扩音器课程设计.doc

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吉林工程技术师范学院课程设计论文

电子技术课程设计论文

---扩音器电路设计

院系：

电气工程学院

专业：

测控技术与仪器

班级：

1141班

姓名：

学号：

指导教师：

2013年6月28日

目录

第一章绪论 1

第二章系统总设计方案 2

2.1集成功率放大器 2

2.2放大器原理 2

2.3LM386音频放大电路 4

2.4方案设计 4

第三章仿真测试 7

3.1Protues简介 7

3.2ProtuesISIS工作界面 8

3.3原理图绘制的方法和步骤 11

第四章元器件介绍 17

4.1LM386 17

4.29013晶体管 17

4.3电容 18

4.4扬声器 19

4.5驻极体 21

第五章制板与硬件的安装及调试 23

5.1电路板的制作 23

5.2焊接技术 23

5.3元器件安装与调试 28

5.4性能测试与分析 28

第六章总结 30

参考文献 31

致谢 32

附录 I

附录一：

LM386内部原理图 I

附录二：

LM386扩音器电路Protues仿真电路图 I

附录三：

LM386扩音器电路ProtelDXP电路原理图及PCB布线图 III

附录四：

实物成品图 III

V

第一章绪论

对于工科类院校，电类专业学生在学习到电子线路功放电路章节时，都要有相应的课程设计需要完成，在自己设计扩音器电路时总会遇到一些小问题，要么手边的电路太简单，放大效果达不到所要的效果，要么就是查阅得到的电路太复杂，不易制作实现。

而现在多用于高校功放课程设计的有两种电路，一种是集成功放LM386组成的音频功率放大电路，一种是集成功放TDA2030A组成的音频功率放大电路。

我们此次的课程设计所用的芯片是集成功放LM386。

自从1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negativefeedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。

晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

第二章系统总设计方案

2.1集成功率放大器

随着线性集成电路的发展集成功率放大器的应用日益广泛。

OTL、OCL等电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。

集成功率放大电路的性能指标是应用集成功率放大的依据。

集成功率放大电路的主要性能指标有最大输出功率、电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗、输入偏置电流、总谐振波失真等。

而集成功率放大电路可分为LM386集成放大电路、LA410系列功放集成电路、LM287集成放大电路、TDA1514A集成放大电路等。

2.2放大器原理

在模拟电子线路中，电信号经过放大之后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例如推动喇叭发声，推动继电器实现控制等。

执行机构要正常工作都需要从电路中获取较大的电能。

往往要求放大电路的末级（即输出级）输出一定功率以驱动负载。

因此，放大电路的末级均由功率放大器组成。

功放（功率放大器）的原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。

经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。

而场效应管则是用栅极电压来控制源极与漏极的电流，其控制作用用跨导表示，即栅极变化一毫伏，源极电流变化一安，就称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率的输出，并非真的将功率放大了。

针对功率放大器的特点有以下几项要求：

1.要求输出功率尽可能大；2.电源转换效率要高；3.非线性失真要小；4.功放管的散热要好。

主要讨论的技术指标有最大不失真输出功率、电源效率、功放管的极性参数及电路防止失真的措施。

功率放大器分为甲类功率放大器、乙类功率放大器和甲乙类功率放大器。

其中：

1、输出功率

输出功率是指功放电路输送给负载的功率。

目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一，使用时注意：

（1）额定功率（RMS）：

它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。

经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。

很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。

（2）最大输出功率：

当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率。

（3）音乐输出功率（MPO）：

音乐输出功率MPO是英文MusicPowerOutpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。

为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。

（4）峰值音乐输出功率（PMPO）：

它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。

通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。

2、频率响应

频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不低于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。

国际规定一般音频功放的频率范围是40-16kHz±1.5dB。

3、失真

失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。

波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

4、动态范围

放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。

实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90dB。

自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。

5、信噪比

信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

6、输出阻抗和阻尼系数

（1）输出阻抗：

功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗。

（2）阻尼系数：

阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。

7、工作范围

工作范围是指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率条件下的工作频带宽度，即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围，单位Hz（赫兹），放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。

