单片机课程设计音响功率放大器设计.docx

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单片机课程设计音响功率放大器设计

第1章.绪论..........................................

第2章.设计任务...........................................1

第3章.设计方案选择.....................................

第4章.设计原理说明......................................6

4.1主要组成部分结构介绍和原理说明....................6

4.2音响放大器的工作原理.......................8

第5章.产品说明....................................4

3.1话音放大器....................................4

3.2电子混响器.........................................4

3.3混音前置放大器....................................5

第5章.PCB制作......................................9

7.安装工艺............................................11

7.1安装工具.......................................11

7.2安装的具体步骤...................................11

8.调整与测试..........................................12

8.1电路调试技术.............................12

8.2整机功能试听......................................13

9.心得体会.............................................14

10.鸣谢................................................15

11.参考文献...........................................17

12．附录................................................17

6.音频放大器元件清单..................................10

A.电路原理图..........................................17

B.PCB图...........................................18

C.芯片引脚图及其功能表...............................

第1章.绪论

1.1引言

伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。

音频是多媒体中的一种重要媒体。

人能够听见的音频信号的频率范围大约是60Hz-20kHz其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。

如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。

本文基于所学知识模拟制作音响功率放大器，践实所学知识掌握程度，并通过对所学知识来制造和改进相关产品，实际动手的过程中遇见了很多问题，但是在老师的指导和帮助下解决相应的问题。

同时在与同组人的讨论学习过程中加强可团队意识的培养，加强了相互间协调合作的能力，从而高质、高效的完成本项任务。

1.2音频功率放大器概述

音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯特发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negativefeedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊先生在一篇设计Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用负反馈技术，成为了Hi-Fi史上一个重要的里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。

晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，，各种电路也相应产生，如：

“OTL（OutputTransformerLess）”无输出放大器、“OCL（OutputCapacitorLess）”放大器等。

直至70年代，晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断出现，如：

较成功地解决了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无负反馈放大电路；成功地将甲、乙放大器的优点结合在一起的超甲类放大电路；具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。

从而使晶体管放大器成为音响技术发展中的主流。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

第2章.设计任务

————音响放大器的设计

（一）设计目的

1、了解集成功率放大器内部电路工作原理

2、掌握其外围电路的设计与主要性能参数测试方法

3、掌握音响放大器的设计方法与电子线路系统的装调技术

（二）设计要求和技术指标

1、技术指标

额定功率P≥0.3W，负载阻抗为10Ω，频率响应范围为50Hz-20KHz，输入阻抗大于20KΩ，放大倍数≥20dB。

2、设计要求

（1）设计话音放大与混合前置放大器、音调控制级、功率放大级；

（2）选定元器件和参数，并设计好电路原理图；

（3）在万能板或面包板或PCB板上进行电路安装调测；

（4）测试输出功率；

（5）测试输入阻抗；

（6）撰写设计报告。

3、设计扩展要求

（1）能驱动额定功率P≥8W的扬声器；

（2）电路电压放大级输出阻抗低，能带500Ω负载。

（三）设计提示

1、音响放大器的设计框图如图4-1所示，

2、音响放大器各级增益分配如图4-2所示

3、设计用仪器设备：

示波器、交流毫伏表、万用表、低频信号发生器、实验面包板或万能板、智能电工实验台

4、设计用主要器件：

电子混响延时模块一片、集成功放LM386（或LA4102）一片、四运放LM324一块（或741三块）、LA4102、高阻话筒20K一个、扬声器（8欧/4W）一个、电阻电容若干。

5、参考书：

调试总结

《电子线路设计、实验、测试》

（四）设计报告要求

1、选定设计方案；

2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值；调试总结

3、列出设计电路测试数据表格；

4、进行设计总结和分析，并写出设计报告。

（五）设计总结与思考

1、总结话音放大器的设计和测试方法；

2、总结设计话音放大器器所用的知识点；

注：

该课题由两组配合完成（一组制作话音放大器和前置放大器，另一组制作音调放大器和功放）

第3章.设计方案选择

3.1方案的选择

方案一：

采用锁环频率相合成技术外加音响放大器

采用锁相环频率合成技术，先用锁相环频率合成产生一定范围的频率，在通过传感器把接收到的频率信号转化音频信号。

在通过低通滤波器把频率控制在音频所需要的频率范围。

它的优点就是工作频率可调也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。

具体方案如图3.1.1所示：

图3.1.1锁环频率相合成技术框图

方案二：

采用直接数字式频率合成器DDS技术外加音响放大器

采用直接数字式频率合成器（DDS），是用RAM存储所需波形的量化信息，按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在内存里。

DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度也可实现程控。

但在方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,那么设计的成本较高。

同时电路也不好仿真。

实现起来也比较困难。

方案三：

采用直接给定的音频信号外加音响放大器

采用直接所定的音频信号，是由MP3现代音频信号设备，直接给音响放大器。

此电路简单，其优点是：

在音频信号具有直接给定的音频频率，在频率方面没有失真效果，而且具有混响器的效果。

图3.1.2直接给定的音频信号外加音响放大器

3.2方案的讨论

通过对方案的比较和选择，选择第三个方案有三个原因：

首先这个方案它设计简单可靠，软硬可相互补充各自的缺点。

同时音响效果也比较好。

音响放大电路设计由三部分组成:

混合前置放大模块，音调输出控制模块，功率放大模块。

混合前置放大模块作用是将磁带放音机输出的音乐信号混合放大。

音调输出控制模块作用是主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。

功率放大模块作用是给音响放大的负载

（扬声器）提供一定的输出功率；其次本方案能很好的进行模拟仿真能够完成计算机调试的过程，减少我们在制作过程中的麻烦；第三本方案也是本组讨论觉得最合适的方案，便宜且方便。

第4章.设计原理说明

本设计由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器五部分组成。

其工作原理如下：

当语音信号由话筒输出后，进入语音放大器放大并传入电子混响器产生混响效果。

混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。

放大后的信号进入音调控制器，然后进入功率放大器进行功率放大后，由扬声器输出声音。

接下来我们详细的分析各级的结构原理。

4.1语音放大器的介绍说明

由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗达到20k亦有低输出阻抗的话筒，（如20，200等），所以话筒放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10kHz）。

其输入阻抗应远大于话筒的输出阻。

如图4.1.1

AvF=1+Rf/R2（4.1.1）

Ri=R1（R1一般取几十千欧）

耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取

C1=C3=（3～10）1/2RLfL（4.1.2）

反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。

图4.1.1语音放大器原理图

4.2电子混响器及混响前置放大器的组成原理及功能

电子混响器（如图4.2.1）的作用是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感和空间立体感。

在“卡拉OK"伴唱机中，都带有电子混响器。

电子混响器的组成框图中3.2BBD器件称为模拟延时集成电路，内部由场效应管构成多级电子开关和高精度存储器。

如图4.2.1电子混响器．

混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号进行混合放大。

其电路如图所示4.2.2，这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：

V0=－（RFV1/R1+RFV2/R2）（4.2.1）

上式中，U1为话筒放大器输电压，U2为录音机输出电压

图4.2.2混合前置放大器

4.3音调控制器

1.音调控制器主要是控制、调节放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图4.3.1所示，图中，f0（等于1kHz）表示中音频率，要求Av0=0dB;fL1表示低音频转折（或截止）频率，一般为几十赫兹；fL2（等于10fL1）表示低音频区的中音频转折频率;fH1表示高音频区的中音频转折频率；fH2（等于10fH1）表示高音频转折率，一般为几十千赫兹。

图4.3.1音调控制器理想的控制曲线

由图可见，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变，因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。

