《具有消除环境噪声、音调控制的扩音系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《具有消除环境噪声、音调控制的扩音系统.doc（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流具有消除环境噪声、音调控制的扩音系统.精品文档.具有消除环境噪声、音调控制的扩音系统 2008 年3 月摘 要扩音系统就是对音频信号进行功率放大的系统。扩音系统在生产生活中具有十分广泛的用途。现在我们通过对扩音系统的原理及构成设计一个能消除环境噪声并且可以进行音调控制的BTL功率放大扩音系统。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。按照设计的方案进行仿真以及调试，观察仿真效果并与课题要求的性能指标进行对比。最后分析误差产生的原因以及改进的方案。关键词：环境噪声；音调控制；功率放大；误差分析目录目录2第1章 绪论31.1
2、课题背景及意义31.2 有关说明31.3软件环境3第2章 方案审计框图与比较4第3章 单元电路设计、元器件选择与计算53.1 电源电路单元53.2 噪声消除单元53.3中间级放大单元73.4音调控制单元83.5 BTL功率放大单元14第4章 整机电路的工作原理16第5章 电路的调试、仿真与数据分析165.1电源电路单元仿真165.2噪声消除单元仿真165.3中间级放大单元仿真185.4音调控制单元仿真185.5BTL放大仿真单元仿真215.6数据分析21第6章 结论与体会236.1 课题指标完成情况236.2总结与收获23附录241 元器件列表242整机电路原理图273 印刷电路板图284 参
3、考文献29第1章 绪论1.1 课题背景及意义近年来，人们生产生活水平稳步提高。电脑、MP3、CD机、随身听等娱乐设备迅速普及，现代化电子教学迅速推广，电子设备的推广给国家和人民带来了极大的方便。因为电子设备的普及，音响设备在现实生活中的应用也变得越来越广泛。同时也导致了扩音系统设计的高速发展。扩音电路最基本的功能在于将原有音频信号进行放大后输出。而现在随着各种新的设计理论不断产生，扩音系统的发展趋势是高保真化、数字化以及小型化。高保真的定义是与原来的声音高度相似的重放声音，也就是在扩印过程中消除噪音使声音不失真；数字化是指扩音电路实现自动调节功能声音的大小、音调等性能。现在我们要设计的就是这种
4、能够达到消除噪声以及自动控制音调的扩音电路。1.2 有关说明已知技术参数和设计要求：1.采用差分电路，消除环境噪声（按学号确定AV=27）2.采用有源音调控制器控制音调（按学号确定提升、衰减量db=27）3.采用BTL功率放大器，使电路最大输出BTL功率（按学号确定PW=27）4.便携式电池6伏供电5.话筒：采用驻极体话筒6.扬声器：阻抗选择范围：4、8、16、32；功率选择范围：1W，2 W，4 W，5 W，8 W，10 W，15 W，20 W，25 W，30W1.3软件环境1PROTEL 99SE2. Multisim 10第2章 方案审计框图与比较本课程设计电路分成四个模块进行设计，方案
5、框图如图1：图1：设计方案框图第一模块是利用差分放大电路进行噪音消除。此模块可选用三极管或运算放大器进行设计。其中三极管电路简单，器件常见，并且由三极管组成的具有恒流源的差分放大电路性能较好，三极管电路缺点是三极管值不稳定，易发生变化。现选择三极管设计本模块，经耐心调试，可使其达到所要求的指标。本模块预计使其差分信号放大倍数为27。第二模块是中间级放大电路，可选用三极管或运算放大器进行设计。因集成运算放大器精度高，且容易控制输入电阻以满足前一级对负载的要求本模块，所以采取运放设计本模块。本级对小信号进行放大，以达到最后的最大输出功率的要求。第三模块是音调控制电路模块，本模块使用运放反相放大，改