2.3LM386音频放大电路

LM386是一个三级放大电路。

第一级为差分放大电路，第二级为共射放大电路，第三级电路可以取消交越失真。

LM386的内部原理图见附录2。

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端，当引脚1和8之间外接不同的电阻时，Au的调节范围为20~200。

应当指出，在1和8外接电阻时，只因改变交流通路，所以必须在外接电阻回路中串联一个大容量电容，通常取10μF。

2.4方案设计

本课题采用LM386作为功率放大器

确定各级的增益分配

放大倍数Vs.dB数0dB：

一般将信号电平（0dB）即0.775V作为衡量放大器灵敏度的参考标准。

5mV的dB数为：

。

因为采用的集成芯片LM386，其输出功率为20W，则负载上的电压：

为

又话筒输入为5mV，则整个电路的增益为20lg（13/0.005）=68dB。

考虑到音调级必要的衰减，增益为－2dB左右。

所以取整个电路的增益为70dB。

则各级的增益如下：

*功放级：

26dB（厂家给定的）

*音调控制级：

-2dB。

*前置放大级：

44dB。

前置放大级

功率放大级

电源

负载

图2-1系统构成框图

2.4.1前置放大极

采用共射极放大电路构成前置年放大极，三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。

三极管有一个重要参数就是电流放大系数b。

当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流b倍的电流，即集电极电流。

集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

2.4.2三极管性能的简易测量

（1）用万用表电阻档测ICEO和β

　　基极开路，万用表黑表笔接NPN管的集电极c、红表笔接发射极e（PNP管相反），此时c、e间电阻值大则表明ICEO小，电阻值小则表明ICEO大。

　　用手指代替基极电阻Rb，用上法测c、e间电阻，若阻值比基极开路时小得多则表明β值大。

（2）用万用表hFE档测β

　　有的万用表有hFE档，按表上规定的极型插入三极管即可测得电流放大系数β，若β很小或为零，表明三极管己损坏，可用电阻档分别测两个PN结，确认是否有击穿或断路。

2.4.3电路形式的选择

芯片选用LM386，主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少，压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别

适用于电池供电的场合。

第三章仿真测试

在用PeotelDXP进行PCB设计以及手工画板布线之前，我们决定先用仿真软件对我们设计的电路进行仿真和测试，初步估计一下功放电路的效果，以及通过在仿真软件里对电位器进行调节，大体测试出在仿真软件中功放电路效果比较好的电位器调节范围，以便给现实中元器件的安装、调试提供依据。

我此次对电路仿真所采用的软件是Protues。

3.1Protues简介

Protues是英国Labcenter公司开发的嵌入式系统仿真软件，组合了高级原理图设计工具ISIS（IntelligentSchematicInputSystem）、混合模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线而形成了一个完整的电子设计系统。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟和数字电路，并且对PC机的硬件配置要求不高。

该软件具有以下主要特点：

1.实现了单片机仿真与SPICE（SimulationProgramwithIntigratedCircuitEmphasis）电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能

2.提供了大量的元器件，涉及电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、变压器、继电器、各种放大器、各种激励源、各种微控制器、各种门电路和各种终端等；同时，也提供了许多虚拟测试仪器，如电流表、电压表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器、定时／计数器等。

3.支持主流单片机系统的仿真。

如，68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列等。

4.提供软硬件调试功能。

同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilCμVision3等软件。

5.具有强大的原理图编辑及原理图后处理功能

6.ProtuesVSM组合了混合模式的SPICE电路仿真、动态器件和微控制器模型，实现了完整的基于微控制器设计的协同仿真，真正使在物理原型出来之前对这类设计的开发和测试成为可能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