由运算放大器构成的音调控制器，如图4.3.2所示。

这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录音响放大器中应用较多。

下面分析该电路的：

设电容C1=C2>>C3,在中低音频区,C3可以视为开路,在中高音频区,C1,C2可视为短路。

（1）.当f

其中，图（a）为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。

分析表明，图（a）所示电路是一个一介有源低通滤波器，其增益函数的表达式为：

A（j）=

=-

×

（4.3.1）

式中，1=1/（RP1C2）或fl1=1/（2RP1C2），2=（RP1+R2）/（RP1R2C2）或fl2=（R1+R2）/（2RP1R2C2）

（2）.当f

AVL=（RP1+R2）/R（4.3.2）

图4.3.2音调控制电路图

图4.3.3低频等效电路（a）低频提升

（3）.在f=fll时，因为fl2=10fl1故可由式（4.3.1）得

Av1=-

模Av1=（RP1+R2）/

R1

此时电压增益Av1相对下降3dB。

在f=fl2时，由式（4.3.1）得：

Av2=-

。

模Av2=-

=0.14Avl

此时电压增益相对Avl下降17dB。

同理可以得出图（b）所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。

音调控制器低频时的幅频特性曲线如图4.3.1中左半部分的实线所示。

图4.3.3音调控制器的低频等效电路（b）低频衰减

（1）当f>f0时，音调控制器的高频等效电路如图4.3.4所示。

图4.3.4音调控制器的高频等效电路

由于此时可将C1，C2视为短路，R4与R1，R2组成星型连接，转换成三角形连接后的电路如图4.3.5所示，其电阻的关系为：

Ra=R1+R4+（R1R4/R2）

Rb=R4+R2+（R4R2/R）（4.3.3）

Rc=R1+R2+（R2R1/R4）

若取R1=R2=R4，则式（4.3.3）为：

Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4

图取的高频等效电路如图4.3.6所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最在最左端时，对于高频提升最大的情况：

图（b）为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。

图4.3.5电路等效如

图4.3.6高频等效电路

（a）为高频提升；（b）为高频衰减

分析表明，图（a）所示电路为一价有源高通波器，其增益函数的表达式为

A（jw）=

（4.3.4）

式中w=1/[（Ra+R3）C3]或fH1=1/[2Л（Ra+R3）C3]

w4=1/（R3.C3）或fH2=1/（2ЛR3C3）

与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。

（2）.f

在f=fH1时，

Av3=

Avo

此时电压增益相对于AV3相对于AV0提升了3dB。

在f=fH2时

AV4=10/

AV0

此时电压增益AV4相对于AV0提升17dB

（3）.当f>fH2时，C3视为短路，此时电压增益

AVH=（Ra+R3）/R3

同理可以得出图（B）所示电路的相应的表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。

音调控制器高频时的幅频特性曲线4.3.1中右半部分实线所示。

实际应用中，通过先提出对低频区

（或

）和

（或（

）

即

=

.

=

/

4.4功率放大器

功率放大器（简称功放）的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率.当负载一定时,希望输出的功率尽可能大,输出信号的非线性失真尽可能地小,效率尽可能高,功率放大器的常见电路形式有OTL（单电源供电的互补推挽电路）电路和OCL（乙类双电源互补对称功率放大电路）电路,有用集成运算放大器（简称运放）和晶体管组成的功率放大器,也有专用集成电路功率放大器。

4.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器

由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图4.4.1所示，其中，运放为驱动级，晶体管T1～T4级成复合式晶体管互补对称电路

图4.4.1集成运放与晶体管组成的功率放大器

4.4.2电路工作原理

三极管T1、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。

T3、T4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一只决定，即为PNP型。

R4、R5、RP2及二极管D1、D2所组成的支路是两对复合管的基极偏置电路，静态是支路电流I0可由下式计算：

I0=（2Vcc-2VD）/（R4+R5+RP2）（4.4.1）

（4.4.1）式中，VD为二极管的正向压降。

为减小静态功耗和克服交越失真，静态时T1、T3应工作在微导通状态，即满足下列关系：

VAB/VD1+VD2/BE1+VBE3

称此状态为有甲乙类状态。

二极管D1、D2与三极管T1、T3应为相同类型的半导体材料，如图D1、D2为硅二极管2CP10，则T1、T3也应为三极管。

RP2用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，一般采用几百欧姆或1K电位器（最好采用精密可调电位器）。

安装电路时首先应使RP2的阻值为零，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时再逐渐增大阻值。

否则会因RP2的阻值较大而使复合管损坏。

R6、R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧姆至几百欧姆，R8、R9为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能，一般为几欧姆。

