監控系統音頻放大器的設計與應用

【摘要】高速公路及大橋收費監聽系統，主要是為了實現對收費員進行監聽。實際工作中，在每個收費亭內設置一臺彩色定焦攝像機用來監視收費員操作，便于內部管理。通過音視頻矩陣切換，將收費亭內攝像機圖像在監視器上顯示并伴有監聽聲音，在完善內部管理、防止票款流失等方面發揮了重要作用。本文作者在現有系統結構的基礎上，根據實際情況設計制作出音頻放大器，并對系統進行改造，以解決監聽聲音過低，監聽干擾等問題。

【關鍵詞】監控系統;監聽;音頻放大器;應用

一、音頻放大器簡介

1.音頻放大器背景

音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號，信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范圍內必須有良好的頻率響應。根據應用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統的數百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。

2.功率放大器

功率放大器簡稱功放，可以說是各類音響器材中最大的一個家族了，其作用是將一個小功率信號放大，足以驅動負載作功。主要是將音源器材輸入的較微弱信號進行放大后，產生足夠大的電流去推動揚聲器進行聲音的重放。

二、系統結構

高速公路及大橋收費監聽系統是收費監控系統中的一部分，收費監控系統主要是對收費站的車道、收費廣場、收費亭的收費情況，對收費車道通過的車輛類型、收費員的操作過程以及收費過程中的突發事件和特殊事件進行觀察和記錄，實施有效的監督。因只有對收費亭的監控涉及音頻方面，故本章主要介紹收費亭監控系統結構。

1.收費監控系統簡述

下面就收費監控系統做一下簡要描述。

在收費站提供一套收費廣場閉路電視監控系統，其拍攝的圖像傳到收費站監控室，以便收費站管理人員對收費廣場的交通流情況，收費車輛的車型進行直觀的監視及收費票亭工作的管理。主要涉及收費票亭、收費站監控室、站長室等。收費亭內采用低照度攝像機，能清晰地觀察收費員的收費過程。一般在收費亭內設置高靈敏度拾音器，能清晰地拾取收費現場的聲音。收費亭內還設置對講系統中的對講分機，通過線路連接到收費站監控室的對講主機，用來和位于收費站監控室的人員實時對話。對講分機也可以作為拾音器使用。收費站監控室內采用專業彩色監視器，一對一實時顯示及監聽收費現場情況。通過分控設備，站長室可以實時監控收費現場。錄音、錄像設備采用多路音視頻、大容量硬盤錄像機，記錄現場圖像和聲音。通過分控設備，站長室可以進行錄像回放。硬盤錄像機的設置也便于事故的調查取證。

2.音頻放大器設計背景

對講分機將采集到的音頻信號經過音頻放大器放大后，傳給音視頻矩陣，音視頻矩陣的主要作用是把收到的各票亭的音頻和視頻信號一一對應。最后音視頻矩陣輸出的信號分別傳輸給監視器和硬盤錄像機。監控人員可以通過監視器直觀地監測實時車道票亭情況。系統中，原音頻放大器基本沒有起作用，以致監視器輸出聲音很低。另外，由于對講分機和線纜為對講系統和監聽系統共用，造成相互干擾，聲音效果差。故需要制作音頻放大器一臺，并解決對講系統和監聽系統相互干擾問題。

三、音頻放大器設計原理

1.本設計方案

本設計以功率放大芯片LM386為主要芯片。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。輸入端以地參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半。

2.本設計原理分析

本次設計的音頻放大器由10路構成，以功率放大芯片LM386為主要芯片，各路信號單獨輸入、輸出。之所以這樣設計，是考慮到收費站有多個車道票亭，用一臺音頻放大器可以實現同一收費站多個車道票亭共用。

四、PCB電路設計

1.制作并測試試驗電路

在制作PCB電路板前，首先按照原理圖在萬用板上做試驗電路。按照原理圖在萬用板上焊好試驗電路。首先在實驗室模擬外場試驗。用電腦音頻輸出代替拾音器輸出，聲音最終由音箱輸出，以代替監聽器輸出。通過試驗，發現聲音效果非常好。而且通過調節可變電阻，可以控制聲音的大小。不過電腦輸出的音頻信號要比拾音器采集到的音頻信號純凈的多，所以還是要到現場測試。現場測試特別注意接地、抗干擾等措施。另外，本設計采用手動調節增益的原因，也是因為考慮到不同地方、不同使用者要求的聲音大小不一樣。正所謂“因地而異”、“因人而異”最大限度滿足使用者的需要。

2.繪制PCB電路板

鑒于車道的環境噪音較大，理應選擇較高的放大電壓增益，然而高增益也就伴隨著高噪聲，甚至損壞揚聲器。這樣將增加設計難度及無源器件成本，所以權衡折衷，適用為佳。在繪制PCB圖時，根據以往的設計經驗，特別注意信號線路走向，以減少信號衰減及干擾，同時注意地鋪設，以減少對信號的干擾。

五、音頻放大器制作與調試

1.PCB線路板制作

根據繪制出的PCB圖，聯系線路板制作廠家，加工線路板。

圖1 焊接后的電路板

2.音頻接口及引出線

本產品采用低損耗、高品質的屏蔽線，選擇合適的接口部分的接插件，確保接觸良好，以充分滿足環境要求，在防震、防水、防塵、防腐等方面達到設計要求。

圖2 音頻放大器內部圖

在對焊接后的電路板及接線進行檢測后，就可以通電測試了。

以下為測試結果。

圖3

如圖3所示，其中CH1波形表示音頻輸出未經過放大器的信號波形，CH2表示經過放大后的波形。

六、總結

本儀器具有操作簡便、維護方便、穩定可靠等特點。本設計的優點還在于，增加了可調增益倍數的設置。之所以增加此功能是考慮到不同環境的需求。隨著電子等行業日新月異的發展，不同時期建造的收費監控室所采用聲音輸出設備各有不同，而采用一般監視器作為聲音輸出，這樣輸出的聲音不是很大，如果距離控制臺還有一段距離，那么監控員所聽到的聲音就比較小。而增加了可調增益倍數的設置，就可以在增益倍數允許的范圍內調大音量，同時還可以通過調節增益倍數來提高音質。當然此功能也可以用于調節小音量中。這樣就可以避免對輸出系統的大規模改造，從而節省了一定的人力、物力。