Protues电路设计是在ProtuesISIS（IntelligentSchematicInputSystem）集成环境中完成的。

3.2ProtuesISIS工作界面

ProtuesISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，包括：

标题栏、主菜单、工具箱、工具栏、状态栏、对象选择按钮、对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器、编辑窗口。

a）编辑窗口

编辑窗口主要完成电路设计图的绘制和编辑。

为了作图方便，在编辑窗口内设置有点状栅格，若想除去栅格可以由View菜单的Grid菜单项切换。

在编辑窗口内放置编辑对象时，被编辑对象所能移动的最小距离称作Snap，亦可由View菜单进行设置。

b）预览窗口

预览窗口可以显示编辑窗口的全部原理图，也可以显示从对象选择器中选中的对象。

当预览窗口显示全部原理图时，在预览窗口有两个框，篮框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示的区域。

在预览窗口上单击，ProtuesISIS将以单击位置为中心刷新编辑窗口。

当从对象选择器选中对象时，预览窗口将预览选中的对象；此时，如果在编辑窗口内单击，预览窗口内的对象将被放置到编辑窗口，这称为ProtuesISIS的放置预览特性。

c）对象选择器

在程序设计中，经常用到对象这一概念。

所谓对象，是一种将状态（数据）和行为（操作）合成到一起的软件构造，用来描述真实世界的一个物理实体或概念性的实体。

在ProtuesISIS中，元器件、终端、引脚、图形符号、标注、图表、虚拟仪器和发生器都赋予了物理属性和操作方法，它们就是一个软件对象。

在工具箱中，系统集成了大量的与绘制电路图有关的对象。

选择相应的工具箱图标按钮，系统将提供不同的操作功能。

工具箱图标按钮所对应的操作功能如表1所列。

表3-1 工具箱各图标按钮功能

名称

图标

功能

Component

选择元器件

Junctiondot

在原理图中添加连接点

Wirelabel

给导线添加标注

Textscript

在电路图中输入文本

Bus

在电路图中绘制总线

Sub-circuit

绘制子电路图块

Instanteditmode

即时编辑模式

Inter-sheetTerminal（Terminals）

图纸内部的连接端子（终端）

DevicePin

元器件引脚

SimulationGraph

仿真分析图表

Taperecorder

当对设计电路分割仿真时采用此模式

Generator

发生器（或激励源）

Voltageprob

电压探针

Currentprob

电流探针

VirtualInstruments

虚拟仪器

2Dgraphicsline

2D制图画线

2Dgraphicsbox

2D制图画方框

2Dgraphicscircle

2D制图画圆

2Dgraphicsarc

2D制图画弧

2Dgraphicspath

2D制图画任意闭合轨迹图形

2Dgraphicstext

（输入）2D图形文字

2Dgraphicssymbol

（选择）2D图形符号

2Dgraphicsmarkersmode

（选择）2D图形标记模式

在对象选择器中，系统根据选择不同的工具箱图标按钮决定当前状态显示的内容。

Protues提供了大量的元器件，通过对象选择按钮P（PickfromLibrary），我们可以从元器件库中提取需要的元器件，并将其置入对象选择器中，供今后绘图时使用。

