“擴(kuò)音器設(shè)計(jì)”論文

1、巢湖學(xué)院2015屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）擴(kuò)音器設(shè)計(jì)摘 要 如今的社會(huì)，擴(kuò)音器已然成為我們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，根?jù)實(shí)際的需要和放大電路器件的不同，擴(kuò)音器的設(shè)計(jì)方案也有很多種類。此次論文設(shè)計(jì)主要圍繞擴(kuò)音器的工作原理，并就擴(kuò)音器的各個(gè)組成部分的功能作用和如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，擴(kuò)音器的旨意在于將原始信號(hào)進(jìn)行放大，本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為音調(diào)控制電路和功率放大電路。本次設(shè)計(jì)用到EWB仿真軟件，通過(guò)對(duì)擴(kuò)音器各部分電路理論分析計(jì)算后，用EWB軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行仿真工作，在仿真結(jié)果準(zhǔn)確后，進(jìn)行擴(kuò)音器實(shí)物的制作，對(duì)實(shí)物進(jìn)行音頻放大、音調(diào)和音量調(diào)節(jié)等功能的測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音器的放大功能。關(guān)鍵詞：擴(kuò)音器；音調(diào)控制；功率放大；

2、EWBThe Design of the Loud-speakerAbstract In modern society, microphone has become our necessities of daily life, according to actual requirement and different amplification circuit devices, the design scheme of microphone also has many types. This paper design mainly turns on the operating principl

3、e of the loud-speaker and makes an analysis of the function of microphone and how to bring about that, the decree of loud-speaker is amplifying the primary signal, the key point of this design is the tone control circuit and power amplifying circuit.This design gets on with EWB simulation software t

4、o carry out the simulation of the circuit designed by means of analyzing and calculating the function of microphones various components, after obtaining the accurate simulation results, making the object of loud-speaker, in addition to that, making analysis of the function of audio amplifier, tone a

5、nd volume adjustment, and so on. It realizes the amplification function of microphone thereby. Keywords: loud-speaker; Tone control; Power amplifier; EWB1目 錄1 引言12 擴(kuò)音器的組成12.1 擴(kuò)音器構(gòu)成12.2 前置放大器22.3 音調(diào)控制電路22.4 功率放大器23 擴(kuò)音器電路的設(shè)計(jì)33.1 前置放大器的設(shè)計(jì)33.2 音調(diào)控制電路的設(shè)計(jì)33.3 功率放大器的設(shè)計(jì)123.4 整流橋電路的設(shè)計(jì)134 實(shí)物的制作與調(diào)試144.1 電路的安裝1

6、44.2 電路調(diào)試155 設(shè)計(jì)心得及體會(huì)156 致謝15參考文獻(xiàn)161 引言擴(kuò)音器的問(wèn)世豐富了人們的日常生活，它所涉及到的領(lǐng)域也越來(lái)越廣，擴(kuò)音器于1950年發(fā)明，從那以后技術(shù)員們?yōu)榱素S富它的功能做出了不懈的努力。隨著科技的發(fā)展，擴(kuò)音器從有線發(fā)展到無(wú)線，種類也越來(lái)越多。原來(lái)的擴(kuò)音器，采用了電子管，體積比較龐大，也比較笨重。隨著如今電子元件不斷的小型化、集成化，便攜式擴(kuò)音器應(yīng)運(yùn)而生，得到了廣泛的應(yīng)用。不要看它體積小，但是播放出來(lái)的聲音也是非常出色的?，F(xiàn)在的擴(kuò)音器體積大小不等，功能和用途也在不斷地細(xì)化，適合老師和導(dǎo)游用的擴(kuò)音器一般都是體積比較小的，它們用起來(lái)比較方便，可以把它們稱為教學(xué)擴(kuò)音器和導(dǎo)游擴(kuò)

