基于tda2822的助听器

目录 1 系统总体 2 芯片和电路的选择和论证   2.1 语音采集模块   2.2功放芯片模块   2.3 抑制噪音模块   2.4自动增益调节模块   2.5 消除失真模块 3单元芯片和局部电路 3.1 TDA2822m原理电路 3.2 抑制噪音单元电路 3.3 自动增益调节单元电路 3.4 消除失真单元电路 4 耳聋电子助听器测试 5 作品创新之处 6 7. 附录   7.1 助听器总体电路   1.系统总体设计 助听器实质上是一种低频放大器，可用耳机进行放音，当使用者用上耳机后，可提高老年者的听觉，同时可对青少年的学习和记忆能带来方便。 目前，市售的助听器，其中有些产品有如下缺点：(1)噪声大、沙沙声使患者心烦、厌倦；(2)自动增益控制差(有的没有自动增益控制)，说话者稍微远一点儿就听不清了，而离近时声又大得刺耳，使患者头痛；(3)最大输出功率小，只能满足轻度耳聋患者需要。 针对上述缺点：我们专门设计了新型耳聋助听器，在普通的助听器的基础上，加上抑制噪声电路，场效应管自动增益控制电路，二级放大电路，以满足中、深度耳聋患者的需要。 系统由语音信号采集装置，功放芯片，抑制噪声电路，自动增益调节电路，消除失真电路五部分组成。语音采集装置对语音信号进行接受并初步处理，同时利用两个驻极体话筒抑制外部噪声，再通过功放芯片对有用语音信号进行放大，最后通过自动增益电路自动调节语音信号的大小。输出信号时通过茹贝尔网络消除失真。 消除失真电路 使用我们设计的耳聋助听器可以手动调节自己能够承受的音量，当你选定音量后，外围环境的声音变化很大，耳机输出的还是稳定的音量，以保护你的耳朵，噪声很小，基本没有失真。 2.各模块的方案选择和论证 2.1语音采集模块： 方案一：动圈话筒：由磁场中运动的导体产生电信号的话筒。是由振膜带动线圈振动，从而使在磁场中的线圈感应出电压。结构牢固，性能稳定，经久耐用，价格较低 方案二：电容话筒：这类话筒的振膜就是电容器的一个电极，当振膜振动，振膜和固定的后极板间的距离跟着变化，就产生了可变电容量，这个可变电容量和话筒本身所带的前置放大器一起产生了信号电压。特点：频率特性好，在音频范围内幅频特性曲线平坦，这一点优于动圈话筒；无方向性；灵敏度高，噪声小，音色柔和；输出信号电平比较大，失真小，瞬态响应性能好，这是动圈话筒所达不到的优点； 方案三：日前，市场上销售的一种无线话筒，价格在10～20元之间。该话筒调谐在88～108MHz调频波段，发射距离30米左右，可用任何调频收音机接收，且收到的 声音清晰悦耳，无杂波干扰，对本地调频电台也无影响。 从经济角度考虑，方案三的话筒太昂贵，因此我们放弃了方案三；而从性能上我们可以看到方案二明显优于方案一。所以我们选择了方案二。 2.2功放芯片模块 方案一：使用双运放NE5532。利用VT3、VT4、T变压器、ＶＤ１与VD2等组成电源变换器，用于将3V的直流电流电源变换成正负5V的电源。VT1、VT2等构成的是振荡电路，产生的震荡信号从T次级输出，经VD1与VD2正向与负向整流，C12、C14滤波，即可得到正负5V的工作电源共给。 但是这个格外的电源电路显得相当庞大，特别是变压器T的体积超大，重量大，不易携带。而且NE5532要使用正负5V的电源，所以功耗比较大。 方案二：TDA2822集成块具有静态电流小、交叉失真小、工作电压范围大（从1.8V到20V），价格便宜，性价比高的特点。它的功率很小，而且外围电路简单，音质好，放大效果明显。 助听器一般要求从低功耗，体积小，方便携带，从这几个角度考虑，我们选择了方案二。 2.3抑制噪音模块 方案一：NE5532 运放之王不仅具有运放功能，在抑制噪声方面也有相当的作用，利用内部的滤波电路，对噪声同振幅反向叠加以达到消除噪声的目的。然而，由于噪声的相位不是完全相同的，消除噪声的效果不是明显，有噪声伴随着声音。   方案二：噪声是分为内外噪声的。首先外部噪声可以通过两个驻极体反向收集噪声而达到同振幅反向叠加而消除噪声。