6、变电容值，进而对频率产生影响，使其对不同频率的音频信号进行提升或衰减的控制。本模块预计使电路的最大衰减量及最大提升量为27dB。 第四模块是BTL功率放大模块，本模块采用集成芯片TDA2030。TDA2030优点是工作电压范围大，精度高，输出功率较大。本模块预计使其最大输出功率为27W。第3章 单元电路设计、元器件选择与计算3.1 电源电路单元本模块使用运算放大器LM324来进行直流电源的转换。利用利用运算放大器的同相放大使电源的输出电压为+12V，利用运算放大器的反相放大使电源的输出电压为-12V。LM324电源电压变化范围大，因此可以直接使用6V电池作为电路电源。电路原理图如图2所示：图2
7、：电源转换电路图其中运放U1A输出端输出+12V电源，U2A输出端输出-12V电源。3.2 噪声消除单元消除噪声的系统采用具有恒流源的差分放大电路实现，电路中三极管、和采用常用的2N2222A型三极管，其值为200。三极管、 与电阻、及电位器共同组成差分放大单元的基本电路。三极管、与电阻、共同组成恒流源电路，为差分电路的三极管提供恒定的电流。由于三极管、和的特性相同，所以电路参数应完全对称，通过来调整电路的对称性。同时，由于电路的对称性特点，电源波动及温度的变化等因素对、的影响是一样的。因此，本差分放大电路可达到抑制环境噪声的作用。其电路图如图3所示：图3：噪声消除电路图本模块采用双端输入双端
8、输出,输入为两个驻极体话筒, 负载为下一级输入电阻。当声音从一个话筒输入时，其输入端信号为。其中 S(t)为语音信号，N(t)为环境噪声；另一输入端信号为= N(t)，输出信号为。因此可很好的起到放大音频信号及抑制噪声作用。由于选用了双端输入双端输出型的差分电路，可知其差模电压增益为：=；共模电压增益为：。差分放大电路的正负直流源电压分别为：+=12V，-=-12V。电路静态工作点主要由恒流源决定，故一般先设定的值。取值要恰当，一般为几十微安至几毫安。本设计取，所以有，所以，因此近似取=6.8。若想使=27，则可设=10，取=6.2。又由公式：，得=11.3。所以取=2，=10。为了防止负反馈
9、过强，使得放大器增益很小，所以射极电阻不能太大，一般取取值为几十欧姆左右的精密电位器，以便调整电路的对称性，在此取=47。3.3中间级放大单元本模块采用集成运算放大器LM324，利用其反相放大，且使其输入电阻满足上一级的负载电阻=6.8。设计电路图如图4：图4：中间级放大单元电路图其中为电源内阻，即上一级输出电阻，本级输入电阻为，为负载。本模块电压放大倍数为：2。经过差分放大和中间级放大，音频信号共放大54倍。音频信号一般为几到几十毫伏，由此可知，经过放大后信号将达到几百毫伏，能够满足最大输出功率的要求。3.4音调控制单元音调控制单元采用反馈型音调控制电路，其工作原理如图5所示。为了使分析方便
10、，取，图5：音调控制单元电路图当信号频率处于低音频区时，可将近似看作开路，信号的传输和反馈主要由上半部分电路完成，所以为低频调节电位器。当信号频率在高音频区时，可看成近似短路。下半部分电路是影响频率特性的主要因素，所以使高音调节电位器。现分析如下。1 信号频率在低频区此时简化电路如图所示，放大单元是理想放大器，上几乎没有电流流过。(1) 低频提升当的滑动端移到最左端时，电路如图6所示，图6：低频提升电路图其中：则有：当信号频率降到时，可求得：根据上述分析可知，在中音频区，其闭环增益为0dB，随着频率的降低，增益将逐渐增大。当和时，幅频特性曲线出现转折，所以和是两个转折频率，低频最大提升量可达。
11、(2)低频衰减当的滑动端移到最右端时，电路如图所示，图7：低频衰减电路图其中：令：则有：由此可知：当信号频率降到时，可求得：由分析可知，在接近中音频区的闭环增益为0dB，从开始，随着频率的降低，到时，进入平坦部分，达到最大衰减量。2 信号频率在高频区为了分析方便，将T型电路等效成型电路, 因，则。等效电路图如图8所示：图8：高频等效电路图(1) 高频提升的滑动端位于最左端时：令：则有：当信号在中音频区时，,则有：当信号频率时，则有：(2)高频衰减同理，的滑动端位于最右端时：当时，最大衰减量为：3 本电路的设计 因为学号为27，所以在电路最大衰减量为-27dB，最大提升量为27dB，则。低频最大