7、音器，這兩款擴(kuò)音器極大地保護(hù)了使用者的嗓子，像那些人流量比較大的場(chǎng)所、大型演講活動(dòng)等諸如此類的都使用比較大的擴(kuò)音器，這樣才能營(yíng)造出更好的效果。2 擴(kuò)音器的組成2.1 擴(kuò)音器構(gòu)成擴(kuò)音器在公共場(chǎng)所得到廣泛地應(yīng)用，它把來(lái)自音源的微弱信號(hào)放大成大功率信號(hào)，其由三部分組成，分別為音調(diào)控制電路、前置放大器和功率放大器。各種信號(hào)源送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行選擇、放大是通過(guò)前置放大電路完成的，再經(jīng)音調(diào)控制電路，以獲得適當(dāng)?shù)念l率特性；最后由推動(dòng)級(jí)將其送到功率放大電路加以放大，音頻信號(hào)得到足夠功率后，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音器功能。如下圖1所示:前置放大音調(diào)控制功率放大 話筒輸入 圖1擴(kuò)音器的組成圖2.2 前置放大器

8、小信號(hào)放大器是前置放大器的別稱,它在擴(kuò)音器電路中扮演著重要的角色。在正常的情況下，從麥克風(fēng)輸入進(jìn)來(lái)的有用信號(hào)最大幅度可能僅有若干毫伏，而共模噪聲最大幅度可能高達(dá)幾伏，甚至更高，所以前置放大器的輸入漂移和噪聲等因素對(duì)于整體電路的精度至關(guān)重要，放大器自身的共模抑制比也起到了很重要作用。因此，前置放大電路要求噪聲要小、輸出的阻抗要低、輸入阻抗要高。2.3 音調(diào)控制電路當(dāng)人們聽(tīng)音樂(lè)時(shí)，希望能夠聽(tīng)到悅耳的聲音，但因?yàn)椴煌膼?ài)好，有些人較喜歡聲音渾厚而深沉，有的人則喜歡清脆響亮。這就需要音調(diào)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其作用是對(duì)信號(hào)頻率特性進(jìn)行人為的操作，使信號(hào)頻率特性中某一段頻率特性得到增加或降低，從而達(dá)到我們想要

9、的那種效果。在一般擴(kuò)音器裝置中都配備了音調(diào)控制電路，普通擴(kuò)音器中音調(diào)控制電路是相對(duì)較簡(jiǎn)單的，而高品質(zhì)的擴(kuò)音器中音調(diào)控制電路是比較復(fù)雜的。音調(diào)控制也被稱為音質(zhì)調(diào)節(jié)，如果按其調(diào)節(jié)的頻率范圍來(lái)劃分的話，有高低音調(diào)節(jié)和多頻段調(diào)節(jié)。音調(diào)控制電路有很多種類，但是常用的就只有三種:一是衰減式RC音調(diào)控制電路，它較容易產(chǎn)生失真，但調(diào)節(jié)范圍還是相對(duì)比較寬的；二是反饋式音調(diào)控制電路，其失真比較小，調(diào)節(jié)范圍也比較狹窄；三是圖示式頻率均衡電路，由于電路構(gòu)造比較繁瑣復(fù)雜，一般的擴(kuò)音器中是不會(huì)采用的。2.4 功率放大器如何驅(qū)動(dòng)擴(kuò)音器的負(fù)載，這就需要功率放大器將輸入信號(hào)提到一定程度上滿足負(fù)載工作條件。當(dāng)擴(kuò)音器的負(fù)載為一定值

10、時(shí)，在非線性失真允許的范圍內(nèi)，希望功率放大器輸出的功率能夠達(dá)到最大值，同時(shí)也希望其輸出信號(hào)的非線性失真為最小，實(shí)現(xiàn)盡可能高的效率。功率放大器的效率是指負(fù)載上得到的信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比，用表示，值越大，功率放大器轉(zhuǎn)換的效率就越高。因此，就功率放大電路的選擇，我們要在形式上、工作狀態(tài)上把關(guān)，確保選擇一個(gè)比較合適的功率放大電路。3 擴(kuò)音器電路的設(shè)計(jì) 3.1 前置放大器的設(shè)計(jì)話筒的輸出信號(hào)一般都比較微弱，只有幾毫伏，因此需要一個(gè)放大器將它不失真地放大，此放大器一般加在音調(diào)控制電路的前面稱為前置放大器。此前置放大器有兩部分的作用，一是將輸入的微弱信號(hào)不失真放大，二是減少噪聲干擾，提高整個(gè)電路

