助听器电子线路设计.doc
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1、 1前言随着时代的发展,科技的进步。现在的助听器也变得种类繁多,功能齐全。按照助听器放大线路的类型分类总共有三种:1 线性放大器 在声输出达到饱和前,增益时一固定值,不随声输入而变化。 声增益: 声输出和输入间的差值就是放大器的增益. 输入较低时,输出随输入的增加而增加。 声饱和:当输入增加到一定程度,输出不再随输入增加而增加时即达饱和状态。2 、非线性放大器-压缩放大K -amp放大器 是临床使用最多的压缩线路。该放大线路是十分先进的助听器放大线路,该放大线路的增益并不固定,是随着声输入的变化而变化的。声输入越大,增益越小。这样可防止耳聋患者小声听不清,大声难受的缺点。该线路将宽的自然言语动
2、态变化,压缩到听患者窄的范围内,减少了言语的放大失真。3,全数码自动放大器数字助听器类似于一台处理言语声信息的微型电脑,可以根据要求进行编程,最大限度地满足病人听力和生活声环境变化的需要。这是全新的放大线路,是计算机数字技术应用带来的划时代变化。目前数字助听器的放大可随输入声强、输入声的声学特征的变化而快速自动变化。数字助听器放大将言语频段划分数段,分别处理,从而使其能满足各种听力损失的需要。自动地鉴别言语和噪音,改善信噪比,增强言语清晰度数字助听器应用只有3年多的时间,其技术还在不断发展和改进中,人们预言不远将 来,数字助听器将很快取代现有的电子模拟放大助听器。数字助听器的放大为全自动放大,
3、增益与听力损失程度和声输入强度相关。助听器名目繁多,但所有电子助听器的工作原理是一样的。任何助听器都包括6个基本结构。1话筒(传声器或麦克风)接收声音并把它转化为电波形式,即把声能转化为电能。2放大器放大电信号(晶体管放大线路)3耳机(受话器)把电信号转化为声信号(即把电能转化为声能)。4耳模(耳塞)置入外耳道。5音量控制开关6电源供放大器用的干电池。尽管现在的助听器功能都很齐全但是由于价格的原因使得一般群众难以购买的起。因此本设计的目的在于设计一种重量轻,体积小,携带方便,性能稳定可靠,不怕碰撞和摔跌,价格便宜,很适合耳聋患者选择和使用外围电路简单,所用元件普通,易于制作与维修。2总体方案设
4、计2.1方案论证麦克风ADC转换电路DSP数字信号处理电路时钟电路DAMP放大器电路耳机EEPROM电源管理控制 图2.1 方案一原理框图基于 DSP 的助听器可扩展软件控制的功能,以包括频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除以及提供从数字电话、电视或其它音频设备的直接数字输入。可编程 DSP 还意味着助听算法/功能可定制或在不改变硬件的情况下改变。DSP的数字助听器组成方框如图2.1所示,它显示出基于DSP的数字助听器的组成要素。一个典型的数字助听器由三个彼此堆叠的半导体硅片所组成:即EEPROM或非易失性存储器、数字器件和模拟器件。近期技术的发展使得这些模块可被集
5、成到两块甚至一块半导体硅片中。由于电池电压的范围在7.35V-0.9V之间,因此这些器件的工作电压被设计为0.9V。本方案采用了电源管理来对电池电压实施监控,当电池电量低时则向用户报警,并在电池电压降得过低时缓慢关闭系统。模拟器件通常包括型模拟-数字转换器(ADC)、具有压缩输入限制功能的传声器前置放大器、遥控数字解码器、时钟振荡器以及稳压器。型ADC的典型频率范围为20kHz,分辨率为16位(线性分辨率为14位)。数字器件则包括DSP、逻辑支持功能、程序接口以及输出级。输出级通常是全数字式的,采用脉宽调制(PWM)输出和D类放大器,并运用扬声器阻抗来执行模拟数字转换。麦克风射随放大电路TDA