为了寻找和使用元器件的方便，现将元器件目录及常用元器件名称中英文对照列于表2中。

表3-2 元器件目录及常用元器件名称中英文对照

元器件目录名称

常用元器件名称

英文

中文

英文

中文

AnalogICs

模拟集成电路芯片

AMEMETER

电流表

Capacitors

电容

Voltmeter

电压表

CMOS4000series

CMOS4000系列

Battery

电池／电池组

Connectors

连接器

Capacitor

电容器

DataConverters

数据转换器

Clock

时钟

DebuggingTools

调试工具

Crystal

晶振

Diodes

二极管

D-Flip-Flop

D触发器

ECL10000series

ECL10000系列

Fuse

保险丝

Electromechanical

机电的（电机类）

Ground

低

Inductors

电感器（变压器）

Lamp

灯

LaplacePrimitives

常用拉普拉斯变换

LED

发光二极管

MemoryICs

存储芯片

LCD

液晶显示屏

MicroprocessorICs

微处理器芯片

Motor

电机

Miscellaneous

杂项

StepperMotor

步进电机

ModellingPrimitives

仿真原型

POWER

电源

OperationalAmplifires

运算放大器

Resistor

电阻器

Optoelectronics

光电类

Inductor

电感

PLDs&FPGAs

PLDs和FPGAs类

Switch

开关

Resistors

电阻类

VirtualTerminal

虚拟终端

SimulatorPrimitives

仿真器原型

PROBE

探针

Speakers&Sounders

声音类

Sensor

传感器

Switches&Relays

开关与继电器

Decoder

解（译）码器

SwitchingDevices

开关器件

Encoder

编码器

ThermionicValves

真空管

Filter

滤波器

Transistors

晶体管

Optocoupler

光耦合器

TTL74series

TTL74系列

Serialport

串行口

TTL74ALSseries

TTL74ALS系列

Parallelport

并行口

TTL74LSseries

TTL74LS系列

AlphanumericLCDs

字母数字的LCD

TTL74HCseries

TTL74HC系列

7-SegmentDisplays

7段数码显示器

3.3原理图绘制的方法和步骤

在Protues软件当中，电路的原理图绘制大体分为以下几个步骤：

1.创建新的设计文件

2.设置图纸类型

3.将需要的元器件加入对象选择器

4.放置元器件

5.总线

6.连接元器件

7.加入电源、地、输入波和检测装置

8.标注

9.编辑对象的属性

3.3.1创建新的设计文件

我们学习了很多软件，诸如AutoCAD、ProtelDXP、Keil、MCGS等电气类软件，包括我们日常用到的word、PPT、Excel、PS等软件，在进行操作之前，我们都要先创建工程或者文件，。

而Protues在进行原理图绘制之前也需要先进行文件的创建。

首先，进入ProtuesISIS编辑环境。

选择File|NewDesign菜单项，在弹出的模板对话框中选择DEFAULT模板，并将新建的设计文件设置好保存路径和文件名。

ProtuesISIS的设计文件的扩展名为“.dsn”。

3.3.2设置图纸类型

选择System|SetSheetSizes菜单项，弹出SheetSizeConfiguration对话框。

根据原理图中的元器件的多少，合理选择图纸的类型。

3.3.3将需要的元器件加入对象选择器

选择Library|PickDevice/Symbol菜单项或者单击按钮P（PickfromLibraries），弹出元器件选择页面。

在关键字区域输入需要查找的元器件名称，则元器件列表区域列出名称中含有输入的关键字相关的元器件，同时在元器件预览区域，可以看到该器件的实形；而在元器件PCB封装预览区域，可以看到其PCB预览图。

在元器件列表区域内选中自己所需要的元器件，双击即可将该原器件添加到对象选择器。

单击OK按钮也可以将其加至对象选择器并同时关闭元器件选择页面。

通过这样的操作可将所有需要的元器件添加到对象选择器中。

如下图3-1所示。

图3-1器件查找界面及元件列表

3.3.4放置元器件

在对象选择器中选中要加入到原理图中的元器件,将鼠标指针置于编辑窗口欲放置对象处单击，则该对象完成放置。

按照此方法，可以将所有需要的元器件放置到编辑窗口当中。

本次扩音器电路的元器件摆放如下图3-2所示。

图3-2摆放元器件

3.3.5总线

ISIS支持在层次模块间运行总线，同时也支持库元器件为总线型引脚。

单击工具箱中的BusesMode按钮，使之处于选中状态。

将鼠标指针置于编辑窗口，在总线的起始位置单击，然后移动鼠标指针，到其终止位置双击即可结束总线绘制。

在绘制多段连续总线时，只需要在拐点处单击，步骤与绘制一段总线相同。

3.3.6连接元器件

导线是电气元器件图中最基本的元素之一，具有电气连接意义。

在ISIS编辑环境中没有绘制导线工具，这是因为ISIS具有智能化特点，在想要绘制导线的时候能够进行自动检测。

ISIS具有导线自动路径（WireAutorouter：

简称WAR）功能，当选中两个接点后，WAR将选择一个合适的路径完成连接。

3.3.7加入电源、地、输入波和检测装置

选择工作模式菜单中的终端模式，和选择元器件一样，分别点击要加入到原理图中的电源和地，,将鼠标指针置于编辑窗口该对象的欲放置处单击，则便可以完成该终端的放置。

查找终端界面如下图