擴音系統的設計與實現

胡 晶

(福州理工學院 工學院，福建 福州 350506)

隨著現代電子技術高速發展，集成電路被廣泛用在各類電子器件開發上，比如音響系統.目前的音響系統根據放大器原理可分為A型、AB型、B型.三種類型的功放均為模擬，其功放的實際效率依次是15-20%、50-70%、78%.但當它們的輸出功率小于額定輸出功率時，如播放變化的音調平均工作效率只有30%左右.從技術原理角度看，擴音系統主要是由三級放大電路構成：前置放大用于放大信號功率，設計時要兼顧噪聲、阻抗、頻帶因素；音調控制則是將原始音調調節到目標音調；功率放大器將放大后的信號推送到揚聲設備.因此在設計整個擴音系統的電路時應先根據需求設立目標要求再確定每一級電路的放大配比進而形成一套高效的擴音系統電路.

1 電路原理

擴音電路[1]主要是由三級放大電路組成.本次設計結合擴音設備在生活中實際應用情況給出了相應的設計目標：(1)輸出的最大功率在2W以上；(2)音調可控.即用兩個電位器分別調節高音和低音.當輸入1kHz信號時，其輸出為0dB.當輸入100Hz和10kHz，通過調節低/高音電位器使輸出功率在-12dB和12dB之間變化；(3)頻率可響應.當高、低音電位器未衰減也未提升時，-3dB的頻率范圍是80Hz～6kHz；(4)當輸入口處于短路時，直流輸出電壓控制在50mv內，輸出噪聲電壓的有效值控制在10mv內，靜態電流控制在不100mA內.根據電路需求分析,將整個系統的電路分為供電電路和擴音電路.擴音電路由前置放大電路、音調控制電路、功率放大電路組成.

2 模塊設計

2.1 前置電路

為達到預期設計要求，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音電路的低頻響應，其他元器件參數選擇為C2=100pf，R4=R7=100KΩ.如下圖1所示.其中對集成運放[2]LF353的輸入增益頻率、偏置電流和阻抗、轉換速率等參數依次設置為4MHz、50×10-12A、104MΩ、13V/μs.LF353元件組成兩級放大電路構成前置放大級可實現對輸入信號的放大.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 音調電路

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

圖2 音調控制級電路

2.2.1 中頻段

中頻段時電路要保持穩定，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容抗較大導致，將低音電位器Rp1調到最左端時C6處于短路狀態.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Rp1調到最右端時C7處于短路狀態，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

當調節電位器位于最左端時，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Rp2電位器處于最右端時，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 音調控制電路的幅頻響應波特圖

2.3 功率輸出器

功率放大整體電路主要是由一個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對所設計電路進行仿真測試，如下圖10所示.

圖10 電路仿真圖

結合設計要求，以輸入振幅為5mv,頻率為1kHz的正弦波進行仿真[5]測試.對每一級所要達到的效果通過示波器的波形進行呈現.具體仿真結果如下圖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)為驗證音調控制級的電位器[6]對高低有調節作用，在音調控制級輸入電壓振幅5mv,頻率分別為100Hz和10kHz的低高頻信號進行驗證.在音調控制級輸入電壓振幅為5mv,頻率為100Hz時，如圖12所示.通過調節Rp1后波形的變化如圖13所示.

圖12 100Hz音調控制級輸出的波形 圖13 調節Rp1后的波形

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

圖14 10kHz音調控制級輸出的波形 圖15 調節Rp2后的波形

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

圖16 調節Rp3后的波形

4 電路調試

4.1 前置放大器調試

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；

計算前置放大級增益為：Vo1/ VI=101>100.

根據實驗數據可知，第一級放大級的實際增益為101，因此滿足預期對前置放大級所要求達到的增益倍數，符合設計要求.

4.2 音調控制器調試

通過輸入三種頻段信號對音調控制器進行調試，調試結果如下表1所示.通過對中頻增益調試、低音提升調試、高音衰減調試等測試均能滿足預期效果.故音調控制級電路符合設計要求.

表1 音調控制器調試數據表

4.3 功率放大器調試

按照上述測試步驟進行逐項測量得出最終功率放大器的測試數據如下表2所示：

表2 功率放大器調試數據表

通過實驗數據的計算可得到實驗結果為額定功率的最小功率大于2W，滿足設計要求.

4.4 整體調試結果

為驗證擴聲效果，將電路中負載電阻RL用8Ω/8W的揚聲器等效替換，在擴音電路的輸入端輸入幅值小于5mV的音頻信號.當調節電位器RP3增大時，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到最大輸出電壓值.電壓幅值的變化可知音量也連續可調，故本次擴音電路的設計均滿足設計要求.

5 總結

本次設計的擴音電路通過輸入不同頻率的信號驗證了其均能獲得三級電路的放大實現音頻放大、音調和音量調節等功能且各項指標均滿足預期的設計要求.該擴音電路設備可被廣泛用于教育、廣告宣傳、培訓和旅游行業.

[參考文獻]

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