49877

Усилитель звуковой частоты. Расчет АЧХ усилителя

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ВЫБОР ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ. РАСЧЕТ АЧХ УСИЛИТЕЛЯ. По номинальному входному напряжению 20 мВ и внутреннему сопротивлению источника сигнала 250 Ом можно предположить что источником сигнала для данного усилителя является микрофон. ВЫБОР ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ.

Русский

2014-08-23

3.16 MB

19 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра РПРУиТВ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему: "Усилитель звуковой частоты"

Выполнил:

Ст. гр. Р-12

Филатов В. К.

Руководитель:

Ст. преп. каф. РПРУиТВ

Снежкова Л.А.

Таганрог 2004

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.…………………………………………………... 2

ВВЕДЕНИЕ.………………………………………………………………………4

  1.  ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ.………………………………………………………………...5
  2.  РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ…………..5
    1.  Предварительный усилитель………………………………………….5
    2.  Усилитель мощности…………………………………………………..8
    3.  Расчет регулятора тембров……………………………………………9
    4.  Расчет разделительных емкостей……………………………………..9
    5.  Расчет эмиттерного повторителя……………………………………11
    6.  Расчет напряжений питания…………………………………………11
    7.  Расчет коэффициента гармоник……………………………………..11
  3.  РАСЧЕТ АЧХ УСИЛИТЕЛЯ……………………………………………….11
  4.  РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТА ТЕМБРОБЛОКА………………………………………………...12
  5.  ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ…………………………………………….13
  6.  ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ……………………………..14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………15

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...16

ВВЕДЕНИЕ

В данном проектировании предлагается разработать усилитель звуковой частоты, с заданными в техническом задании параметрами. По номинальной выходной мощности (4 Вт) видно, что усилитель имеет малую мощность. По сопротивлению нагрузки (8 Ом), можно предположить, что усилитель будет нагружен на динамическую головку громкоговорителя. По номинальному входному напряжению (20 мВ) и внутреннему сопротивлению источника сигнала (250 Ом) можно предположить, что источником сигнала для данного усилителя является микрофон. По частотам среза (60-16000 Гц), допустимому уровню нелинейных и частотных искажений (1% и 0.7 соответственно) видно, что усилитель является усилителем второго класса, и должен иметь небольшие вес, габариты, стоимость и должен быть собран на недорогой элементной базе.

1. ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ.

Исходя из технического задания, установим, что усилитель должен иметь следующим параметры:

  1.  Номинальная выходная мощность: 4 Вт
  2.  Сопротивление нагрузки: 8 Ом
  3.  Номинальное входное напряжение: 20 мВ
  4.  Внутреннее сопротивление источника сигнала: 250 Ом
  5.  Нижняя граничная частота: 60 Гц
  6.  Верхняя граничная частота: 16 кГц
  7.  Допустимый уровень частотных искажений: 0.7
  8.  Допустимый уровень нелинейных искажений: 1 %
  9.  Предусмотреть регулировку громкости и регулировку тембра.

Для предварительного микрофонного усилителя была выбрана Интегральная микросхема К157УП1(2), для оконечного усилителя – TDA2613. На этих ИМС можно построить усилитель, отвечающий заданным параметрам.

Рис. 1 Структурная схема усилителя.

Расчет схемы усилителя:

Uвх=20 мВ, КуUпу= 48 дБ (≈250 раз) Uвых пу= 5В; Будем считать, что темброблок ослабляет сигал на 20 дБ (в 10 раз) UвыхТБ=Uвыхпу/KослТБ=0.5 В. После оконечного усилителя (КуUоу=30дБ (30 раз) получим Uвыхоу=15 В. Требуемая мощность = 4Вт, то есть на нагрузке R=8 Ом U=5.6 В.

Можно сделать вывод, что выбранная схема удовлетворяет заданным в ТЗ параметрам.

2. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ.

2.1. Предварительный усилитель.