6、2822功率放大电路耳机3DJ6自动调节音量电路锂电池充电电 路 图2.2方案二原理框图 本设计的工作原理是:麦克风接收声音并把它转化为电波形式,把声能转化为电能。然后把电信号传输到射随放大电路,因为射随放大电路的电压增益小于1而近于1,输出电压与输入电压同相,输入电阻搞,输出电阻低,由于它的输入电阻高,可减少放大电路对信号源所取的信号电流。同时,它的输出电阻低,可减少负载变动对电压增益的影响,同时射随电路对电流人有放大作用。TDA2822把声音信号再次进行功率放大一方面送到耳机去,另一方面送到由3DJ6组成的自动调节音量电路,通过改变3DJ6的栅极电压改变漏极和源极的电阻来调节输入到TDA2
7、822信号的大小从而起到自动调节音量的功能。 2.2方案比较和选择 方案一:使用了DSP,ADC,EEPROM等芯片使得设计变得更数字化了,频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除等方面都大大地提高了指标。但是由于过多地使用了DSP等芯片使得设计成本加大,电路工作复杂电路维修起来麻烦。 方案二:此方案与方案一相比在频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除等方面略差些,但是其电路简单,电路维修简单。而且本设计只使用了便宜的三极管和功率放大器件,价格相当低下适合广大群众使用。 综合两方案的性能和价格,方案二的性价比更高更符合本次设计的目的,因此选用了
8、方案二为本设计的最终方案。3.单元模块的设计3.1锂电池充放电电路 图3.1锂电池充放电路原理图本设计利用了一般手机电池的充放电原理来作为本设计的提供电源,因为锂电池的使用寿命比一般的干电池寿命长而且能重复使用,使用锂电池可以节省不少的成本。本电路的工作原理:当开关往左边闭合时,锂电池充电。往右闭合时锂电池为工作电路提供电源。220V交流输入,一端经过一个4007半波整流,另一端经过一个10欧的电阻后,由10uF电容滤波。这个10欧的电阻用来做保护的,如果后面出现故障等导致过流,那么这个电阻将被烧断,从而避免引起更大的故障。右边的4007、4700pF电容、82K电阻,构成一个高压吸收电路,当
9、开关管13003关断时,负责吸收线圈上的感应电压,从而防止高压加到开关管13003上而导致击穿。13003为开关管(完整的名应该是MJE13003),耐压400V,集电极最大电流1.5A,最大集电极功耗为14W,用来控制原边绕组与电源之间的通、断。当原边绕组不停的通断时,就会在开关变压器中形成变化的磁场,从而在次级绕组中产生感应电压。由于图中没有标明绕组的同名端,所以不能看出是正激式还是反激式。不过,从这个电路的结构来看,可以推测出来,这个电源应该是反激式的。左端的510K为启动电阻,给开关管提供启动用的基极电流。13003下方的10电阻为电流取样电阻,电流经取样后变成电压(其值为10*I),
10、这电压经二极管4148后,加至三极管C945的基极上。当取样电压大约大于1.4V,即开关管电流大于0.14A时,三极管C945导通,从而将开关管13003的基极电压拉低,从而集电极电流减小,这样就限制了开关的电流,防止电流过大而烧毁(其实这是一个恒流结构,将开关管的最大电流限制在140mA左右)。变压器左下方的绕组(取样绕组)的感应电压经整流二极管4148整流,22uF电容滤波后形成取样电压。为了分析方便,我们取三极管C945发射极一端为地。那么这取样电压就是负的(-4V左右),并且输出电压越高时,采样电压越负。取样电压经过6.2V稳压二极管后,加至开关管13003的基极。前面说了,当输出电压
11、越高时,那么取样电压就越负,当负到一定程度后,6.2V稳压二极管被击穿,从而将开关13003的基极电位拉低,这将导致开关管断开或者推迟开关的导通,从而控制了能量输入到变压器中,也就控制了输出电压的升高,实现了稳压输出的功能。而下方的1K电阻跟串联的2700pF电容,则是正反馈支路,从取样绕组中取出感应电压,加到开关管的基极上,以维持振荡。右边的次级绕组就没有太多好说的了,经二极管RF93整流,220uF电容滤波后输出6V的电压。没找到二极管RF93的资料,估计是一个快速回复管,例如肖特基二极管等,因为开关电源的工作频率较高,所以需要工作频率的二极管。这里可以用常见的1N5816、1N5817等
