扩音机的设计-毕业设计

1、扩音机的设计学生： 指导教师：内容摘要：扩音机内的电路作用是把接收到的微小的声音信号放大经过扬声器传达出来的大功率信号。本文所采用的扩音机是由前置放大器、音调控制器、功率放大器所构成。能让原始声音进行不失真的放大。前置放大器主要把声音信号放大至功率放大器所承受的范围内，音频控制器指衰减对应频率而得到需要频率的相对提升，而其中的核心部分是功率放大器。它能产生最大功率并且输出至某一负载的放大器。比如扬声器。因此功率放大器对整个放大系统起着枢纽作用。本文着重对功率放大器电路进行了设计,然后用PCB仿真软件进行了仿真。关键词：功率放大器 扬声器 频率I目 录1 扩音机的原理简单框图11.1 前置放大器

2、21.1.1 组成部分21.1.2 功能效应21.1.3 区别应用21.1.4 前置放大器的设计低噪声前置放大器21.2 音频控制器41.2.1 音频控制电路41.2.2 音调控制器的幅频特性曲线51.2.3 音调控制器的工作原理61.2.4 低频音频控制器61.2.5 高频音频控制器71.2.6 音频控制器的功能91.2.7 音频控制器调试91.3 功率放大器101.3.1 工作原理101.3.2 功率放大器的分类101.3.3 功率放大器基本组成101.3.4 功率放大器种类111.3.5 性能指标111.3.6 扬声器111.3.7 功率放大器调试122结束语133 参考文献1415扩音

3、机的设计前言 随着最近几年的发展，电子信息技术的发展已经越来越迅速，而扩音机的发明却是解决了很多最根本的问题，在教学中、售货中、观影中等等都要依靠扩音机。根据实际需要和器件的外形不同，它的种类有很多，无论是音响、MP3、录音机、移动通讯、多媒体、广播通知、电影声音同步，它都把接受到的微弱的声音信号推送至扬声器中而让原始声音信号变成大功率信号。所以在全世界的普及很广，无论是挂在腰间的小巧型在3W到8W，还是在室内外，人口较多的地方在35W到95W，扩音机一般都是用于音响之类的。它是由三个集成电路组成，前置放大器主要是输入高、输出阻抗低、频带宽、噪声小，音频控制器就是实施对输入信号高、低音的提升和

4、衰减，功率放大器决定整个个系统的输出功率的高低，失真指标，但是它的效用还是要求效率高、失真尽可能低、输出功率大。1 扩音机的原理简单框图声音输入 前置放大器 音频控制器 功率放大器图1.1-1 扩音机原理框图 1.1 前置放大器 1.1.1 组成部分 音源选择:筛选原始信号传送至后级的同时关闭其他音频信号源。输入放大:把音频信号放大至额定电平。音质控制电路:控制整个系统的频率特性，根据每个人的喜好，而美化原始信号。 1.1.2 功能效应选择需要的音频信号源放大到额定电平。控制音频信号源进行美化。1.1.3 区别应用各种音源设备和功率放大器之间的连接主要靠前置放大器。一般音源设备比如有手机、MP

5、3、电视、电脑、广播系统等，很多音源设备的输出信号电平都比较低，如果直接连接功率放大器是不能推动功率放大器的正常工作，而前置放大器正好起着很关键的作用音频信号放大。音频信号在经过前置放大器的放大后，就可以直接送入功率放大器，使功率放大器能正常工作。此外，前置放大器的另一个作用就是音质的控制，通过其音调控制电路，对原始的音频信号的频率特性进行调节和控制，也就是美化声音，得到使用者想拥有的声音特性。此外将输入的原始信号进行放大或者衰减，不是很要求进行频率均衡。前置放大器的主要功放包括:一是将接收端的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；输入阻抗越高，就代表接收端获取越容易，也可以降低负载效应的影响

