可近似开路，此时的增益为
（中频增益）
当F远大于Fh2时，电容C5近似为短路，此时的电压增益为

当Fh1≤F≤Fh2时，电压增益按20dB/10倍数的斜率增加。
由于设计任务中要求中频增益A0=1，在10kHz处有±12dB的调节范围，所以求得Fh1=2.5kHz。又因为ωH1/ωH2=（R11+Ra）/R11=AH，高频最大提升量AH一般也取10倍，所以Fh2=AH•Fh1=25kHz。由(R11+Ra)/R11=AH得：R11=Ra/(AH-1)=17KΩ,取R11=18kΩ。由ωH2=1/R11C5得：C5=1/(2ЛFh2R11)=354pF,取C5=330pF。高音调节电位器Rp2的阻值与Rp1相同，取RRp2=470Kω。
2、高频衰减。在高频衰减等效电路中，由于Ra=Rb，其余元器件也相同。
所以有高频衰减的转折频率与高频提升的转折率相同。高频最大衰减1/10（即-20dB）。
3.3　功率输出级的设计
功率输出级电路结构有许多种，选择由分立元器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，这里选用集成运算放大器组成的典型OCT功率放大器，其电路如图3-11所示，其中由运算放大器组成输入电压放大驱动级，由晶体管VT1，VT2，VT3，VT4组成的复合管为功率输出级。三级管VT1与VT2都为NPN管，仍组成NPN型的复合管。VT3与VT4为不同类型的晶体管，所组成的复合管导电极性由第1只脚决定，为PNP型复合管。

图3-11　功率放大电路
3.3.1　确定电源电压
功率放大器的设计要求是最大输出功率。由公式可得：可得。考虑到输出功率管VT2与VT4的饱和压降和发射极R11与R22的压降，电源电压常取VCC=（1.2～1.5）UOm。将已知参数带入上式，电源电压选取±12V。
3.3.2　功率输出级设计
1、输出晶体管的选择。输出功率管VT2与VT4选择同类型的NPN型大功率管。其承受的最大反向电压为UCEmax=2VCC。每只晶体管的最大集电极电流为ICmaxVCC/RL=1.5A，每只晶体管的最大集电极功耗为：PCmax=0.2POmax=1.6W。所以 ，在选择功率三极管时，除应使两管β的值尽量对称外，其极限参数还应满足系列关系：VBRCEO＞2VCC，ICM＞ICmax，PCM＞PCmax，PCM＞PCmax。根据上式关系，选择功率三极管为3DD01。
2、复合管的选择。VT1与VT3分别与VT2与VT4组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC，考虑到R18与R20的分流作用和晶体管的损失，晶体管VT1与VT3的集电极功耗：PCmax=（1.1-1.5）PC2max/β2而实际选择VT1，VT3参数要大于最大值。另外为了复合出互补类型的三极管，一定要使VT1，VT3互补,其要求尽VT3称性好。可选用VT1为9013，VT3选用9015。
3.3.3　电阻R17～R12的估算
R18与R20用来减小复合管的穿透电流，其值过小会影响复合管的稳定性，太大又会影响输出功率，一般取R18=R20=（5－10）Ri2。Ri2为VT2管的输入端等效电阻，其大小可用公式Ri2=rbe+（1+β2）R21来计算，大功率管的rbe约为10Ω，β为20倍。
输出功率管的发射极电阻R21与R22起到电流的负反馈作用，使电路的工作更加稳定，从而减少非线性失真。一般取R21=R22=（0.05～0.1）RL。
由于VT1与VT3管的类型不同，接法也不一样，因此两只管子的输入阻抗不一样，这样加到VT1与VT3管基极输入端的信号将不对称为此，增加R17与R19作为平衡电阻，使两只管子的输入阻抗相等。一般选择R17=R19=R18∥Ri2。
根据以上条件，选择电路元器件值为：
R21=R22=1Ω，R18=R20=270Ω，R17=R19=30Ω。
3.3.4　确定静态偏置电路
为了克服交越失真，由R15，R16，RP3和二节管VD1，VD2共同组成两对复合管的偏置电路，使输出级工作于甲乙类状态。R15与R16的阻值要根据输出级输出信号的幅度和前级运算放大器的最大允许输出电流来考虑。静态时功率放大器的输出端对地的电位为0（VT1与VT3应处于微导通状态），即U0=0V。运算放大器的输出电位UO3≈0V。若取电流IO=1mA，RRP3=0（RP3用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，可采用1kΩ左右的精密电位器，其初始值应调在零阻值，当调整输出级静态工作电流或者输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值）。则

所以R15=11.3KΩ,取R15=11KΩ。为了保证对称,电阻R16=11KΩ。取RRP3=1KΩ。电路中的VD1与VD2选为1N4148。
3.3.5　反馈电阻R13与R14的确定
在这里放大器选用LF353，功率放大器的电压增益可表示为：