11、的信噪比?？紤]到減少噪聲的要求，我們采用運(yùn)算放大器NE5532來(lái)設(shè)計(jì)前置放大器，它是一種低噪聲、高性能的運(yùn)算放大器。采用此元件可以把輸入信號(hào)不失真地輸出，同時(shí)也能很好地改善電路瞬態(tài)性能，使電路的整體性能指標(biāo)進(jìn)一步得到提高。如果采用分立元件的話，電路比較復(fù)雜且各項(xiàng)性能指標(biāo)也不理想。圖2所示的是前置放大器電路圖。 圖2 前置放大器電路圖 圖3 前置放大電路的仿真結(jié)果圖前置放大器的輸入端用了一個(gè)1uF電容串聯(lián)2.2K的電阻，在低頻下，由于1uF的電容存在，對(duì)低頻進(jìn)行衰減，起到高通的作用。前置放大器的輸出端串聯(lián)了一個(gè)電阻和一個(gè)電容，電容為了輸出隔離直流，電阻起到信號(hào)分壓的作用。前置放大電路的仿真結(jié)果如

12、上圖3所示。3.2 音調(diào)控制電路的設(shè)計(jì)擴(kuò)音器輸出頻率的高低是通過(guò)音調(diào)控制電路調(diào)節(jié)和控制的。從而達(dá)到優(yōu)化音色的目的，以此來(lái)滿足觀眾們對(duì)音色的要求、渲染某種氣氛、達(dá)到某種效果。音調(diào)控制電路對(duì)低音有調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對(duì)高音也有調(diào)節(jié)作用，由此可知，音調(diào)控制電路由低、高通濾波器兩部分組成。低通濾波器對(duì)低音做出調(diào)節(jié)，高通濾波器對(duì)高音做出調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)音調(diào)控制電路對(duì)輸出頻率的高低進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。此次音調(diào)控制部分我們采用了反饋式音調(diào)控制電路，它的工作原理如下圖4所示。阻抗元件Z1、Z2是由RC構(gòu)成的、放大器A是一理想放大器，我們采用NE5532，它的開(kāi)環(huán)增益和輸入阻抗都趨于無(wú)窮大，而輸出阻抗近似為零。所以，放大電

13、路閉環(huán)增益為上式中，顯然阻抗Z1和Z2會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率變化而變化，Avf也會(huì)隨著其變化而變化。在放大器A的反饋支路上接一個(gè)RC衰減網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以構(gòu)成一個(gè)反饋式音調(diào)控制電路，如圖5所示。為了分析方便，選擇 圖4 原理圖 圖5 反饋式音調(diào)控制電路圖 工作原理：當(dāng)信號(hào)頻率介于低音頻區(qū)域時(shí)，電容C2近似看成開(kāi)路，上半部分電路可以完成信號(hào)的傳輸特性和反饋?zhàn)饔?，由此知道低音調(diào)節(jié)電位器是W1，如圖6所示。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較高時(shí)，電容C1近似看成短路，那么此時(shí)電路如圖7所示。影響頻率特性的主要因素是由下半部分電路決定的，由此知道高音調(diào)節(jié)電位器是W2。 圖6 低音簡(jiǎn)化電路圖 圖7 高音簡(jiǎn)化電路圖當(dāng)輸入信號(hào)

14、為低音時(shí)，信號(hào)的提升和衰減是通過(guò)改變W1的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要想低音能夠得到提升則需要將W1向左滑動(dòng)，當(dāng)W1一直滑動(dòng)到最左側(cè)時(shí)，電流不從R3上流過(guò)，R3相當(dāng)于短路，那么此時(shí)低音被提升的電路圖如圖8所示。當(dāng)電容C1有低音信號(hào)通過(guò)時(shí)，C1產(chǎn)生的容抗會(huì)比較大。由于放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔?，輸入的低音信?hào)便能夠得到提升。電路頻率響應(yīng)分析如下：由圖8知，電壓放大倍數(shù)為： （其中,） 令 ， 則有把，代入上式，得1. 當(dāng)信號(hào)頻率處在中音頻區(qū)域時(shí)，即，求得 故 2. 當(dāng)信號(hào)頻率降低到時(shí)，求得 故 3.當(dāng)信號(hào)頻率進(jìn)一步降低到時(shí)，求得 故 4.當(dāng)信號(hào)頻率降低到時(shí)， 求得 故 根據(jù)上面的推導(dǎo)計(jì)算后，可以作出判斷，在中音頻區(qū)

