便携式扩音器.docx
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便携式扩音器.docx
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便携式扩音器
摘要
便携式扩音器是一套轻便可携带式扩音装置,具有体积小,轻便、节能、声音清晰等特点,是我们日常生活中不可缺少的好帮手。
如今扩音器已经成为人与人之间沟通的重要工具,它不仅适用于室内外教学、旅游中导游解说、企业流动现场培训等移动现场扩音,还可广泛应用于现场促销,健身活动及文艺表演等团体活动场合。
扩音器的基本原理是:
通过声电转换器,语音信号不经过调制直接变成电流信号,直接用电子器件做成的放大器进行放大。
扩音器就是个低频放大器,扩音器要有足够的输出功率推动扬声器需要运用多级放大,现在多使用集成功率放大电路,从而使元件数量大大减少。
我的设计主要由四部分组成:
声电转换装置、自动消除噪声电路、音量控制电路、功率放大电路和稳压电路。
电路设计充分体现了价廉物美、简单实用的原则。
关键词声电转换器;音频放大器;语音信号;自动消除噪声;集成功率放大
Abstract
Lightisaportableloudspeakerscanbeamplifiedportabledevices,asmall,portable,efficient,clearvoice,andotherfeatures,isindispensabletoourdailylivesinagoodhelper.Nowloudspeakersinterpersonalcommunicationhasbecomeanimportanttool,notonlyapplicabletoindooroutsideofteaching,inthetouristguidescaptions,suchasenterprisemobilemobile-sitetrainingatPA,butalsowidelyusedinthescenewithmarketing,andfitnessactivitiesandculturalperformances,andothergroupactivitiesoccasions.
Thebasicprincipleisamplified:
voicemodulationsignalsdirectlywithoutgoingthroughacurrentsignaldirectlycausedbytheuseofelectronicdevicestoenlargeamplifier.Loudspeakersisalow-frequencyamplifier,loudspeakershaveenoughoutputpowertopromotemulti-levelspeakersneedtouseamplification,nowusemoreintegratedpoweramplifier,sothatsignificantlyreducethenumberofcomponents.Idesignprimarilybythreecomponents:
noiseeliminationcircuit,volumecontrolcircuits,poweramplificationcircuit.Circuitdesignfullyembodiesthecheap,simpleandpracticalprinciple.
KeywordsSoundelectricityswitch;Audioamplifier;Voicesignal;Noiseelimination;Integrationpoweramplifier
第1章绪论
1.1立题意义
从第一颗运算放大器IC问世到现在,运算放大器技术已经在半导体制造工艺和电路设计两方面取得了巨大进展。
理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压,它还应该不受封装尺寸限制,不占用空间。
几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用。
本设计中就主要应用了放大器所具有的运算放大功能,再通过以往在模拟电子技术所学的知识来实现作品最后的功能指标。
这样可以更好的掌握放大器基本原理和提高运用专业知识设计电路的综合能力,也能把大学所学的基本知识和技能应用到实际创作中,同时培养了我们独立自主设计、调试电路的能力和发现、解决问题的能力,这对我们大学生来说有着非常重要的意义。
1.2本文研究的主要内容
本文是一篇模拟电路的说明性文章,主要讲述信号通过运算放大的工作原理。
本次设计的内容为便携式消除环境噪声的扩音装置,最大特点是可以自动消除环境噪声,通过声音信号与电信号之间的转换和信号的放大主要可完成下列功能:
1.自动消除环境噪声
2.输出功率:
Po=2W
3.频率范围:
100HZ 4.音量控制范围: 0~1V 第2章方案论证 2.1方案框图 声 电 转换 声 电 转换 放大器 放大器 差分放大 音量控制 功率放大 电声转换 图2-1方案框图 2.2设计方案 本设计根据集成运算放大器差模放大,共模抑制的特点,依据不同声源对传感器的距离不同,位置不同,把想获得的信号以差模信号形式输入,需要消除的环境噪声构构成共模,再通过恰当、合理地调解电路,便可以得到差模信号,抑制掉共模信号,以达到消除环境噪声的目的。 差动运算放大器是用来放大差模信号,抑制共模信号或作减法运算,为了满足消噪电路或测量电路的需要,差动运算放大器应具有较高的输入阻抗和共模抑制比。 首先信号经过声电转换装置把声音信号转换为电信号,使用三运放精密仪器放大电路实现自动消除环境噪声和信号放大功能。 当两个相同的信号经过两个相同的前级放大再经过差分放大后作差抵消,也就是共模抑制,从而实现自动消噪功能。 使用集成功率放大器对信号进行放大。 当输入为差模信号,经过差分放大再进入功率放大电路,通过音量控制电路控制输出功率的大小。 最后通过扬声器输出放大的声音信号,最终实现自动消除环境噪声和声音信号的放大功能。 本章小结 本章介绍了设计的基本方案,运用三运放精密仪器放大电路实现自动消除噪声和信号放大功能,差模信号经过差分放大再进入功率放大电路,通过音量控制电路控制输出功率的大小,实现低频小信号的放大。 第3章各组成电路的设计 3.1声电转换装置的设计 本设计的声电转换装置使用驻极体式话筒作为声电转换的元件,信号输入使用了两个驻极体式话筒来实现声音转换为电信号。 驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中,属于最常用的电容话筒。 由于输入和输出阻抗很高,所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器,为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。 3.1.1驻极体话筒的工作原理 驻极体是一种能长久保持电极化状态的电介质,这种电介质是一种高分子聚合物,它的工作原理是电容式的: 由一片单面涂有金属的振动膜与一个带有若干小孔贴有驻极体薄膜的金属电极(称为背极)构成。 驻极体面与振动膜相对,中间有一极小的空气隙,这就形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质,以背极和振动膜上的金属层作为两个电极的介质电容器,电容器的两极之间并接一只电阻,这只电阻是麦克风的阻抗变换器或前置放大器的输入电阻。 由于驻极体上分布有自由电荷,于是在电容器的两极之间就有了电荷量,当声波使振动膜振动而产生位移时,改变了电容器的电容量,电容量的改变使电容器的输出端产生了相应的交变电场,交变电场作用于R就形成了与声波信号对应的电信号,于是就完成了声电转换的功能。 驻极体话筒结构图如下: 图3-1驻极体话筒原理图 高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q),由于没有放电回路,这个电荷量是不变的在声波的作用下,极化膜随着声音震动,因此和背极的距离也跟着变化,也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。 我们知道电容上电荷的公式是Q=C×V,驻极体总的电荷量是不变,当极板在声波压力下后退时,电容量减小,电容两极间的电压就会成反比的升高。 反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。 最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来,同时进行放大,我们就可以得到和声音对应的电压了。 由于场效应管时有源器件,需要一定的偏置电流才可以工作在放大状态,因此,驻极体话筒需要加一个直流偏置才能工作。 图3-2驻极体话筒结构图 3.1.2驻极体话筒的检测方法 在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。 在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管,因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。 将万用表拨至R×1kΩ档,黑表笔接任一极,红表笔接另一极。 再对调两表笔,比较两次测量结果,阻值较小时,黑表笔接的是源极,红表笔接的是漏极。 驻极体话筒灵敏度检测 在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒,其灵敏度直接影响送话和录放效果。 这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。 将万用表拨至R×100档,两表笔分别接话筒两电极(注意不能错接到话筒的接地极),待万用表显示一定读数后,用嘴对准话筒轻轻吹气(吹气速度慢而均匀),边吹气边观察表针的摆动幅度。 