6、。并且输出阻抗越低，就代表该放大器的内阻越低、驱动能力越强。前置放大器都有输入阻抗与输出阻抗，阻抗匹配理想而言是输入阻抗越高越好，输出阻抗越低越好。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。由于一般的接收端的输出信号非常微弱，大概只有100V毫伏左右，所以前置放大器输入级的噪声比会对整个系统的信噪比产生很大的影响。前置放大器的输入级必须采用低噪声电路，由于前置放大器是由晶体管组成的分立元件，因此首要选择低噪声的晶体管，设置合适的静态工作点。而场效应管的噪声系数一般较小，而且它几乎与静态工作点无关，在出现更好的前置放大器的效用之下，采用场效应管组成放大器是合理的选择。另外前置

7、放大器还必须要有足够宽的频带，才能保证原始音频信号可以不失真的放大。1.1.4 前置放大器的设计低噪声前置放大器低噪声前置放大器已被广泛应用于GPS导航、微波通信、接收机、雷达、电视及各种高精度的微波测量系统中，是不可或缺的重要电路。它位于接收机的最前端，必须要求它噪声系数小。另外还要求具有一定的增益，抑制后面部分噪声对系统的影响，但是为了尽量不要产生非线性失真，又要求它的增益又不宜过大。其次，它所接受的原始音频信号的强度是很微弱的，所以前置放大器又必定是一个小信号放大器。而且所接收的原始音频信号不稳定，它的强弱又再不断变化，还有可能会受其他音频的干扰，因此又要求前置放大器有足够的线型范围。所

8、设计的前置放大器要求必须具有高灵敏度和抑制噪声能力高，因为为了满足有些原始音频信号是很微弱的需要。另外低噪声前置放大器除噪声低、频带宽这些特点外，还必须具有较强的输出能力。低噪放大器的主要技术指标噪声系数 （1.1.4-1）其中，NF为噪声系数；，分别为输入端的信号功率和噪声功率；，分别为输出端的信号功率和噪声功率。单级放大器的噪声系数 （1.1.4-2）其中，为最小噪声系数， 最佳信号源反射系数，是晶体管等效噪声电阻，是源反射系数。 多级放大器的噪声系数 （1.1.4-3）其中，为第n级放大器的噪声系数；为第n级放大器的增益。所谓的噪声出现是一个意料之外的嘈杂的随机信号，它可能是原始音频信号

9、的背景和仪器性能的声音或者其他不属于原始信号的一切声音。对类似这种信号进行放大和传递过程中影响最大。 热噪声由于电荷的无规则运动和导体中电子密度和热涨落而产生的一种噪声。由于传感器存在内阻，在达到热平衡情况下，其噪声电压与带宽具有正比关系。即当前置放大器的带宽增加时，所引起的噪声电压随之增加。 器件内部固有噪声由于电子器件不均匀结构的电子流的统计特性或载流子的发射、复合速度不均匀而产生不规则的脉冲电流等原因产生的一种噪声。所以设计低噪声前置放犬器线路应遵循一些基本原则，为了能获得最小的噪声系数或最小有噪声电压。传感器的源电阻固定情况下，若最小，则F也最小。选择低噪声器件不仅考虑噪声系数小，而且

10、还须考虑保证源电阻与信号源电阻相匹配。一般来说，晶体管具有较小源电阻，可以用于低源电阻前置放大器；N沟道结型场效应管的噪声电流较小，具有较大的源电阻，可作为高源电阻前置放大器。总体说来一般采用低噪声晶体管，要求大，小及大，而结型场效应管要求大，小的器件。往往后者噪声系数比前者要小，很适合于作低噪声前置放大器的器件。对于设计前置放大器电路而言主要应考虑以下要求： 要求输出功率增益大，尽量减少引人噪声。为了提高电路工作的稳定性和加强频带一般采用共射共集形式或共射共基形式。 前置放大级不应有负反馈，第一反馈会使输出功率增益下降，使混入噪声加大。第二反馈电阻也会伴随着附加噪声。 低噪声前置放大级的偏置