12、肖特基二极管代替。同样因为频率高的原因,变压器也必须使用高频开关变压器,铁心一般为高频铁氧体磁芯,具有高的电阻率,以减小涡流。3.2射随放大电路 图3.2射随放大电路原理图由图可见,放大电路的交流信号由晶体管的发射极经耦合电容C2输出,故名射极输出器。由射极输出器的交流通路可见,集电极是输入回路和输出回路的公共端。 输入回路为基极到集电极的回路,输出回路为发射极到集电极的回路。所以,射极输出器从电路连接特点而言,为共集电极放大电路。射随放大电路的特点: 1.射极输出器的电压放大倍数恒小于1,但接近于1. 输出电压紧紧跟随输入电压的变化而变化。因此,射极输出器也称为电压跟随器。尽管射极输出器无电
13、压放大作用,但射极电流Ie是基极Ib的(1+)倍,输出功率也近似是输入功率的(1+)倍,所以射极输出器具有一定的电流放大作用和功率放大作用。 2. 射极输出器的输入电阻比共射放大电路的输入电阻要高。射极输出器的输入电阻高达几十千欧到几百千欧。 3. 射极输出器的输出电阻与共射放大电路相比是较低的,一般在几欧到几十欧。 综上所述,射极输出器具有电压放大倍数恒小于1,接近于1,输入、输出电压同相,输入电阻高,输出电阻低的特点;尤其是输入电阻高,输出电阻低的特点,使射极输出器获得了广泛的应用。常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。3.3自动音量控制电路 图3.3自动音量控制电路工作原理:功率T
14、DA2822放大器一边把声音信号放大送到耳机输出,一边把声音信号送到C6电容耦合,RP1为可调电阻起到稳定电路的作用,VD1负向整流,C4滤波,得到的负偏压嫁到VT2的栅极,进行自动音量的控制。当VT2栅极处于零负偏压时,其漏极与源极之间的阻抗将会变小,传输的信号幅度增大,进而使输出的信号增大。当输出信号增大以后,就会使加至VT2栅极上的负偏压增高,漏源极间阻抗增大,传输的信号幅度变小,回复打正常的音量。这样,不论外界声响的大小,耳机发出的声音始终保持在一定的音量上,实现自动控制音量的作用。功率放大器由TDA2822里面的两个运放器组成。4特殊器件介绍4.1TDA2822 图4.1TDA282
15、2管脚以及内部结构图引出端序号符号功能1OUT(1)1通道输出2Vcc电源3OUT(2)2通道输出4GND地5IN-(2)2通道反相输入6IN+(2)2通道同相输入7IN+(1)1通道同相输入8IN-(1)1通道反相输入表4.1 TDA2822M功能表TDA2822M为双通道低电压功率放大器,采用DIP8形式封装,主要用于便携式录音机和收音机。其特点是:1.电源电压低至1.8V时仍然能够正常工作;2.交越失真小;3.静态电流低;4.可用于桥式或者立体声式功放;5.外围元件少。其管脚图和内部结构图如图4. 1。其功能表如表4.1符号参数数值单位最小值最大值Vcc电源电压-15VIo输出电流-1A
16、Pd功耗Ta=50-1WTcase=50-1.4WTa工作环境温度-2070Tstg贮存温度-40150Tj结温-40150 表4.2TDA2822的功能参数4.2三极管9014 图4.2 9014实物图当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,我们称三极管处于截止状态。当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并处于某一恰当的值时,三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置,这时基极电流对集电极电流起着控制作用,使三极管具有电流放大作用,其电流放大倍数Ic/Ib,这时三极管处
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