12、提升量：高频最大提升量：则有：现取值：则可求得：，另外，电容取值：，。3.5 BTL功率放大单元功率放大器的作用是给音响放大器的负载(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率越大越好，效率越高越好，输出信号的非线性失真越小越好。功率放大器常见电路形式有OTL(Output Transformerless)电路、OCL(Output Capacitorless)电路和BTL（Balanced Transformer Less）电路。其组成有用集成运算放大器和晶体管组成的功放及专用集成电路功放。本课程设计选用BTL电路进行功率放大。BTL（Balanced Transformer
13、Less）称为桥接推挽功率放大电路，其电路模型如图9。由图可见，该电路类似于桥式电路，其中4个晶体管组成桥臂。无输入信号时，电桥处于平衡状态，中点保持等电位，静态时上没有电流。BTL电路的特点是需要两个大小相等、相位相反的信号进行激励，设为正、为负，此时T1、T4正偏处于导通状态，T3、T4反偏处于截止状态，信号电流经过T1、T4；当为负、为正，情况与上述情况相反，信号电流流经T3、T2，这样在上即可获得完整周期的交流信号。图9：BTL功率放大电路模型BTL电路的框图形式如下：反向器集成运放A1集成运放A2信号图10：BTL电路框图本模块采用集成运放TDA2030，TDA2030是一种音频功放
14、电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。电路如图11所示：图11：BTL电路电路图第4章 整机电路的工作原理音频信号由话筒处输入，经差分电路消除环境噪声，并对差模信号进行放大（即对语音信号电压放大27倍）；差模输出电压再经过中间级放大，使得音频信号能使最大输出功率为27W；然后音频信号再经过音调控制，使高频或低频信号得到提升或衰减27dB，以达到所要求的指标；其后信号输入到BTL功率放大电路，使得最大输出功率为27W；最后再推动扩音器发出声音。综上，音频信号在整个传输过程中实现
15、了环境噪声消除，小信号放大，音调控制，功率放大等功能。第5章 电路的调试、仿真与数据分析本课程设计使用Multisim10.0进行仿真及调试。5.1电源电路单元仿真仿真中使用6V电池作为运放的输入信号和驱动电源。仿真波形如图：图12：电源电路仿真结果输出信号分别为+12V直流电压和12V直流电压。5.2噪声消除单元仿真仿真中得到的波形图如下：图13：噪声消除单元仿真结果：输出电压（左）、输入电压（右）由仿真结果可以得到当输入两个信号的电压差为19.995mV时，输出的电压为425.857mV，电压放大倍数=26.567经调试，仿真中，取时，仿真图如下：图14：噪声消除单元调试结果：输出电压（左
16、）、输入电压（右）可以得到当输入两个信号的电压差为19.995mV时，输出的电压为446.332mV，电压放大倍数。5.3中间级放大单元仿真中级放大电路的输入信号为差分电路的输出信号，用示波器测量其输入输出信号，仿真波形图为：图15：中间级放大单元仿真结果5.4音调控制单元仿真仿真结果如下：（1）低频最大衰减量：当输入频率为10Hz的正弦波时，用示波器测的波形如图：图16：音调控制单元低频衰减仿真波形图输入电压=999.900mV,输出电压=50.386 mV，计算的衰减量为-26.1dB。波特图为：图17：音调控制单元低频衰减仿真波特图（2）低频最大提升量：当输入频率为10Hz的正弦波时，用
17、示波器测的波形如图图18：音调控制单元低频提升仿真波形图输入电压=999.397 mV，输出电压=20.064V。计算得提升量为26.05dB。波特图为：图19：音调控制单元低频提升仿真波特图（3）高频最大衰减量：当输入频率为50kHz的正弦波时，用示波器测的波形如图图20：音调控制单元高频衰减仿真波形图输入电压=990.246mV,输出电压=42.623 mV。衰减量为-27.32dB波特图为：图21：音调控制单元高频衰减仿真波特图（4）高频最大提升量：当输入频率为30kHz的正弦波时，用示波器测的波形如图图22：音调控制单元高频提升仿真波形图输入电压=961.250mV，输出电压=19.4