11、电阻也会引入附加噪声电流。当有输入信号的时候，我们不仅要对器件有降噪声的功能还要采取防止外部干扰措施。比如，电源干扰应采取进线滤波作用，或电源电压加之屏蔽；来自电磁场干扰(高频干扰)采用屏蔽盒抑制；信号之间寄生藕合抑制可采用滤波或供电分开；传感器和测量系统间相连接往往产生电场干扰，可采用单层或双层屏蔽传输线进行抑制等。1.1.5 前置放大器调试当无输入原始音频信号的时候，用万用表测试由输入放大级的输出电压，一般情况应该是在0V左右，当输出电源电压值是短直流的时候，就有可能表示前置放大器已经坏了，在输出端加上U=5mv，f=1KHZ的交流信号，利用数字示波器显示波形并观察记录，如果改变其频率f，

12、再观察其幅频特性。1.2 音频控制器1.2.1 音频控制电路图1.2.1-1 音频控制电路1.2.2 音调控制器的幅频特性曲线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1.2.2-1 音频控制器频率响应曲线 该电路的低频电压放大倍数表达式为： （1.2.2-1） 低频转折频率为： （1.2.2-2） （1.2.2-3）所以从上看的出当频率趋近于0时，趋近于；当频率趋近于无穷时，趋近于。 该电路的高频电压放大倍数表达式为：（1.2.2

13、-4） 高频转折频率为： （1.2.2-5） （1.2.2-6）同理当频率趋近于0时，趋近于；当频率趋近于无穷时，趋近于。1.2.3 音调控制器的工作原理因为集成运算放大器具有输入阻抗高、电压增益高等特点，因此把它用来制作的音调控制器具有操作简单、工作稳定等特点。电路结构如图所示，而其中的电容C是原始音频信号输入耦合电容，电位器Rp1是高频调节，电位器Rp2是低频调节，电容C1、C2有提升和衰减低频声音信号的作用，电容C3有提升和衰减高频的作用。 图1.2.3-1 音调控制电路图1.2.4 低频音频控制器音调控制器在低频工作时，C3的容抗很大，因此可以被看成开路，图1.2.3-1所示电位器中间

14、抽头当滑到最左端时，应该是最大的低频提升。电容C2被短路，由于电容C2对输入低频信号容抗大，相对地提高了低频信号的放大倍数，所以该电路就能够实现低频提升。图1.2.3-2所示电位器中间抽头当滑到最右端时，应该是最大的衰减提升。电容C1被短路，由于电容C1对输入原始音频信号的低频信号具有较小的电压放大倍数，所以该电路就能够实现低频衰减。 图1.2.4-1 低频提升电路图 图1.2.4-2 低频衰减电路图 低频电路的提升函数（1.2.4-1）其中 （1.2.4-2）（1.2.4-3）当频率远远小于Fl1时，电容C2可以看做开路，此时的增益为（1.2.4-4） 低频电路的衰减函数在低频衰减电路中，图

15、1.2.3-2所示，则当工作频率远小于，电容C1可以看做开路，此时电路增益（1.2.4-5）当频率远大于时，电容又可以看做短路，此时电路增益（1.2.4-6） 1.2.5 高频音频控制器音调控制器在高频工作时，由于电容C6、C7可以被当做短路，此时高频音频控制电路如图1.2.4-1所示。将图 中的R8、R10、R9组成的三角形的连接方式，其中，。在假设条件的条件下，所以Ra=Rb=Rc=3R8。由于在输入端和输出端之间是Rc，它对音频控制电路没多大的影响，所以可以直接忽略。图1.2.5-1 高频音频控制电路当中间抽头滑到最左端时，此时应该是最大的高频提升，电路如图1.2.4-2所示；当中间抽头

16、滑动到最右端时，此时应该是最大的高频衰减，电路如图1.2.4-3所示 图1.2.5-2 高频提升电路图 图1.2.5-3 高频衰减电路图 高频电路提升函数 （1.2.5-1）其中 （1.2.5-2） （1.2.5-3）当远小于时，电容可看做开路，此时的增益为 （1.2.5-4）当远大于时，电容可看做开路，此时的电压增益为 （1.2.5-5） 高频电路的衰减函数 在高频衰减电路中，由于，其他器件一样，因此高频衰减电路玉高频提升电路的转折率相同。1.2.6 音频控制器的功能音调控制器起着通过对前置放大器接受到的频率响应曲线的形态进行控制的作用，从而对控制原始音频信号的不失真音色的目的，为了适应各类

