扩音器的设计

扩音器的设计

1004061065——陈国东

很多场合都需要用到扩音设备，很多产品都和扩音设备有着千丝万缕的联系。从话筒，麦克风，ＣＤ到电视，手机等等，这些广播系统都含有扩音设备，用以把从话筒、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。作为电子线路的设计，我所做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。

设计目标：

由于人的声音是低频的，所以我们所要设计的是一个低频放大电路。在ｍｕｌｔｉｓｉｍ中设计一个扩音器使之其对声音能够基本不失真的放大。并且利用ｍｕｌｔｉｓｉｍ这个软件仿真，能够得到实验所需要的效果。运用前置放大和功率放大使信号能够驱动蜂鸣器发声（由于在ｍｕｌｔｉｓｉｍ这个软件中找不到蜂鸣器所以我用8欧姆的电阻来代替），并且输出波形和输入的波形周期一致。

总体设计方案：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。主要步骤如下图所示：

图1

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；

功率放大主要完成对功率的放大，使之能够驱动扩音器发声。其中输入的信号我用0.01V ，60赫兹的交流稳压电源来表示（由于起先选的是0.1V

，所以图中的是0.1V ）。

各部分功能及设计：

前置放大器：由于输入信号非常弱，故要加一个前置放大器，放大输入信号的电压，这是为了能够使后面的功率放大器以及蜂鸣器能够工作而所做的准备工作。前置放大器的设计可以用运放也可以选择ＴＴＬ电路，在此我选用了运放电路，因为运放电路看上去比较清晰明了。

图2

这是一个单级的由运放组成的前置放大电路，其中Ｃ８和Ｒ９以及Ｃ９的功能是滤掉高频成分，是一个除噪音的功能。R8和Ｒ６是决定放大倍数的电阻。

图3

这是一个二级的运放前置放大电路，一些基本器件的些功能和一级放大都相似。这是两种方案，当然具体选那种还要看各类的指标。如果结果相同那选一级放大，因为材料方面要省的多。

功率放大电路：功率放大电路的设计意义是为了使音频信号的功率放大到足以驱动蜂鸣

器工作时的功率。功率放大电路的设计如下图所示：

图4

图中Ｒ３，Ｒ４组成反馈网络;Ｃ６为直流负反馈电容；Ｒ２为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声；Ｃ３为信号耦合电容，Ｒ５和Ｃ７组成输出去耦电路，防止功放产生高频自激；Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５是电路去耦电容；电源电压采用＋１５Ｖ和－１５Ｖ。

元器件选择：

前置放大电路中本来的打算想用ＬＭ３８６运放，该运放具有低噪声高输入电阻的优点，但是由于该运放在我的软件中没有，故选用了模电书上例题中的有的７４１运放。用该运放能够基本实现所想要的功能。

功率放大电路中ＬＭ１８７５这个运放。LM1875是一个输出功率最大可达到30W的音频功率放大电器，A V o为90ＤＢ，失真率为０.０１５％，带宽７０赫兹，具有Ac和DC短路保护电路和热保护电路。放大倍数可以根据自己的需要调节R8 和R6 或者R12和R6的值来改变放大倍数。其中一级放大和二级放大以及前置放大和功率放大之间用稍大的电容1U。由于电脑上安装的ｍｕｌｔｉｓｉｍ系统中没有蜂鸣器，故在实验中用8欧姆的电阻来代替。一级放大放大倍数=Ｒ６／Ｒ４＋１，二级放大放大倍数=（Ｒ８／Ｒ６＋１）（Ｒ１２／Ｒ１３＋１），一级放大两者平衡电阻＝（Ｒ４｜｜Ｒ６），二级放大两者平衡电阻分别

为（Ｒ８｜｜Ｒ６）和（Ｒ１２｜｜Ｒ１３），当阻值变化时，平衡电阻也应该相应改变，是两个的并联电阻。

仿真结果：

通过仿真可以发现一级仿真和二级仿真在电阻放大倍数相同的情况先，二级放大比一级放大稳定性更加高。单级仿真结果如图所示:

图5

此放大倍数为１１倍，波形基本不失真。

二级放大如图所示：

图6

此放大倍数约为２０倍，波形基本不失真。

当单级放大倍数理论上是２０倍时，实际的放大倍数（是３倍）如下图所示。

图7

并且当理论倍数上升时，示波器的波形不变，二级放大也遵守这个规律，放到一定程度会放不上去。所以综合情况考虑，还是选择二级放大要好。把二级放大和功率放大器连接在一起后，问题又出现了，发现仿真后的电压太大了，达到了50多伏。这时候通过测量，发现二级放大电路后电压变成2伏多，而功率放大器的增益为20倍左右，所以首先我尝试把ＶＣＣ和VEE减小，当减小到1.5V时，电压为十二伏，144/8=18瓦。然后我想通过减小前置放大倍数来减小输出功率，仿真出来变是变小了，但是变化的幅度不是很大。后来查到由于我的输入电压（0.1V）太高了，我把它减小到0.01V，这时候调整VCC和VEE为正负5V 时，基本上出现了想要的结果，功率放大输出电压有效值为5V左右。输出功率为3瓦多一点。并且你如果想得到大一点的输出功率的话，你可以通过同时提高电压（VCC和VEE）的值或者可以增加前面两级的前置放大倍数来实现。最后的实验设计图如下：

运行的结果：输出的电压为5.066V。功率大约为3W左右。

上图：输入电压和一级放大的电压波形比较

图10

上图：二级电压放大和功率放大的电压输出波形

由两幅图可以看出经过两级电压放大和一级的功率放大输出波形基本没有发生失真现象。结论：

在此次实验设计中出现了很多的难题，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，我了解了扩音器电路的用途及工作原理，熟悉了的扩音电路的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。设计过程中查了很多的资料，从网上查到图书馆，但是很多的电路实在太复杂，元器件太多，根本属于那种看一眼就觉得很自卑那种。后来在图书馆里面翻那些大学生竞赛一些相关书的时候，看到个经常出现的词语——音频放大，通过问老师发现扩音器就是一种低频放大电路。然后根据前置放大加功率放大，设计了几个电路，虽然这些对后来的结果都没有什么直接的因素，但是在画图中对于整个软件的熟悉程度提升了很多，在思考中有了自己的一点思路。在前置放大中，起先输入电压我选的是1V，但是仿真中它放大倍数不够大，很快就会失真，这里想了很久，包括多接几个电容什么的。通过这次实验，我也发现了我们的不足，看了很大学生电子设计的书，了解到我们的知识跟他们相比真的太浅了。很多内容都不是很了解，比如一功率放大电路图，元件用到的真的很多，而且这只是仿真，如