18、84V。提升量为26.14dB波特图为：图23：音调控制单元高频提升仿真波特图5.5BTL放大仿真单元仿真用示波器测量输出信号，测其最大不失真电压。仿真波形如图：图24：BTL放大仿真单元仿真波形图5.6数据分析对得的实验数据进行分析并与理论值比较。（1）对电源电路仿真结果为正负12V无误差，与理论值完全符合。（2）对差分放大电路结果进行比较，理论值为电压放大27倍，仿真值为26.567。仿真值与理论值误差为1.6%，其原因是三极管值易受外界影响而有所变动，且误差在允许范围内。（3）对中间级放大电路结果进行比较，理论值为2，仿真值为2.00（4）对音调控制电路结果进行比较，根据所选电阻电容值，
19、计算理论值并与实际实验值比较。低频提升量为：=22.39，实际实验值为：26.05dB低频衰减量为：实际实验值为：-26.1dB 高频提升量为：=22.39，实际实验值为：26.14dB高频衰减量为：实际实验值为：-27.32dB 音调控制实验值与理论值误差较大，因为作等效的时候，均把电容等效成短路或开路，实际中电容上也有一定的电流，导致结果与理论值有较大一点的误差。 （5）对功放电路进行结果分析，理论最大输出电压幅度为2，最大输出功率理论值为2/，但因其输出最大电压会有失真，达不到2，设其最大输出电压幅度为，则其最大输出功率为/2，实验中最大输出电压幅度约为20.9V，误差为12.91%，其
20、最大输出功率为27.3W。第6章 结论与体会6.1 课题指标完成情况基本完成了对具有消除环境噪声、音调控制的扩音系统的设计工作。此课题要求消除噪声系统的电压放大倍数为27倍，音调控制系统的最大提升和衰减量为27dB，功率放大器的最大输出功率为27W。经过精心的设计和耐心的调试，最终使差分放大电路的电压放大倍数为26.567倍；中间级电压放大2倍；音调控制系统低音频时的最大提升和衰减量为+26.05dB和-26.1dB，高音频时的最大提升和衰减量为+26.14dB和-27.32dB；功率放大器的实际最大输出功率为27.83W。6.2总结与收获通过这次课程设计的学习，具有消除环境噪声、音调控制的扩
21、音系统的设计不但使我对电子产品的电路设计有了一定的了解，也让我在其他方面受益良多。首先，在资料查找过程中通过网络等途径了解了音响设计的历史以及未来的发展趋势，了解了现今世界以及国内音响设计方面和市场方面的概况。通过阅读文献，初步了解了电子电路的设计的方法并了解了对各种设计方案的比较分析。其次，在设计过程中培养了正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。培养了综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。通过课程设计实践，训练并提高了在理论计算、结构设计、查阅设计资料和应用计算机等方面的能力。第三，在仿真及调试过程中应用Multis
22、im 9，进一步学习Multisim 9的一些高级操作。在课程设计后期接触了并尝试了Protel 99SE软件，了解了Protel 99SE软件的基本操作，了解了与其他仿真软件的不同之处。最后，在整个课程设计过程中存在许多问题和困难，但是解决这些问题和困难却是让人最有收获的。不但培养了我们勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、有错必改、精益求精的工作态度，而且使我们的思想更加成熟，是我们在未来的工作学习过程中可以有更高的效率。附录1 元器件列表Part TypeDesignatorFootprintDescription+6VV0Voltage Source0.003C6RAD0.