17、人对所听到的声音的不同爱好。另外还能增加从前置放大器接受到的信号到音频控制器中所丢失的的频率，使音质得到很大的改善，从而提高整个扩音系统的扩音效果。在高度不失真扩音电路中，一般采用的是高音和低音分别可调的音频控制电路。为了达到最佳的音频控制电路，必须要有足够的高音和低音调节的范围，而在高音和低音的互相调节的整个过程中，其中一般为1KHZ的中音信号不会发生较为明显的幅度变化，以保证经过前置放大器的音频信号在音频控制器工作过程中发生不失真的变化。音频控制电路大多采用RC元件，因为RC元件的传输特性，会使某一频段的音频信号提升或衰减，以致达到能够控制音频的目的。音频控制电路一般可分为提升式、衰减式和

18、负反馈式三大类，其中提升式音频控制电路在增益范围内电压能够很好的增益，对于电阻而言，若取值过大则运算放大器的漏电流的影响变大；若取值过少，则输入的运算放大器的电流将超过其最大输出能力。衰减式音频控制电路的调节范围能够变得更宽，中音信号虽然不会发生较明显的幅度变化，但是其电平也衰减掉一部分，并且在对音频信号的调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以综合各个因素，噪声和失真还是会发生。对于负反馈式音频控制电路的噪音和失真发生较小，并且在调节音频信号的时候，特性曲线的斜率会随之改变，但其转折频率保持固定不变。1.2.7 音频控制器调试当使用动态测试的时候，用低频信号发生器在音频控制器接受端输入500m

19、V的信号，其他属性保持不变，提高高音调试的最大衰减值，降低低音控制电位，测量幅频特性，然后提高低音控制电位，降低高音调试的最大衰减值，再测量其幅频特性。1.3 功率放大器1.3.1 工作原理功率放大器是指在一定的不失真条件下能产生最大功率输出来使多种负载正常运行的放大器。为了将电源的功率转换原始音频信号输入的电流，就要利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用。我们知道输入端的音频信号是不同振幅和频率的波在整个系统中传播的时候转换为电流。三极管的基极电流是集电极电流的1/倍交流放大倍数，因此如果将低频信号输入到基极，则基极电流会等同于集电极电流的1/倍，然后将集电极电流信号利用隔直电容分

20、流出来，就得到了电流（或电压）是原始输入信号转换的电流（或电压）的倍的大信号，然后经过不断的放大，就完成了功率放大的作用。1.3.2 功率放大器的分类A类放大器：功率放大器的工作点设定在负载线的中点左右，然后晶体管在音频输入信号在其周期内均导通。因为功率放大器工作的线性范围在特性曲线内，所以瞬间失真和瞬时失真几率较小。由于操作简单、电路简单、效率较低，功耗大等因素，并且有较大的非线性失真。B类放大器：当系统处于静态，没有音频信号输入的时候，功率放大器（也就是喇叭）几乎不消耗功率。当在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端输出正半周正弦波；当Vi在负半周期内，Q1截止Q2导通，输出端输出负半

21、周正弦波。因为功率放大器有一段工作在非线性区域内，所以其特点是效率较高，其缺点是“交越失真”较大。AB类放大器：晶体管此时的工作可以避免交越失真。它具效率高，功耗较小的特点。D类放大器：是一种将输入音频信号转换成脉冲宽度调制或脉冲密度调制的脉冲信号,它的效率比较高。数字音频功率放大器可以看做是由原始音频信号处理电路、开关电路、大功率电路和低通滤波器四部分组成。1.3.3 功率放大器基本组成前置放大器：它本身是一种电流放大器，将输入的电压信号转换为电流信号，并适当的放大。起着匹配的作用。驱动放大器：将从前置放大器接受到的电流信号进一步放大成后级输出功率的信号，起着桥梁的作用。末级功率放大器：这就