吹气瞬间表针摆动幅度越大,话筒灵敏度就越高,送话、录音效果就越好。 若摆动幅度不大(微动)或根本不摆动,说明此话筒性能差,不宜应用。 对于三根引脚驻极体电容式话筒检测方法同上,只是黑表棒接输出引脚2脚,红表棒接引脚3脚。 驻极体话筒选配: 极体话筒价格很低,损坏后做更换处理,关于驻极体话筒选配要注意以下几点: (1)两根和三根引脚的驻极体话筒之间不能直接替代,一般情况下也不做改动电路的代替。 (2)这种话筒没有型号之分,相同引脚数的话筒可以代替,只是存在性能上的差别。 3.2消除噪声及前级放大电路的设计 图3-3三运放精密测量放大电路 根据集成运算放大器差模放大,共模抑制的特点,依据不同声源对传感器的距离不同,位置不同,把想获得的信号以差模信号输入,需要消除的环境噪声构造成共模,再通过恰当、合理地调整电路,便可以得到差模信号,抑制掉共模信号,以达到消除环境噪声的目的。 该部分使用三运放精密测量放大电路如图3-3所示,每个集成运放都接成比例运算电路形式。 电路包含了两个放大级,前两个放大器组成第一级,两者均接成同相输入方式,因此输入电阻很高。 由于电路结构对称,它们的漂移和失调都有相互抵消的作用。 第三个放大器组成差分放大级,将差分输入转换成单端输出。 下面进行定量分析。 在图3-3中,当加入差模输入信号ui时,若运放A1和A2的参数对称,且R2=R3,则电阻R1的中点将成为交流地电位,此时A1和A2的工作情况将如图3-4所示。 图3-4等效电路 由同相比例运算放大倍数计算可得: 则 同理 因此 则第一级的电压放大倍数为: 由上式可知,只要改变R1就可以调节放大倍数。 当R1开路时, 得到单位增益。 A3差分输入比例放大电路,如果R4=R5,R6=R7,由差分比例放大倍数公式得: 因此该放大器总电压放大倍数为: 差分放大部分必须指出,有差分放大的特点出发,使用的电阻必须采用高精密电阻,并且要精确匹配,否则不仅给放大带来误差,而且将降低电路的供模抑制比。 在本设计主要应用了数据放大器,而比例运算电路是组成数据放大器的基础,所以本文在第四章详细介绍了运算电路的基本形式。 3.3音量控制与稳压电路的设计 由于扩音器对音调的要求不是很高,所以音量控制电路设计从简单出发,通过调节输入阻抗的大小进行分压,从而来控制音频输入大小,当阻值达到100k时音频信号就难以通过了,从而达到关闭声音的目的。 当输出和输入之间阻值为零时,音频信号毫无损失的通过,从而达到音量全开的目的。 图3-5音量控制电路 集成稳压器是通用模拟集成电路的一个分支,它是指输入电压或负载发生变化时,能使输出电压保持不变的集成电路。 三端集成稳压器因它具有成本低、体积小、简便可靠、性能指标高等优点而广泛应用于电子设备的电源电路。 图3-6为稳压电路,输入电压根据 lm7810数据手册及电容耐压值来考虑可选择12~20V之间的任意电压,可使输出保持在10V左右恒定,从而保证功放工作在恒定功率模式下,保证加在功率放大芯片两端的电压不发生上下跳动,从而使功放更好的工作。 图3-6稳压电路 3.4功率放大电路的设计 功放芯片的选择根据情况来看,tda系列的芯片制作的功放声音效果更好点,tda20系列需要大电压供电能输出20w左右的功率,tda10系列为低电压供电,小功率输出,根据市场情况,只能买到tda1013,10v左右供电,功率可达4~5w,可达到设计要求,输出用5w/4欧的扬声器即可。 图3-7功放电路原理图 本电路根据彩电伴音电路改编,使用单电源供电比较方便,声音效果较好。 3.5电声转换装置的设计 3.5.1扬声器种类 本设计电声转换装置使用输出5w/4Ω的扬声器。 扬声器又称“喇叭”。 是一种十分常用的电声换能器件,在出声的电子电路中都能见到它。 扬声器在电子元器件中是一个最薄弱的器件,而对于音响效果而言,它又是一个最重要的器件。 扬声器的种类繁多,而且价格相差很大。 扬声器的种类很多,按其换能原理可分为电动式(即动圈式)、静电式(即电容式)、电磁式(即舌簧式)、压电式(即晶体式)等几种,后两种多用于农村有线广播网中,按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器,这些常在音箱中作为组合扬声器使用。 电动式扬声器应用最广泛,它又分为纸盆式、号筒式和球顶形三种。 3.5.2扬声器的主要性能指标 扬声器的主要性能指标有: 灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等参数。 1、额定功率: 扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。 标称功率称额定功率、不失真功率。 它是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率,在扬声器的商标、技术说明书上标注的功率即为该功率值。 