15、域時(shí)，它的閉環(huán)增益為0dB，隨著信號(hào)頻率慢慢的降低，增益將逐漸地增大。曲線的斜率約為-20dB/十倍頻程，當(dāng)和時(shí)，曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，那么可以看出和是兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，低音信號(hào)經(jīng)過(guò)此電路，增益最大可以提升到20dB。下圖9所示的幅頻響應(yīng)特性曲線圖是經(jīng)EWB軟件仿真得到的。 圖8 低音提升電路圖 圖9 低音提升幅頻響應(yīng)特性圖當(dāng)輸入信號(hào)為低音時(shí)，信號(hào)的提升和衰減是通過(guò)改變W1的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要想低音能夠得到衰減則需要將W1向右滑動(dòng)，當(dāng)W1滑動(dòng)到最右端時(shí)，電阻R3被短路，那么此時(shí)低音被衰減的電路圖如圖10所示。電路頻率響應(yīng)分析如下：由圖10知，電壓放大倍數(shù)為：（其中 ，）令 ，則有把，代入上式，得1. 當(dāng)

16、信號(hào)頻率處于中音頻區(qū)域時(shí)，即，求得 故2.當(dāng)信號(hào)頻率降低到時(shí)，求得 故3. 當(dāng)信號(hào)頻率進(jìn)一步降低到時(shí)，求得 故4.當(dāng)信號(hào)頻率降低到時(shí)，求得 故根據(jù)低音提升的分析方法，我們同樣可以求得低音衰減的幅頻特性，在接近中音頻區(qū)的閉環(huán)增益為0dB，從開(kāi)始，隨著頻率的降低，到時(shí)，進(jìn)入平坦部分，達(dá)到最大衰減量為-20dB。下圖11所示的幅頻響應(yīng)特性曲線圖是經(jīng)EWB軟件仿真得到的。 圖10 低音衰減電路圖 圖11 低音衰減幅頻響應(yīng)特性圖當(dāng)輸入信號(hào)為高音時(shí)，信號(hào)的提升和衰減是通過(guò)改變W2的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了能夠很好地分析，采用等效變換的方法，把星形連接的、變換成三角形連接的、，變換后的圖形如下圖12所示。 圖12

17、 高音等效電路圖其中Ra、Rb、Rc的值可通過(guò)下式計(jì)算出：當(dāng)W2向左端滑動(dòng)時(shí)，高音信號(hào)能夠得到提升，當(dāng)W2滑動(dòng)到最左端，此時(shí)的電路圖如圖13所示。由圖13知，電壓放大倍數(shù)為： （其中 ，）令 ，則有把，代入上式，求得1. 當(dāng)信號(hào)頻率處在中音頻區(qū)域時(shí)，即，求得 故 2.當(dāng)信號(hào)頻率上升到時(shí)，那么有 故 3. 當(dāng)信號(hào)頻率不斷上升，直到時(shí)，那么有 故 4.當(dāng)信號(hào)頻率時(shí)，那么有 故 根據(jù)上面的分析計(jì)算后，可以作出判斷，在中音頻區(qū)域時(shí)，它的閉環(huán)增益為0dB，伴隨著頻率的升高，增益也會(huì)逐漸上升，曲線的斜率約為-20dB/十倍頻程，當(dāng)和時(shí)，曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，那么可以看出和是兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，高音最大可以提升到20

18、dB。下圖14所示的幅頻響應(yīng)特性曲線圖是經(jīng)EWB軟件仿真得到的。 圖13 高音提升電路圖 圖14 高音提升幅頻響應(yīng)特性圖當(dāng)W2向右端滑動(dòng)時(shí)，高音信號(hào)可以得到衰減，當(dāng)W2滑動(dòng)到最右端，此時(shí)的電路圖如圖15所示。由圖15知，電壓放大倍數(shù)為： （其中，）令 ，則有把，代入上式，求得1. 當(dāng)信號(hào)頻率處于中音頻區(qū)域時(shí)，即，那么有 故2.當(dāng)信號(hào)頻率上升到時(shí)，那么有 故3.當(dāng)信號(hào)頻率不斷上升，直到時(shí)，那么有 故4.當(dāng)信號(hào)頻率時(shí)，那么有 故根據(jù)高音提升的分析方法，我們能夠求得高音衰減的幅頻特性，對(duì)信號(hào)頻率處在中音頻區(qū)時(shí)，其閉環(huán)增益為0dB，從開(kāi)始，隨著頻率的升高，增益將不斷衰減，到時(shí)，進(jìn)入平坦部分，達(dá)到最大衰

