电子测量与电路实验报告.docx
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电子测量与电路实验报告
电子测量与电子电路综合设计实验报告
一、实验课题：
扩音机电路的设计与实现
二、摘要：
扩音设备的作用是把话筒、录放卡座、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，主要采用运算放大器和集成音频功率放大电路来构成扩音机电路。
关键词：
增益、前置放大、音调调节、功率放大、失真。
三、设计任务要求
1、基本要求：
a）设计实现一个对华通输出信号具有放大能力的扩音电路，设计指标及给定条件为：
1）最大输出功率0.5w
2）负载阻抗为8欧姆
3）具有音调控制功能，即用两个电位器分别调节高音和低音。
当输入信号为1kHZ时，输出为0dB；当输入信号为100HZ正弦时，调节低音电位器可使输出功率变化±12dB；当输入信号为10kHZ正弦时，调节高音电位器也可使输出功率变化±12dB。
4）输出功率的大小连续可调，即用电位器可调节音量的大小。
5）频率响应：
当高低音调电位器处于不提升也不衰减的位置时，-3dB的频率范围是80HZ~6KHZ，即BW=6kHZ。
6）输入端短路时，噪声输出电压的有效值不超过10mV，直流输出电压不超过50mV，静态电源电流不超过100mA。
b）设计电路，用PROTEL软件绘制完整的电路原理图，实际搭建电路进行调测，完成所需要的功能。
2、提高要求：
提出其他扩音机设计方案。
四、总体设计
1、总体结构框图：
→→→→
话筒输入扬声器输出
图1系统原理框图
2、电路基本原理及设计思路：
前置放大主要完成小信号的放大，一般要求输入阻抗高，输出阻抗低、频带宽，噪声要小，音调控制主要是实现对输入信号高、低音的提升和衰减；功率放大器决定了整机的输出功率、非线性失真系数等指标，要求效率高、是真尽可能小、输出功率大。
设计时首先根据技术指标的要求，确定各级增益的分配，然后对各级电路进行具体的设计。
因为Pomax=0.5w，输出电压Uo=4V,要使输入为5mV的信放大为4V,所需总的放大倍数为800.
扩音机中各级增益分配为：
第一级电压放大倍数为100；音调控制中频电压放大倍数为1；功率放大级电压放大倍数为8.
五、具体设计：
1、前置放大级
由于话筒提供的信号非常弱，一般在音调控制器前面加一个前置放大器。
考虑到设计电路对频率响应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器采用集成运算放大器LF353。
LF353是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声的集成器件。
其输入阻抗达到10000MΏ.单位增益频率为4MHz。
前置放大级由LF353构成两级放大电路。
第一级放大电路的Au1=10，Au2=10.原理图如下：
图2前置放大级电路图
2、音调控制器的设计
音调控制器的功能是根据需要按一定的规律控制、调节音响放大器的频率响应，更好的满足人耳的听觉特性。
一般的音调控制器只对低音和高音的增益进行提升或衰减，而中音信号的增益不变。
原理图如下：
图3音调控制电路图
音调控制的关键是电阻电容网络的选频作用。
输入信号通过两个之路送入输入端用RP1、RP2两个滑线变阻器分别控制高音和低音，达到低音提升、高音衰减和高音提升、低音衰减的功能。
为了使电路获得满意的性能，下面条件必须具备：
1）信号源内阻（即前一级的输出阻抗）不大。
2）用来实现音调控制的放大电路本身有足够的开环增益。
3）C6、C7容量要适当，其容抗跟有观电阻相比，在低频时足够大、在高频时足够小；而C5的选择应该使它的容抗在低、中频时足够大、在高频时足够小。
4）RP1、RP2的阻值远大于R8、R9、R10、R11。
当R8=R11时，该音调电路的中频电压增益约等于1.