В качестве предварительного усилителя целесообразно выбрать микросхему К157УП1, так как она проста в использовании, имеет простую структуру, распространена и дешева. Проведем исследование микросхемы К157УП1(2):

ИМС К157УП1, К157УП2 (рис. 2) представляют собой две модификации двухканального микрофонного усилителя, конструктивно совмещенного с двухканальным предварительным усилителем записи. Оба усилителя имеют малый уровень собственных шумов и обеспечивают усиление сигналов 160 мкВ...10 мВ, подводимых соответственно к входу микрофонного и предварительного усилителя, до стандартного уровня на линейном выходе магнитофона (250 мВ).

ИМС К157УП1 и К157УП2 выполнены на одинаковых кристаллах, но по-разному подключенных к внешним выводам. По электрическим параметрам они совершенно идентичны.

ИМС предназначены для применения в высококачественной аппаратуре магнитной записи и другой низкочастотной стереофонической аппаратуре (УЗЧ, электрофонах и т. п.). Высокая перегрузочная способность (по микрофонному входу свыше 36 дБ, по входу предварительного усилителя записи - 16 дБ) позволяет использовать ИМС в ЗЧ трактах с автоматической регулировкой усиления.

На функциональной схеме показаны (в скобках дана нумерация выводов для ИС К157УП2): Al,2 - микрофонные  усилители, A3,4 - предварительные усилители записи. В данной работе будет использоваться лишь A1.

ИМС К157УП1 отличается от К157УП2 цоколевкой (нумерация выводов для К157УП2 на схеме указана в скобках). Трехкаскадный микрофонный усилитель выполнен на транзисторах VT2, VT7, VT11 (VT3, VT8, VTJ2). Коэффициент передачи усилителя определяется отношением параллельно включенных сопротивления нагрузки (подключаемой к выводу 2 или 7) и суммарного сопротивления резисторов R8 (R15) и R9 (R14) к сопротивлению резистора обратной связи R11 (R13). Без внешней нагрузки коэффициент передачи равен примерно 46 дБ, с нагрузкой - 42 дБ. Низкий уровень шумов достигнут благодаря малой плотности тока эмиттера входного транзистора VT2 (VT3).

Для стабильности характеристик усилитель охватывают отрицательной обратной связью, как по постоянному, так и по переменному току - между входом и выходом (выводы 2, 3 и 7, 6) включают внешний резистор. От него также зависит входное сопротивление усилителя. Если сопротивление резистора равно 270...280 кОм, то входное сопротивление усилителя - примерно 2 кОм.

Электрические параметры ИМС К157УП1,2 при  25±10°С  и Uи.п.ном = 12 В

Ток потребления Iпот (суммарный в обоих каналах): 5...9.5 мА

Коэффициент усиления Кyu: 100...165

Коэффициент гармоник Кг: при Uвых = 1 В f=400 Гц не более 0.2 %

Напряжение шумов при Δf = 0,02...20 кГц, приведенное ко входу усилителя, Uш.вх  не более: при Rг = 200 Ом 0,6...1 мкВ

Входное сопротивление Rвх: 1,6...2,4 кОм

Выходное сопротивление Rвых: не более 5 кОм

Коэффициент ослабления сигнала соседнего канала, не менее –70 дБ

 

Предельные эксплуатационные параметры ИМС  К157УП1,  2

Напряжение питания Uи.п.:

Минимальное: 3 В

Максимальное: 15 В

Выходной ток Iвых: не более 3 мА

Рассеиваемая  мощность Ррасс: не более 250 мВт

 

2.2 Усилитель мощности

В качестве усилителя мощности была выбрана микросхема зарубежного производства TDA2613, за ее характеристики, простоту в использовании, и доступность. Схема включения приведена на рис. 3.

Рис. 3 Схема включения ИМС TDA2613

Эта микросхема имеет следующие электрические параметры и внешний вид:

2.3 Расчет регулятора тембров

Регулятор тембра с пределами регулирования нижней и верхней областей реализуется по стандартной схеме (ΔНmax = 10). При одинаковых сопротивлениях R4 и R9 регуляторов нижних и верхних частот формулы имеют вид:

С4=6.24/fв*R4 (Ф),   C5=7C4,  C6=132*10-3/fн*R9,   C7=7C6;

R5≈R4/7,   R7=R5/7,  R6=R4/210,   R8=R4/5.5

В этих формулах индекс «Т» относится к регулятору нижних частот, а индекс «Н» - верхних. Полная схема регулятора тембра приведена на рис. 4. Включенный между потенциометрами резистор R6 = 470 Ом является развязкой. |ZL| > R4.