19、減量為-20dB。經(jīng)EWB軟件的仿真可以得到如下圖16的幅頻響應(yīng)特性曲線圖。 圖15高音衰減電路圖 圖16 高音衰減幅頻響應(yīng)特性圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，估算反饋式音調(diào)控制電路元件參數(shù)，得，3.3 功率放大器的設(shè)計(jì)擴(kuò)音器的核心電路是功率放大器，我們一般將其簡(jiǎn)稱為功放，它的作用就是將接收的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，從而推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，一套良好的擴(kuò)音器系統(tǒng)，功率放大器起到關(guān)鍵性的作用。功放電路一般工作在大信號(hào)狀態(tài)下，它的特點(diǎn)是要求輸出比較大的功率、效率要高、非線性失真要小。根據(jù)功放管的導(dǎo)電類型，功率放大電路可分為甲類、乙類、甲乙類和丙類4種類型。在這里我們選用TDA2030型集成功率放大電路，它具有輸出功率大、

20、失真小的特點(diǎn)。功率放大器的電路如下圖17所示。采用兩塊TDA2030組成本次功率放大器電路，TDA2030（1）為同相放大器，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)交流耦合電容，然后反饋到同相輸入端，而TDA2030（2）為反相放大器，它的輸入信號(hào)是先由TDA2030（1）輸出端U0經(jīng)R5和R7分壓器衰減后，再經(jīng)過(guò)電容反饋得到的。下圖18所示是功率放大電路的仿真結(jié)果。 圖17 功率放大器電路圖 圖18 功率放大電路仿真結(jié)果圖3.4 整流橋電路的設(shè)計(jì)整流橋電路是通過(guò)四個(gè)二極管（IN4007）橋接方式整流，利用電容濾波來(lái)得到電源。給NE5532、TDA2030供電使其工作。電路圖如下圖19所示。圖19 整流橋電路圖擴(kuò)音器

21、各部分電路設(shè)計(jì)完成后，將它們級(jí)聯(lián)起來(lái)形成的整機(jī)電路圖如下圖20所示。圖20 整機(jī)電路圖4 實(shí)物的制作與調(diào)試4.1 電路的安裝在安裝前，應(yīng)使用儀器對(duì)各元器件的標(biāo)稱值以及性能參數(shù)進(jìn)行認(rèn)真的檢測(cè)，確保各元器件符合電路設(shè)計(jì)的要求。進(jìn)行電路安裝時(shí)，首先要妥善安排各元器件的位置，合理布局，既要做到布局緊湊，引線盡可能短，又要避免各引線之間的相互交叉，防止造成短路現(xiàn)象。擴(kuò)音器工作性能是好還是壞，一方面取決于電路的設(shè)計(jì)，另一方面在于焊接技術(shù)。因此在焊接之前，我們需要掌握和理解焊接的基本要領(lǐng)，確保實(shí)物制作完成后沒(méi)有漏焊、虛焊等現(xiàn)象。為了讓制作出來(lái)的實(shí)物美觀大方，元器件的安裝布局至關(guān)重要，焊錫時(shí)應(yīng)保證焊點(diǎn)光亮、圓滑，大小適中，周圍干凈清潔。焊接各元器件時(shí)，應(yīng)保持耐心和細(xì)心，盡量減少元器件的損壞，降低不必要的開(kāi)支。擴(kuò)音器實(shí)物圖如下圖21所示。圖21 擴(kuò)音器實(shí)物圖4.2 電路調(diào)試電路安裝完畢后，不要過(guò)于著急地通電測(cè)試，應(yīng)做好前期的檢查工作，在通電之前，確保電路沒(méi)有虛焊、漏焊等現(xiàn)象。如果盲目地通電測(cè)試，有可能會(huì)損壞元器件從而帶來(lái)新的問(wèn)題。電路的調(diào)試一般會(huì)選用“先分后聯(lián)”的調(diào)試方法，所謂“先分后聯(lián)”就是先分級(jí)調(diào)試，再級(jí)聯(lián)調(diào)試，最后轉(zhuǎn)入整機(jī)調(diào)試