最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率。 为保证扬扬器工作的可靠性,要求扬声器的最大功率为标称功率的2~3倍。 2、额定阻抗: 扬声器的阻抗一般和频率有关。 额定阻抗是指音频为400Hz时,从扬声器输入端测得的阻抗。 它一般是音圈直流电阻的1.2~1.5倍。 一般动圈式扬声器常见的阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。 3、频率响应: 给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时,其产生的声压将会产生变化。 一般中音频时产生的声压较大,而低音频和高音频时产生的声压较小。 当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围,叫该扬声器的频率响应特性。 理想的扬声器频率特性应为20~20KHz,这样就能把全部音频均匀地重放出来,然而这是做不到的。 每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。 4、失真: 扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真。 失真有两种: 频率失真和非线性失真。 频率失真是由于对某些频率的信号放音较强,而对另一些频率的信号放音较弱造成的,失真破坏了原来高低音响度的比例,改变了原声音色。 而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和信号的波动不够完全一致造成的,在输出的声波中增加一新的频率成分 5、指向特性: 用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性,频率越高指向性越狭,纸盆越大指向性越强。 3.5.3扬声器的检测方法 扬声器引脚极性识别方法: 利用万用表的直流电流档识别出扬声器引脚极性办法: 万用表置于最小的直流电流档(微安档),两只表笔任意接扬声器的两根引脚,用手指轻轻而快速将纸盆向里推动,此时表针有一个向左或向右的偏转。 当表针向右偏转时(如果向左偏转,将红黑表笔互相反接一次),红表笔所接的引脚为正极,黑表笔所接的引脚为负极。 业余条件下对扬声器的检测只能采用试听检查法和万用表检测法。 试听检查法是将扬声器接在功率放大器的输出端,通过听声音来主观评价它的质量好坏。 采用万用表检测扬声器也是粗略的。 测量直流电阻: 用R*1档测量扬声器两引脚之间的直流电阻,正常时应比铭牌扬声器阻抗略小。 例如8欧姆的扬声器测量的电阻正常为7欧姆左右。 测量阻值为无穷大,或远大于它的标称阻抗值,说明扬声器已经损坏。 测量直流电阻时,将一只表笔断续接触引脚,应该能听到扬声器发出喀喇喀喇响声,响声越大越好,无此响声说明扬声器音圈被卡死。 直观检查: 检查扬声器有无纸盆破裂的现象。 检查磁性: 用螺丝刀去试磁铁的磁性,磁性越强越好。 本章小结 本章主要介绍了本设计的声电转换,消噪电路,功率放大电路,稳压模块等各部分电路的设计原理。 第4章运算放大器应用 4.1比例运算电路 比例运算电路是最基本的运算电路,是其他各种运算电路的基础。 比例运算电路的输出电压与输入电压之间存在比例关系,即电路可实现比例运算。 根据输入信号接法不同,比例运算电路有三种基本形式: 反相输入,同相输入以及差分输入比例运算电路。 本设计主要应用了同相比例运算和差分运算电路。 将输入信号按比例放大的电路,称为比例运算电路。 主要分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (按输入信号加入不同的输入端分)比例放大电路是集成运算放大电路的三种主要放大形式。 反相比例电路,输入信号加入反相输入端,电路如下图所示: 图4-1反相比例电路 输出特性: 因为: , 所以: 从上式我们可以看出: Uo与Ui是比例关系,改变比例系数,即可改变Uo的数值。 负号表示输出电压与输入电压极性相反。 反向比例电路的特点: (1)反相比例电路由于存在"虚地",因此它的共模输入电压为零.即: 它对集成运放的共模抑制比要求低; (2)输入电阻低: ri=R1.因此对输入信号的负载能力有一定的要求。 同相比例电路,输入信号加入同相输入端,电路如下所示: 图4-2同相比例电路 输出特性: 因为: U_=U+=Ui(虚短但不是虚地);I_=I+=0; ; 所以: 改变Rf/R1即可改变Uo的值,输入、输出电压的极性相同。 同相比例电路的特点: (1)输入电阻高; (2)由于U_=U+=Ui(电路的共模输入信号高),因此集成运放的共模抑制比要求高。 差动比例电路 图4-3差动比例电路 输入信号分别加之反相输入端和同相输入端,电路图如图4-3所示它实际完成的是: 对输入两信号的差运算。 基本差动运算放大器输入信号Ui1和Ui2分别加到放大器的反相输入端和同相输入端。 