其次，内部的噪声，例如晶体管固有的电流噪声、电阻的电噪，还有一些上一级不能消除的外部噪声，利用TDA2822M的消噪功能可以有效地消除以上噪声。 从实际效果看，方案一的噪声始终伴随着耳边，而且很刺耳。方案二的消噪作用明显，能够有效消除高频噪声。所以，选择方案二. 2.4自动增益模块： 方案一：利用负反馈单路。在信号初级输入时的三极管的集电极连一条负反馈电路到基极。 方案二：利用场效应管的电压跟随特性，构建一个专门的自动增益控制电路。该电路可以对话音信号进行控制，以保证耳机中的声音大小不致于变化太大。自动增益的控制的范围为60dB 左右。 从自动增益的效果来看，方案二明显优于方案一，特别适合耳聋助听器的电路。 2.5消除失真模块 方案一：我们采用了普通功放消除失真电路的方法（电路图如2.5.1所示）               从功放输出端A点取一电压信号，与在扬声器下端取样电阻R上产生的电压由B点取出，进入一个反相放大器放大后在C点与A点电压叠加，即可得E，但此电路需手动调整反相放大器的放大倍数，以与A点电压相等才能得到E。根据耳机的不同，必须重新调整反相放大器的放大倍数。 方案二：我们选择了“茹贝尔”电路。消除失真的效果明显，不需要复杂的电路。 考虑到的电路复杂度和实现难度大，我们选择方案二。 3.单元芯片和局部电路分析 3.1语音采集模块分析 驻极体话筒，除具有一般电容话筒的理想 特性外，还具有稳定、体积小、结构简单、电声性能好、价格低廉重量轻及抗振性能良好等优点，其指向性也可以在无方向、心 形、8字形间变化。但由于输出信号比较微弱，依然需要加前置放大器。 接收范围：经过调试，我们的接收范围是10m 左右. 原理:声电转换的关键元元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc＝1／2~tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应管晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻值极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板 接法：两脚的驻极体话筒，后部有两个焊点，其中一个与外壳相连，这个焊点接电源的负极，另外一个焊点则是正电源和音频信号输出端，需用电阻、电容分离。具体连接方法：从焊点接一只电阻接正电源，阻值视电源电压而定，一般2k以上，再从焊点接一只10微法电容输出音频信号。 3.2芯片分析 TDA2822m功放芯片内部结构图如下： 管脚功能对应图如下： 7脚 信号1输入端 6脚 信号2输入端 1脚 信号1输出端 3脚 信号2输出端 8脚 信号1反馈端 5脚 信号2反馈端 2脚 电源电压端 4脚 接地端 本电路采用了TDA2822的一个通道进行功率放大，信号从7脚输入，6脚输入信号为零，功率放大后，从1脚和3脚输出信号。 3.3自动增益控制电路分析 自动增益模块的实现主要是通过场效应管漏极d和源极s的电阻随着栅源极电压的变化而变化，使得tda2822管脚7的输入信号改变。抑噪功能模块图如图2.3.2所示 图2.3.1 具体分析如下： 从tda2822管脚3输出的信号经C10耦合，R7可调电阻，D1负向整流，使得信号只有反向电压值，再通过C9滤波以后加到Q1的栅极，这样就给栅极提供反向电压。 （1） 当Q1栅极处于零负偏压时，其漏极与源极之间的阻抗值将会变小，传输的信号幅度增大，进而使输出的信号增大， （2） 当输出信号增大以后，就会使加到Q1栅极的负偏压增高，漏源极间阻抗增大（如图2.3.2所示），传输的信号幅度变小，回到正常音量。 （3） 当输出的语音信号在一个较大范围的时候，还可以通过调节滑动变阻器的大小，通过分压，让输出信号稳定在合适的值。而且R5的加入可以防止电路自激。                           图2.3.2 3.4抑制噪声电路分析 抑噪功能的实现通过两个驻极体话筒来完成的。 