取R14=1KΩ,则R13+RRP4=19KΩ。为了使功率放大器增益可调，取R13=15KΩ，RRP4=4.7KΩ。电阻R12是运算放大器的偏置电阻，电容C8是输入耦合电容，其大小决定了扩声电路的下限频率。取R12=100KΩ，C8=100uF。并联在扬声器的R23与C10消振网络，可以改善扬声器的高频响应。这里取R23=27Ω，C10=0.1uF。一般取C9=4.7uF。
第4章　电路调试
附录2为扩声电路PCB图。在调试安装前，首先将所选用的电子元器件测一遍，以确保完好。在进行元器件安装时，布局要合理，连线应尽可能短而直，所用的测量仪器要准备好。
4.1　前置级调试
当无输入交流信号时，用万用表分别测试LF353的输出电位，正常时应在0V附近。若输出短直流电位为电源电压值，则可能运算放大器已坏或工作在开环状态。
输出端加入ui=5mV，f=1000Hz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（例如通过在电源对地端并接滤波电容等措施）。当工作正常后，用交流毫伏表测量放大器的输出，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，并画出幅频特性曲线。
4.2　音量控制器调试
静态测试同上。
动态调试：用低频信号发生器在音调控制器输入400mV的正弦信号，保持幅值不变。将低音控制电位器调到最大提升，同时将高音调到最大衰减，分别测量幅频特性曲线；然后将两个电位器调到相反的状态，重新测试其幅频特性曲线。若不符合要求，应检查电路的连接、元器件的值、输入输出耦合电容是否真确、完好。
4.3　功率放大器的调试
静态调试：首先将输入电容C8输入端对地短路，然后接通电源，用万用表测试U0，调节电位器RP3，使输出电位近似为零。
动态调试：在输入端接入400mV，1000Hz的正弦信号，用示波器观察输出波形的失真情况，调整电位器RP3使输出波形交越失真最小。调节电位器RP4使输出电压的峰值不小于11V，以满足输出功率的要求。
4.4　整机调试
将三级电路连接起来，在输入端连接一个话筒时，调节音量控制电位器RP4，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。
总　结
随着我国教育体制结构的调整，高等职业教育的发展受到用人单位和社会的广泛关注。高等职业教育肩负着培养生产、服务、管理第一线的德、智、体、美、劳全面发展的高等技术应用型专门人才的重任。我们大专毕业生应该具备较强的理论水平，又要有足够的实践能力，而通信技术专业是实践性很强的学科体系，其毕业设计不仅包括电路设计、印制板设计、电路的组装和调试等实践内容，还要清晰的反映学生理论知识的实际应用能力，使理论和实践得到统一。在对我们的大学生涯做一个全面总结的同时，也为我们以后培养职业能力、创新精神、实践能力和创业能力打下坚实的基础。
随着电子技术的飞速发展，扩声电路应用越来越广泛，它的种类也越来越繁多。功放集成电路是一种大规模的集成电路。使用功放集成电路，通过简单的外接电路即可获得语音或是各种模拟的声响。功放集成电路价格便宜，电路结构简单，工作稳定可靠，耗电省，所以在简单的电子产品中广泛应用。
此次毕业设计是我们从大学毕业走向未来的重要一步。从最初的选题，开题到计算直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改电路，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了话筒扩声放大电路的用途及工作原理，熟悉了的扩声电路的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和基础知识的一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。
当然，在这次毕业设计中我真心的感谢刘老师及电子工程系其他老师给予我的帮助与支持，还有同学给我的建议与帮助使我顺利的完成了本次毕业设计。这使我的专业知识得到了强化，能够将所学到的知识很好的运用到实际之中来， 毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料，分析数据，但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人，为中国电子工业添上自己的微薄之力。
参考文献
[1]　王川．实用电源技术．重庆：重庆大学出版社，2000
[2]　胡宴如．模拟电子技术．北京：高等教育出版社（第二版），2006
[3]　陈晓文．电子线路课程设计．北京：电子工业出版社，2007
[4]　钱金法．电子设计自动化技术．北京：机械工业出版社，2005
[5]　朱余钊．电子材料与元件．成都：电子科技大学出版社，2006
[6]　王文辉．电路与电子学（第3版）.北京：电子工业出版社，2005
[7]　杨志忠．数字电子技术（第2版）.北京：高等教育出版社，2003
[8]　朱余钊．电子材料与元件．.成都：电子科技大学出版社，2006
附录1　总电路原理图及PCB板底图

附录2　元件清明细表

名称
型号
参数
支数
电阻
碳膜电阻
R1－R23
23
电容
铝电解电容,无极电容
C1－C10
10
电位器
碳膜旋转电位器
RP1－RP4
4
前置放大器
集成块
ICA－ICB
4
三极管
NPN，PNP
9013，9015，3DD01
4
扬声器
RL
8W
1
双电源
220V电源
-12V，+12V
1

四川信息职业技术学院
学生姓名
王兴淼
学号
0620071
班级
通技06-2
专业
通信技术
设计（论文）题目
扩音机电路的设计
指导教师
刘雪亭、谭望春
指导老师考核意见

等级：
指导教师：

答辩
评语

等级：
答辩老师：
总评
成绩

等级： 考核小组组长：
备注
以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。
毕业设计（论文）评语