擴(kuò)音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡 晶

(福州理工學(xué)院 工學(xué)院，福建 福州 350506)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)高速發(fā)展，集成電路被廣泛用在各類電子器件開發(fā)上，比如音響系統(tǒng).目前的音響系統(tǒng)根據(jù)放大器原理可分為A型、AB型、B型.三種類型的功放均為模擬，其功放的實(shí)際效率依次是15-20%、50-70%、78%.但當(dāng)它們的輸出功率小于額定輸出功率時(shí)，如播放變化的音調(diào)平均工作效率只有30%左右.從技術(shù)原理角度看，擴(kuò)音系統(tǒng)主要是由三級放大電路構(gòu)成：前置放大用于放大信號功率，設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧噪聲、阻抗、頻帶因素；音調(diào)控制則是將原始音調(diào)調(diào)節(jié)到目標(biāo)音調(diào)；功率放大器將放大后的信號推送到揚(yáng)聲設(shè)備.因此在設(shè)計(jì)整個(gè)擴(kuò)音系統(tǒng)的電路時(shí)應(yīng)先根據(jù)需求設(shè)立目標(biāo)要求再確定每一級電路的放大配比進(jìn)而形成一套高效的擴(kuò)音系統(tǒng)電路.

1 電路原理

擴(kuò)音電路[1]主要是由三級放大電路組成.本次設(shè)計(jì)結(jié)合擴(kuò)音設(shè)備在生活中實(shí)際應(yīng)用情況給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：(1)輸出的最大功率在2W以上；(2)音調(diào)可控.即用兩個(gè)電位器分別調(diào)節(jié)高音和低音.當(dāng)輸入1kHz信號時(shí)，其輸出為0dB.當(dāng)輸入100Hz和10kHz，通過調(diào)節(jié)低/高音電位器使輸出功率在-12dB和12dB之間變化；(3)頻率可響應(yīng).當(dāng)高、低音電位器未衰減也未提升時(shí)，-3dB的頻率范圍是80Hz～6kHz；(4)當(dāng)輸入口處于短路時(shí)，直流輸出電壓控制在50mv內(nèi)，輸出噪聲電壓的有效值控制在10mv內(nèi)，靜態(tài)電流控制在不100mA內(nèi).根據(jù)電路需求分析,將整個(gè)系統(tǒng)的電路分為供電電路和擴(kuò)音電路.擴(kuò)音電路由前置放大電路、音調(diào)控制電路、功率放大電路組成.

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 前置電路

為達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，前置放大器電路中的電容C1容量取10μf， C3容量取10μf，電容C4容量取100μf.通過元器件之間的相互作用保證擴(kuò)音電路的低頻響應(yīng)，其他元器件參數(shù)選擇為C2=100pf，R4=R7=100KΩ.如下圖1所示.其中對集成運(yùn)放[2]LF353的輸入增益頻率、偏置電流和阻抗、轉(zhuǎn)換速率等參數(shù)依次設(shè)置為4MHz、50×10-12A、104MΩ、13V/μs.LF353元件組成兩級放大電路構(gòu)成前置放大級可實(shí)現(xiàn)對輸入信號的放大.兩級各放大10倍：Au1=Au2=10，再由：1+R5/R6=11可使：R5=R8=100KΩ R6=R9=10KΩ.

圖1 前置放大器電路圖

2.2 音調(diào)電路

集成運(yùn)算放大器電壓增益和輸入阻抗高故制作而成的音調(diào)控制電路較為穩(wěn)定.音調(diào)控制電路中各元件關(guān)系為：Rp1=Rp2，R11=R12=R13，C6=C7，Rp2=9R11.如圖2所示.

圖2 音調(diào)控制級電路

2.2.1 中頻段

中頻段時(shí)電路要保持穩(wěn)定，電容C6、C7視為短路，C8視為開路看待.其等效電路如下圖3所示.此時(shí)Au=R12/R11=1.

圖3 中頻等效電路

2.2.2 低頻段

對低音信號而言，由于C8容抗較大導(dǎo)致，將低音電位器Rp1調(diào)到最左端時(shí)C6處于短路狀態(tài).電路簡化為圖4所示的低頻提升電路.

對于低音信號而言，容抗較大的C7相對提升了低音信號的放大能力.從定性角度看，中、高音域的增益主要決定于R12/R11的比值，即等于1.在低音域，增益可以得到提升，最大增益為(Rp1+R12)/R11.同理，當(dāng)Rp1調(diào)到最右端時(shí)C7處于短路狀態(tài)，電路等效為圖5所示的衰減電路.