22、是一个很关键的作用了，它扩大从驱动放大器接受到的电流信号成大功率信号。1.3.4 功率放大器种类在工作的状态下，放大器也可分为甲、乙、丙、丁、戊五类工作状态。甲类放大器主要用于放大小信号低功率。乙类放大器和丙类放大器都主用于大功率负载。而丙类放大器的电流失真较大，所以不能作用于低频功率放大。丁类放大器的工作效率比丙类放大器的还高，但是它的工作频率受到集电极功率的限制。戊类放大器减小功耗，则工作频率可以提高。高频功率放大器：作用于发射级的末端，将经过前置放大器和音频控制器处理过的高频信号放大功率。它可划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器，其中窄带高频功率放大器作为输出回路，因为其具有选频

23、滤波的作用；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路。高频功率放大器就是能量转换器，它将直流能量转换为高频交流输出。高频功率放大器则一般都工作于丙类。低频信号放大器：是一种将直流能量转换为交流输出的转换器。如果输入信号就是低频信号，则为了获得足够大的低频输出功率，就必须采用低频功率放大器，但是低频功率放大器的工作频率较低，频带宽度较宽。它们之间就成为了一个反比关系，工作频率越高，则频带宽度越小。所以低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类状态；综上所述，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是输出功率大，效率高；它们的不同之点则是工作频率、频带宽度和工作状态。而输出功率

24、、效率、功率增益、带宽和信号失真则是高频功率放大器的主要技术指标。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。1.3.5 性能指标传输增益：指输出功率与输入功率的比值，因此，输入信号频率f的变化决定了输出增益信号的提高或衰减，传输增益越小，则代表功率放大器失真越小。输出功率：又可分为输出功率与最大瞬时输出功率，输出功率是指在失真允许的范围内能输出最大的功率，最大瞬时输出功率指功率放大器在接受到电流信号的时候，在允许失真的范围下所承受的最大输出功率。接受增益：增益越高，传播距离约远；则功率放大器接受能力越强。1.3.6 扬声器扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件，扬声器的性能优劣对

25、音质的影响很大。因此音响设备中作为信号输出的媒介，是一个最重要的部件。音频电能通过电磁，压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振而发出声音。以形态而言又分为圆形、椭圆形、双纸盆和橡皮折环；以工作频率而言分低音、中音、高音。扬声器又分为内置扬声器和外置扬声器，而外置扬声器一般就是在设备的外面能一眼看见。内置扬声器是指具有内置的喇叭，一般看不见。它具有以下的特性 扬声器有两个接线柱，但是单用的话引脚不分正负极性，多只扬声器同时使用时两个引脚有极性之分。 扬声器有一个纸盆。 扬声器的外形有圆形、方形和椭圆形等几大类。 扬声器纸盆背面是磁铁， 扬声器装在机器面板上或音箱内。它的工作原理

26、：以纸盆式扬声器而言，当处于磁场中的音圈有音频电流通过时，就产生随音频电流变化的磁场，这一磁场和磁铁的磁场发生相互作用，使音圈连续振动，但是其具有结构简单、音质柔美的特点。以号筒式扬声器而言，它由振动系统和号筒两部分构成。振动系统的振膜不是纸盆，而是一球顶形膜片。通过号筒向空气中发射声波引起振膜的振动。它的频率较高、声音大，往往用于广阔的地方。1.3.7 功率放大器调试动态调试：输入300mV,1khz的正弦信号，调节电位器使失真变小，观察数字示波器并记录。静态调试：调节电位器，测量电压，使输出电压近似为0V。2结束语社会正在一步一步的发展，在各个领域都能见到扩音机的使用无论是MP3 还是音响

27、，无论是手机还是电脑，无论是电视还是媒体都随处可见扩音机的使用，有此可见我们的生活已经离不开扩音机了，我所学的专业是通信工程 ，在课堂上所掌握的专业基础知识也仅仅是限于课本上的，通过这一次的实训，我才知道自己所欠缺的还有很多很，无论自己了解到的专业知识是多么的丰富，一旦面对实物的时候总会缺少实践的经验以至于不能完成分配的任务，而对于如何锻炼自我实践的经历，如何把自己所掌握的课本知识充分的运用到实践课程上去，就是要自己动手去完成课程设计，这一次学校安排的课程设计就是对我很大的锻炼，我所选择的题目是关于扩音机的设计，我大概有关于这个课程的相关知识，但是真正去实施课程设计的时候，会变得不知所措。于是我去图书馆查阅了大量的资料