2.3. Расчет разделительных емкостей.

В схеме усилителя необходимо применять разделительные емкости, которых в данной схеме будет четыре (на входе, после эмиттерного повторителя (в регуляторе громкости), после темброблока, на входе оконечного усилителя и на выходе). После того, как эти емкости будут установлены, следует учесть, что емкости плохо пропускают нижние частоты, и при расчете номинала этих емкостей надо исходить из того, что суммарное ухудшение характеристики на нижних частотах должно быть меньшим, чем 3 дБ.

Как известно, модуль передаточной характеристики C-R цепи выглядит следующим образом:

        (1)

Исходя из функциональной схемы усилителя (см. рис. 1), находим количество разделительных емкостей n=4. Распределяем поровну частотные искажения, вызванные разделительными емкостями:

M = -3 дБ/4 = -0.75 дБ

на 1 каскад. Выразим  0.75 дБ в разах: 0.75/20 = 0.0375, и 10-0.0375 = 0.917 – это и есть |K|.

Исходя из ТЗ, ωн = 2πfн = 2π60 = 565.5рад/с.

Известно, что

τн = RC,    С = τн/R,     (2)

из этой простой формулы можно получить искомые значения нужных нам емкостей. Для этого необходимо определить τн и R. Решим уравнение (1) относительно τн:

Определим входные сопротивления соответствующих цепей.

RПУ = 1.6 кОм, RЭП = 13 кОм, RОУ = 20 кОм, и, по ТЗ, Rн = 8 Ом.

Используя (2) определим номиналы емкостей: Свх = 2.54 мкФ (выберем стандартное значение 3.3 мкФ), СвхПУ = 310 нФ (выберем стандартное значение 330 нФ), СвхОУ = 200 нФ (выберем стандартное значение 220 нФ), Свых = 509 мкФ (выберем стандартное значение 680 мкФ).

2.5. Расчет эмиттерного повторителя [ЭП].

2.5.1. Зададимся током эмиттера – I=0.5 мА. На эмиттере должно быть напряжение равное Uп/2.

2.5.2. Rэ = Uп/(2Iэ) = 12/[2*0.5*10-3] = 12 кОм [округлим до 10 кОм]

2.5.3. Входное сопротивление ЭП равно β*Rн. 1/Rн=1/R1+1/R3+1/RвхТБ. R1 = 10 кОм, R3=100 к RвхТБ=R5=15 к. Отсюда, Rн = 5.68 к. Зададимся β = 100.

2.5.4. Отсюда, Rвх=100*5.68=568 к, что намного больше требуемого сопротивления нагрузки ИМС К157УП1.

2.6. Расчет напряжений питания.

Заданная мощность усилителя – 4 Вт, при нагрузке 8 Ом. Отсюда, по закону Джоуля - Ленца (P=U2/R), U = 5.65В. Найдем размах Uрр = U·2.82 () = 16 В. Выберем Uп = 1.2Uд ≈ 20 В.

Однако, хотя для TDA2613 это питание нормально, для К157УП1 оно велико. Применим гасящее сопротивление. По закону Ома (U=IR) рассчитаем его величину, чтобы на нем падали лишних 8 вольт: R2 = 533.3 Ом (выберем стандартное значение 560 Ом). Для устойчивости работы схемы поставим стабилитрон КС212 по питанию перед К157УП1.

В результате расчетов получим схему, представленную в приложении.

 2.7. Расчет коэффициента гармоник

Коэффициент гармоник в усилителе в основном определяется выходным каскадом – усилителем мощности (TDA2613). По паспортным данным, определенным производителем, коэффициент гармоник в ИМС не превышает 0.5 %, что удовлетворяет требованиям, указанным в техническом задании.

3. РАСЧЕТ АЧХ УСИЛИТЕЛЯ

Ввиду применения в схеме усилителя интегральных микросхем АЧХ в области верхних частот рассчитывать нецелесообразно, ввиду большого запаса по частотным свойствам (fвПУ = 4 МГц, fвУМ ≥ 200 кГц).