接于同相输入端的电阻R2和R4组成的分压器,将同相输入端的信号损耗了一部分,使得放大器对Ui1和Ui2的放大倍数的绝对值相等,以便有效地抑制输入信号的共模分量。 由图4-3可以列出下列方程: 联立解以上方程可得 即 (1) 若电路平衡 则 (2) 在电路平衡的条件下,输出电压和输入电压的差成比例,并且能实现两个信号的相减运算。 差模放大倍数: 4.2集成运放的基本组成及各部分功能 集成电路: 一种半导体器件。 是利用半导体工艺将晶体管、场效应、二极管、电阻、电容以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上,封装在一个管壳内,构成的一个完整的具有一定功能的半导体器件。 模拟集成电路—处理模拟信号的集成电路,种类繁多。 数字集成电路—处理数字信号的集成电路,单纯,发展快。 模拟集成电路的代表(发展最早、应用最广): 集成运算放大器(简称集成运放) 图4-4集成运放基本组成 1、输入级: 由差分放大器,有源负载为主要组成,任务是: 放大、双入一单出,具有很高的输入阻抗以及很高的增益。 2、中间级: 由复合管共射放大电和及有源负载组成。 任务是: 放大与输入级相配合,使电压增益做到10万倍。 3、输出级: 互衬对称功率放大器及过载保护电路所组成,任务: 实现功率放大。 4、偏置电路: 由镜像电源源和微电流源电路组成。 任务是: 同时为输入级、中间级和输出级提供所需要的偏流。 本章小结 本章主要介绍了比例运算电路和集成运算放大器的内部组成,较详细的描述了差分放大的工作原理和作用,使我们对运放有了最基本的了解。 第5章功率放大电路应用 5.1功率放大电路的组成及分类 功率放大器主要有以下特点: 1.输出功率要足够大;2.效率要高;3.非线性失真要小。 一个实用的放大器一般通常包括三个部分: 输入级: 与信号源相连,要求输入电阻大,噪声低,共摸抑制能力强,阻抗匹配等。 中间级: 主要完成电压放大任务,以输出足够大的电压。 输出级: 主要要求向负载提供足够大和功率,以便推动负载,所以功率放大电路的主要任务是放大信号的功率。 按放大信号的频率分,低频功率放大电路: 用于放大音频范围(几十赫兹~几十千赫兹);高频功率放大电路: 用于放大射频范围(几百千赫兹~几十兆赫兹) 按功率放大电路中晶体管导通时间的不同分,甲类功率放大电路: 它的主要特征是在输入信号的整个周期内,晶体管均导通,有电流流过;乙类功率放大电路: 它的主要特征是在输入信号的整个周期内,晶体管仅在半个周期内导通,有电流流过;甲乙类功率放大电路: 它的主要特征是在输入信号的整个周期内,管子导通时间大于半周而小于全周;丙类功率放大电路: 它的特征是管子导通时间小于半个周期。 在甲类功率放大电路中,由于在信号全周期内管子均导通,故非线性失真较小,但输出功率和效率均低,因而在低频功率放大器中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。 5.2单电源互补对称功率放大电路 本设计使用的OTL功放电路,单电源互补对称功率放大电路(OTL电路),双电源互补对称电路需要两个正负独立电源,有时使用起来不方便。 可采用单电源互补对称电路,如图图5-1所示。 V1、V3和V2、V4组成准互补对称功率放大电路,两管的射极能通过一个大电容C2接到负载RL上。 二极管VD1、VD2用来消除交越失真,向复合管提供一个偏置电压。 当静态时,调整电路使UA电位为UCC/2,同C2两端直流电压为UCC/2。 当加入交流信号正半周时,V1、V3导通,电流通过电源UCC、V1和V3管的集电极和发射极、电容C2、负载RL,故得正半周信号。 在负半周,V2、V4导通,电容C2上的电压代替电源向V4提供电流,由于C2容量很大,C2的放电时间常数远大于输入信号周期,故C2上电压可视为恒定不变。 当V2、V4导通时,电流通路为C2、V2和V4、地、负载电阻RL,故得负半周信号。 图5-1OTL功率放大电路 本章小结 本章主要介绍了功率放大电路的组成部分,比较详细的分析了OTL功率放大电路工作原理。 第6章电路的安装与调试 6.1元器件的选择 运放从芯片Op27,ne5532,lm324中选择,通过查找资料就它们的特点,用途,实用性考虑,若使用单电源供电,ne5532和Op27不可用,价格上运放lm324更值得使用,而且lm324内部有4个运放组成,到如果使用单运放比较容易受到信号线的干扰,所以使用lm324减少了外接的信号线而且节省了电路的布局大小。 单0点飘移是这种运放难以避免的情况,经实际使用来看,零点飘逸达到了0.3V左右。 功放芯片的选择根据情况来看,tda系列的芯片制作的功放声音效果更好,tda20系列则需要大电压供电能输出20w左右的功率,tda10系列为低电压供电,小功率输出。 根据市场情况,tda1013可以买到,而且是单电源供电使用比较方便,10v左右供电功率可达4~5w,可达到设计要求。 因为输出功率需要达到2
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