驻极体话筒是驻极体材料提供极化电压的电容传声器极头和专用场效应管两部分组成，其内部结构和外部接线如图1所示，电容极膜接在场效应管的栅极G与地之间，信号由场效应管输出。这样话筒就有源极输出方式和漏极输出方式两种，当采用漏极方式时，其输出信号相位与输入信号相反；当采用源极输出方式时，其输出信号的相位与输入信号相同。该电路就是利用上述的特点抑噪的。 具体实现： MICA是源极输出方式，此时MICB可以看成MICA的漏极电阻。而MICB则是漏极输出方式，MICA也可以看成是MICB的漏极电阻。在工作时，MICA接受的是话音（较MICB强）加上噪声信号，而MICB接受的也是语音（较MICA弱）加上噪声信号，这样噪声信号同时作用于MICA和MICB上，幅值相同，相位相反，相互抵消，而语音信号构成差分放大电路，输入的是A话筒和B话筒的语音信号差值                             图2.3.1                                        图2.3.2 一般助听器仅装了一个话筒，抑噪助听器则设置了两个话筒。一个话筒MICA装在助听器盒子正面，另一个话筒MICB装在盒子的背面,从实际情况来看，环境噪声可以认为是充满整个房间的，故在助听器前面和后面的强度几乎相等，这就使其振幅相同相位相反而抵消了。使用时，若将MICA朝向讲话人，则Ａ话筒接收的是话音（教ＭＩＣＢ强），加噪声，而Ｂ话筒接收的仍是话音（较ＭＩＣＡ弱）加噪声，在Ｃ１正端送出的信号只有MICA和MICB的话音强弱差值信号。从前述可知，送入Ａ、Ｂ话筒的噪音信号，不管其绝对值有多大，其和恒等于零。 鉴于噪声在在房间内分布存在着微弱的不均匀性，加上两只场效应管特性不可能完全一致，以及晶体管和电阻固有的噪声，形成了耳机中的背景噪声。从使用的情况来看，抑噪助听器的噪声比传统的助听器“干净”多了。 3.5消除失真电路分析 R9与C5串联后并联在耳机两端(如图2.5.1所示)，构成茹贝尔网络，吸收了高频尖峰，避免高频自激，使负载在相当宽的频率范围内呈现纯电阻性，进而使分频点稳定，改善阻尼，改善相位失真。 耳机的阻抗大小可以等效为线圈直流电阻Rs和线圈的感抗Ls之和，那么茹贝尔网络的元件参数值应为：             R9=Rs             C5=Ls/Rs2 当满足上述条件以后，耳机与“茹贝尔”网络的并联网络，将成为纯阻性负载，在一般情况下，由于耳机的阻抗值一般为几欧，所以我们选取电阻值为5欧德电阻和0.1u的电容串联。 4.测试 由于仪器的限制，不能对产品做具体性能的分析，只能对整体效果进行检验，经过对放大倍数，失真程度，功耗，噪声抑制功能，自动增益功能的测试，发现本产品整体性能不错。 5.作品创新之处 创新点一：在自动增益调节模块中，巧妙的运用了场效应管的特性即栅极加上负偏压时，漏源电阻值会随着电压值的变化而变化，从而起到自动调节增益的作用 创新点二：在抑噪模块中，采用了两个驻极体构成差分放大电路，当同一信号（噪声信号）经过麦克风A和麦克风B，由于幅值相同，相位相反，相互抵消，就达到了抑噪的功能。 创新点三：在消除失真模块中，将一小电阻和电容串联构成茹贝尔网络，达到消除失真的功能。 创新点四：针对深度耳聋患者和中低度耳聋患者的需求，我们专门设计了不同音量大小的放大声音信号。 创新点五： 考虑到耳机对准话筒，会产生自激，我们选用了专门的耳机来解决这个问题。 6．总结    经过前期准备和后期电路板焊接，我们小组花了大概三个月时间，因为经验上的不足，城隍庙跑了十几次，电路板也焊坏了好几块，其间有几次都差点放弃，好在我们相互鼓励，最后做出了比较满意的作品，大家感到非常值。 整个电路经过无数次的调试后我们终于还是调试好了各个电阻电容的最佳值，在功能上进行了几次调试，附加了一个调节音量的开关，以适应深度耳聋的患者。 我们自身是正常人，在调试的时候也无法想象一个耳聋患者的需求。所以，我们在网上收集了一些耳聋患者对助听器的要求，并逐步实现。 事实，科学是在实践中发展的。 附录：