其频率响应曲线大致如下：
图4音调控制器频率响应曲线
3、功率输出级的设计
功率输出级的电路结构有多种形式，这里选用TDA2030A型单片集成功率放大电路，主要特点是：
a、上升速率高、瞬态互调失真小；
b、输出功率比较大，单片的TDA2030A的输出功率可达18w；c、外围电路简单，使用方便；
d、采用5脚单列直插的封装形式，体积小；
e、内含各种保护电路，工作可靠安全。
第三级的原理图如下：
图5TDA2030A型单片集成功率放大电路
4、系统总体电路图：
图6系统总体电路
六、所实现的功能说明
1、第二级的音调控制测试：
当输入峰峰值为Vin=5mV的正弦信号时，第一级输出Vo=0.56V，调节音调控制器，可以测得不同频率下第二级的输出列表如下：
100Hz
1kHz
10kHz
Vmax
1.50v
0.56v
1.08v
Vmin
0.22v
0.56v
0.45v
2测试电路的高低音提升与衰减功能
低音提升，高音衰减
f（Hz）
Vout（V）
f（Hz）
Vout（V）
200
1.00
1500
0.56
250
0.86
2000
0.56
300
0.80
2500
0.56
350
0.74
3000
0.56
400
0.70
5000
0.50
450
0.70
8000
0.48
800
0.60
10000
0.45
1000
0.56
高音提升，低音衰减
f（Hz）
Vout（V）
f（Hz）
Vout（V）
50
0.23
4000
0.72
70
0.24
7000
0.84
100
0.25
10000
1.03
500
0.27
12000
1.07
700
0.54
15000
1.08
1000
0.57
18000
1.08
1500
0.57
20000
1.08
2500
0.62
2、对于功率输出级的测试：
当末级输入峰峰值V=0.5V，f=1kHz的正弦信号时，最大不失真输出电压为Vo=6V。
3、综合性能测试：
当输入峰峰值V=5mV，f=1kHz的正弦信号时，Vo=4V，电压放大倍数Au=800.当增大输入信号电压时，得到最大的不失真输出电压为Vo=9.8V。
、
附：
各级波形图
图7第一级放大100倍
图8第二级反向输出
七、故障及问题分析
在实验过程中，遇到了如下问题：
1、面包板有短路现象。
在整个实验过程中，前两级电路搭建调测都比较顺利，而第三级在测试时陶瓷电阻发热非常严重，并有冒烟现象产生。
用电压表测其两端电压发现已经超过了陶瓷电阻的额定电压值。
排查电路连接与各个器件均没有问题，于是怀疑面包板有短路现象。
用导线和万用表检查面包板，发现面包板有多出短路。
于是改用面包板其它位置连接电路，可以达到要求的功能，证明面包板有问题。
2、第三级与前两级电路不能够很好的匹配。
前两级电路经过搭建和调测均能够达到要求的增益，波形稳定无失真。
第三级电路测试也没有问题，但是将前两级与第三级电路连接起来之后波形严重失真，而且陶瓷电阻的发热现象也比较严重。
根据现象，认为电路的元器件之间存在匹配问题，更换了一些元器件之后情况有所改善，但是波形的失真情况仍然存在。
3、第三级的直流偏置不能在面包板上与前两级的直流偏置相连，会出现电流过大的问题，但在外部将直流偏置时，电路的直流电流正常，不会影响电路的功能。
八、实验总结
在本次实验过程中，需要注意以下问题：
1、检查电路原理图。
在实验之前要先检查电路的原理图，改正教程中的错误，不仅有利于实验的正常顺利进行而且可以更深入的了解电路结构及其原理。
2、分级搭建电路、调测。
由于本实验电路共有三级，在实验过程中为了及时发现并解决问题采用分级搭建并调测的办法，利于电路的模块化功能设计调试。
3、注意正确加偏置电压。
在为运放及功放加偏置电压时要格外小心不要加反，否则会烧坏运放。
加好偏置后等待一会观察运放没有法热冒烟想象再加信号。
4、增益的设置。
建议第一级中的两个运放扩大倍数在满足要求的基础上尽量改小一点，可以提高声音的清晰程度，因为声音失真情况多发生于第一级。
第三级反馈大一点完全没有问题，可以把总体增益补偿回来。
5、设计搭建电路结构清晰合理。
本实验的电路较为复杂，在搭建的过程中要对整体布局有一个比较清晰的思路，这样搭建起来的电路才能清晰美观，最重要的是当出现问题时能够快速有效的发现问题，这一点至关重要。
比如可以利用不同颜色的导线来标记电路，地线用黑色导线、正电源用红色导线、负电源用蓝色导线、信号输入用绿色导线、输出用黄色导线、其余的普通电路连接用白色导线等等。
这样连接起来的电路很方便排查，是顺利进行试验的有效保障。
6、胆大心细。
这一点算是做本次试验的一点点体会。
在实验过程中肯定会出现很多问题，不可能一次性成功。
这时候不要慌张，仔细的一级一级的检查电路的各个点位，明确电路实在哪个部分出现了问题，要大胆怀疑问题所在并勇于尝试，这样才能收到良好的实验效果。
大胆假设，小心求证的实验态度是做好实验的关键。
九、所用元器件及测试仪表清单
1、可选器件：
集成运算放大器LF353，单片集成功率放大器TDA2030A,电阻电容若干，导线及其他。
2、所用仪器：
函数信号发生器、示波器、晶体管毫伏表、万用表、直流稳压电源等。
十、protel绘制的原理图和PCB板图
注：
元件库中没有找到TDA2030A，因此用功能与TDA2030A相似的功放LM1875T来代替。
十一、参考文献
《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路中心2010年3月
《电子电路基础》高等教育出版社2008年4月
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