由于C6對低音信號放大能力較弱，因此衰減電路可用于衰減低音.從定性角度來看，中、高音域的增益取決于R12/R11的比值，即為1.在低音域，最小增益[3]R12/(R11+Rp1).

圖4 低頻提升電路

圖5 低頻衰減電路

2.2.3 高頻段

當(dāng)調(diào)節(jié)電位器位于最左端時(shí)，高音提升電路可以等效為圖6所示的電路圖.

圖6 高音提升的等效電路圖

當(dāng)Rp2電位器處于最右端時(shí)，高音信號的衰減簡化為圖7所示的衰減電路.

圖7 高音衰減的等效電路

圖8 音調(diào)控制電路的幅頻響應(yīng)波特圖

2.3 功率輸出器

功率放大整體電路主要是由一個(gè)TDA2030A元器件組成.其電路如下圖9所示.

圖9 功率放大級電路圖

3 電路仿真

利用Proteus對所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真測試，如下圖10所示.

圖10 電路仿真圖

結(jié)合設(shè)計(jì)要求，以輸入振幅為5mv,頻率為1kHz的正弦波進(jìn)行仿真[5]測試.對每一級所要達(dá)到的效果通過示波器的波形進(jìn)行呈現(xiàn).具體仿真結(jié)果如下圖11所示.

(1)在輸入端輸入振幅為5mv,頻率為1kHz的正弦波：

圖11 第一、二、三級輸出的波形

(2)為驗(yàn)證音調(diào)控制級的電位器[6]對高低有調(diào)節(jié)作用，在音調(diào)控制級輸入電壓振幅5mv,頻率分別為100Hz和10kHz的低高頻信號進(jìn)行驗(yàn)證.在音調(diào)控制級輸入電壓振幅為5mv,頻率為100Hz時(shí)，如圖12所示.通過調(diào)節(jié)Rp1后波形的變化如圖13所示.

圖12 100Hz音調(diào)控制級輸出的波形 圖13 調(diào)節(jié)Rp1后的波形

在音調(diào)控制級輸入電壓振幅為5mv,頻率為10kHz時(shí)，如圖14所示.通過調(diào)節(jié)Rp1后波形的變化如圖15所示.

圖14 10kHz音調(diào)控制級輸出的波形 圖15 調(diào)節(jié)Rp2后的波形

(3)在功率放大級輸入電壓5mv,頻率1kHz時(shí)，通過調(diào)節(jié)Rp3可調(diào)節(jié)音量，如圖16所示.

圖16 調(diào)節(jié)Rp3后的波形

4 電路調(diào)試

4.1 前置放大器調(diào)試

信號源輸入為：f=1kHz，VI=5mV；

第一級放大級輸出電壓測量可得：Vo1=505mV；

計(jì)算前置放大級增益為：Vo1/ VI=101>100.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，第一級放大級的實(shí)際增益為101，因此滿足預(yù)期對前置放大級所要求達(dá)到的增益倍數(shù)，符合設(shè)計(jì)要求.

4.2 音調(diào)控制器調(diào)試

通過輸入三種頻段信號對音調(diào)控制器進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如下表1所示.通過對中頻增益調(diào)試、低音提升調(diào)試、高音衰減調(diào)試等測試均能滿足預(yù)期效果.故音調(diào)控制級電路符合設(shè)計(jì)要求.

表1 音調(diào)控制器調(diào)試數(shù)據(jù)表

4.3 功率放大器調(diào)試

按照上述測試步驟進(jìn)行逐項(xiàng)測量得出最終功率放大器的測試數(shù)據(jù)如下表2所示：

表2 功率放大器調(diào)試數(shù)據(jù)表

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果為額定功率的最小功率大于2W，滿足設(shè)計(jì)要求.

4.4 整體調(diào)試結(jié)果

為驗(yàn)證擴(kuò)聲效果，將電路中負(fù)載電阻RL用8Ω/8W的揚(yáng)聲器等效替換，在擴(kuò)音電路的輸入端輸入幅值小于5mV的音頻信號.當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP3增大時(shí)，示波器的波形振幅增大，電壓也隨之增大，最小輸出電壓接近0V.增大音量輸出電壓也隨之增大并且可以達(dá)到最大輸出電壓值.電壓幅值的變化可知音量也連續(xù)可調(diào)，故本次擴(kuò)音電路的設(shè)計(jì)均滿足設(shè)計(jì)要求.

5 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)的擴(kuò)音電路通過輸入不同頻率的信號驗(yàn)證了其均能獲得三級電路的放大實(shí)現(xiàn)音頻放大、音調(diào)和音量調(diào)節(jié)等功能且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求.該擴(kuò)音電路設(shè)備可被廣泛用于教育、廣告宣傳、培訓(xùn)和旅游行業(yè).

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