АЧХ в области нижних частот рассчитаем по формуле (1), учитывая наличие четырех разделительных емкостей:

    (3)

В программной среде MathCAD 11 по формуле (3) были рассчитаны табличные значения и график АЧХ.

Таблица 1. Значения АЧХ усилителя

f, Гц

20

40

80

160

320

640

|К|, дБ

-17.6

-6.3

-1.8

-0.47

-0.1

-0.03

Рис. 6. График АЧХ в области нижних частот.

На рис. 6 горизонтальная линия показывает уровень -3 дБ, по оси абсцисс отложены значения частоты в герцах, по оси ординат – |К| в дБ.

Исходя из результатов расчета видно, что требования ТЗ по нижней граничной частоте удовлетворяются.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТА ТЕМБРОБЛОКА

В соответствии со схемой рис. 4 был собран макет темброблока. Исследовалась АЧХ темброблока для различных положений регуляторов тембра: оба регулятора (НЧ, ВЧ) в положении "подъем", среднее положение, "завал".

Структурная схема экспериментальной установки приведена на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема экспериментальной установки

Таблица 2. Данные, полученные при макетировании

F, Гц

40

80

160

320

640

1000

2000

4000

8000

16000

Umin, мВ

6

8

13

24

29

30

27

16

9

5

Umid, мВ

107

83.7

54.4

37.7

35.9

40.1

52

64.6

72.7

76.9

Umax, мВ

145

121

81

53

44

42

46

64

108

167

После нормировки к 1 кГц и преобразования в дБ формат, построим кривые АЧХ для разных положений регуляторов тембра.

Рис. 8. Кривые АЧХ для темброблока, полученные экспериментально.

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают работоспособность темброблока, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Предполагается, что усилительное устройство будет собрано в деревянном корпусе, вместе с электроакустическим излучателем (динамиком). В том же корпусе будет располагаться сетевой источник питания. Усилительное устройство предполагается собрать на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. На фронтальной части передней панели будет установлен громкоговоритель и предусмотрена специальная панель для регуляторов громкости и тембра. На верхней части задней панели предполагается установка четвертьдюймового разъема типа "Джек". В нижней части задней панели предполагается выход сетевого шнура, для питания устройства. Сетевой шнур должен оканчиваться вилкой мирового стандарта. Громкоговоритель будет закрыт редкой решеткой, для предохранения подвеса от ударов. Предполагаемые габариты устройства: 500х500х200 мм, с учетом толщины стенок не менее 10 мм, и наличия защитных уголков. Внутри корпуса предполагается заполнение синтипоном, как акустическим поглотителем.

6. ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ

Для упрощения и удешевления предполагается использовать нестабилизированный источник питания содержащий: тороидальный силовой трансформатор (для уменьшения генерируемых помех), мостовой выпрямитель, выполненный виде ИМС и сглаживающий электролитический конденсатор емкостью 4700…10000 мкФ. Изменение напряжения питания при изменении напряжения сети или выходной мощности не опасно, так как микросхема TDA2613 допускает большой диапазон питающих напряжений (24…40 В). Питание же предварительного усилителя на ИМС К157УУП1 стабилизировано параметрическим стабилизатором VD1 и R2 (см. рис. 5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данного курсового проектирования по заданным в ТЗ параметрам была выбрана, обоснована и рассчитана структурная схема усилителя мощности. По структурной схеме была рассчитана схема электрическая принципиальная: темброблок, параметры эмиттерного повторителя и разделительные емкости. На ЭВМ по расчетным формулам был определен и построен график АЧХ усилителя на нижних частотах. По результатам эксперимента, заключавшегося в изготовлении макета темброблока и измерении его характеристик, были построены кривые, определяющие глубину регулировки АЧХ. Для дальнейшей реализации устройства описана его конструкция и определены основные требования к источнику питания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Попов В. П. Основы теории цепей. М.: Высшая школа, 1985.
  2.  Атаев Д. И. О., Болотников В. А. Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения. М.: Радио и связь, 1986.
  3.  Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Пер. с нем. М.: Мир, 1991.
  4.  Атаев Д. И. О., Болотников В. А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник. – М.: Издательство МЭИ, 1991.
  5.  Шульгин О.А., Шульгина И.Б., Воробьев А.Б. Справочник по полупроводниковым приборам. КД Версия 1.01, 1997.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25835. Структура и свойства конструкционных сплавов цветных металлов 973.5 KB
  Микроструктура металла (от микро... и лат. structura — строение), строение металла, выявляемое с помощью микроскопа (оптического или электронного). Микроскоп для исследования металла впервые применил П. П. Аносов (1831) при изучении булатной стали. Металлы и сплавы состоят из большого числа кристаллов неправильной формы (зёрен)
25836. Сплавы цветных металлов, обрабатываемые давлением 319.5 KB
  К цветным металлам и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.
25837. Аудит операций на расчетном, валютном и других счетах банка 37.5 KB
  Целью аудиторской проверки операций по расчетному валютному и других счетам в банке является формирование мнения о достоверности бухгалтерской отчетности по разделу Денежные средства и соответствии применяемой методики учета денежных средств на счетах в банке действующим в Российской Федерации нормативным документам. Аудитор при проверке операций по счетам в банке должен учитывать основные нормативные документы регулирующие порядок проведения операций на расчетном валютном и других счетах в банках и бухгалтерский учет этих операций....
25838. Аудит прочих доходов и расходов 58.5 KB
  Целью аудиторской проверки прочих доходов и расходов является формирование мнения о правильности учета прочих доходов и расходов. Задача аудиторской проверки прочих доходов и расходов состоит из следующих вопросов на которые должен ответить аудитор: Бухгалтерский учет прочих доходов и расходов соответствует положениям нормативных актов Данные аналитического и синтетического учета по счету 91 Прочие доходы и расходы соответствуют данным главной книги и баланса Корреспонденция счетов по счету 91 Прочие доходы и расходы составлена в...
25839. Учет расчетов по авансам выданным и полученным 36.5 KB
  Согласно положениям Плана счетов Инструкции по применению Плана счетов бухгалтерский учет сумм полученных и или выданных авансов организуется на балансовых счетах связанных с расчетами за отгруженную продукцию выполненные работы оказанные услуги. Для учета сумм авансовых платежей предварительной оплаты к балансовым счетам открываются обособленные субсчета учета. В частности суммы выданных поставщикам и подрядчикам авансов учитываются обособленно на балансовом счете 60 Расчеты с поставщиками и подрядчиками суммы полученных...
25840. Аудит расчетов по авансам выданным 27.5 KB
  Так например выдавая авансы поставщику предприятие изымает из оборота денежные средства до момента поступления ТМЦ выполнения работ оказания услуг также возрастает вероятность непоступления данных ценностей на предприятие вопреки договору поставки. На счете 61 €œРасчеты по авансам выданным€ обобщается информация о расчетах по выданным авансам под поставку продукции либо под выполнение работ а также по оплате продукции и работ принятых от заказчиков по частичной готовности. Суммы выданных авансов а также произведенной оплаты и работ...
25841. Аудит расчетов по претензиям 30 KB
  Можно выделить несколько видов претензий: при выявлении ошибок в счетах поставщиков неправильно указаны тарифы и цены арифметические ошибки и др. Аудитору необходимо проверить: обоснованность своевременность и правильность оформления документов несоблюдение сроков предъявления претензий может быть использовано для сокрытия фактов хищения материальных ценностей так как при отказе в удовлетворении претензий числящиеся суммы списываются на издержки производства; обоснованность претензий предъявляемых к проверяемому предприятию в случае...
25842. Аудит расчетов по совместной деятельности 32.5 KB
  Внесенное товарищами имущество а также произведенная в результате совместной деятельности продукция и полученные от такой деятельности плоды признаются как правило их общей долевой собственностью. Прибыль полученная товарищами в результате их совместной деятельности распределяется пропорционально стоимости вкладов в общее дело если иное не предусмотрено договором или другим соглашением товарищей. Исходя из описанного подхода к организации деятельности простого товарищества в новом Плане счетов поиному решена схема учета операций...
25843. Структура и свойства сталей и чугунов 74 KB
  В углеродистых сталях углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали возрастают твердость и предел прочности (НВ, ств), уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.