23、4Capacitor0.012C5RAD0.4Capacitor0.22C15RAD0.4Capacitor0.22C14RAD0.4Capacitor1R25AXIAL0.3Resistor1R26AXIAL0.3Resistor1C13RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor1C10RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor1C7RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor1KR2AXIAL0.3Resistor1KR4AXIAL0.3Resistor1KR3AXIAL0.3Resistor2.2KM1MP1Microphone2.2KM2MP1Microph
24、one2KRe1AXIAL0.3Resistor2KRe2AXIAL0.3Resistor2KR5AXIAL0.3Resistor2N2222AQ3TO-18NPN BJT2N2222AQ4TO-18NPN BJT2N2222AQ1TO-18NPN BJT2N2222AQ2TO-18NPN BJT4.6KRb1AXIAL0.3Resistor4.6KRb2AXIAL0.3Resistor5KR17AXIAL0.3Resistor7.9kR8AXIAL0.3Resistor10C2RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor10KRc1AXIAL0.3Resistor10KRc2AXIA
25、L0.3Resistor10KRAXIAL0.3Resistor10kR11AXIAL0.3Resistor15KR14AXIAL0.3Resistor15KR15AXIAL0.3Resistor15KR16AXIAL0.3Resistor16LS1SP1Speaker22KR18AXIAL0.3Resistor22KR21AXIAL0.3Resistor22KR22AXIAL0.3Resistor22KR19AXIAL0.3Resistor22KR24AXIAL0.3Resistor22kR13AXIAL0.3Resistor32LS2SP1Speaker45KR1AXIAL0.3Resis
26、tor45KR6AXIAL0.3Resistor47W3VR4Potentiometer47RP1VR4Potentiometer79kR9AXIAL0.3Resistor100C12RAD0.4Capacitor100C9RAD0.4Capacitor100C11RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor100C4RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor100C3RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor100C8RB.5/1.0Bi-Polar Capacitor100kR7AXIAL0.3Resistor100kR10AXIAL0.3Resistor100
27、kR12AXIAL0.3Resistor150Kw2VR4Potentiometer150Kw1VR4Potentiometer680R20AXIAL0.3Resistor680R23AXIAL0.3ResistorLM324U1DIP14Low Power Quad Operational AmplifierLM324U5DIP14Low Power Quad Operational AmplifierLM324U3DIP14Low Power Quad Operational AmplifierLM324U4DIP14Low Power Quad Operational Amplifier
28、LM324U2DIP14Low Power Quad Operational AmplifierTCA0372U7DIP14Dual Power Operational AmplifierTCA0372U6DIP14Dual Power Operational Amplifier2整机电路原理图3 印刷电路板图4 参考文献1卢结成、高士忻、陈力生、田红民等著电子电路实验及应用课题设计中国科学技术大学出版社，200297-101页2黄州等编著新编音响实用集成电路大全电子工业出版社，19953 范博 射频电路原理与使用电路设计（第一版）机械工业出版社，2006153-168。4陈郁发等编音响集成电路福州科学技术出版社，19935 孟宪功、郭斌噪声对扩音系统的影响及消除噪声的方法宁夏工程技术2003，第2卷（第一期）：93-95。6张志荣、李建强、顾雪峰18W低频功率放大器（BTL）MB3731特性探讨河北建筑工程学院学报1999，17卷（第三期）：80-84。7祖鹏用LM19875组成BTL高保真放大器电子制作1996，第7期：88 谭孝辉、向守兵集成功率放大的设计与制作电子制作2006，10期：60-62。