R10、R11称为平衡电阻使T1、T3的输出对称，一般为几十欧姆至几百欧姆。

R12、C3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。

因扬声器呈感性，易引起高频自激，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。

此外，感性负载易产生瞬时过压，有可能损坏晶体三极管T2、T4。

R12、C3的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。

一般R12为几十欧姆，C3为几千皮法至0.1F。

功放在交流信号输入时的工作过程如下：

当音频信号Vi为正半周时，运放的输出电压Vc上升，VB亦上升，结果T3、T4截止，T1、T2导通，负载RL中只有正向电流iL，且随Vi增加而增加。

反之，当Vi为负半周时，负载RL中只有负向电流iL且随Vi的负向增加而增加。

只有当Vi变化一周时负载RL才可获得一个完整的交流信号。

静态工作点设置：

设电路参数完全对称。

静态时功放的输出端O点对地的电位应为零，即VO=0，常称O点为“交流零点”。

电阻R1接地，一方面决定了同相放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同相端电位为零，即V+=0。

由于运放的反相端经R3、RP1接交流零点，所以V-=0。

故静态时运放的输出Vc=0。

调节RP1电位器可改变功放的负反馈深度。

电路的静态工作点主要由I0决定，I0过小会使晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，I0过大会增加静态功耗使功放的效率降低。

综合考虑，对于数瓦的功放，一般取I0=1mA～3mA，以使T2、T4工作电甲乙类状态。

第5章.制作与安装

5.1PCB制作

5.1.1PCB制作的操作说明

图5.1PCB生成流程图

5.1.2据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制。

对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。

PCB图如附录B所示。

a.据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单

“createNetlist”即可；

b.网络表有也是原理图与印制电路板的接口；

c.规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数；

d.引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；

e.引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线；

f.修改封装与布局，这是自动布线的前提；

g.Protel99SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。

基于形状的对角线自动布线技术；

h.自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；

i.存盘并打印；

j.结束。

5.2安装工艺

安装工艺是制作工程中最关键的一步，它承接上面的设计性工作和下面的调试工作。

为此我们做了大量的学习和练习，具体理论学习知识如下：

5.2.1焊接技术

装接电路的主要工作是在电路板上焊接电子元器件,焊接质量的好坏直接影

响着电路的性能,焊接质量主要取决于四个条件:

焊接工具,焊剂,焊料,焊接技术.

为保证焊接质量,要求焊点光亮,圆滑,无虚焊.

a.元件引线要刮净,最好先挂锡再焊.因为引线表面经常有氧化物或油渍,

不易"吃锡",焊接起来困难,即使勉强焊上也容易形成虚焊,因而必须将氧化

物或油渍刮除干净.

b.焊接温度和时间要掌握好.温度不够,焊锡流动性差,很容易凝固;温度

过高,焊锡流淌,焊点又不易存锡,两种情况都不易焊好.一般焊接时让烙铁头

的温度高于焊锡熔点,烙铁头与焊点接触时间以使焊点锡光亮,圆滑为宜.如果

焊点不亮或形成"豆腐渣"状,说明温度不够,焊接时间太短.这种情况由于焊

剂没能充分挥发,很容易形成虚焊.此时需要增加焊接温度,只要将烙铁头在焊

点上多停留些时间即可,不必加压力或来回移动.

c.扶稳不晃,上锡适量.焊接时,被焊物体必须扶稳扶牢,特别在焊锡凝固

过程中不能晃动被焊元器件,否则很容易造成虚焊.烙铁沾锡多少要根据焊点大

小来决定,最好所沾锡量能包住被焊物.如果一次上锡不够,可以下次填补,但

要注意再次填补焊锡时,一定要待上次的锡一同熔化后方可移开烙铁头,使焊点

熔结为一体.

d.电子电路常有一些基本单元组成,电路重复性和规律性较强.焊接时,一

般先将电阻,电容,二极管等元件引线弯曲成所需形状,依次插入焊孔,并设法

使元件排列整齐,然后统一焊接.检查焊点后剪去过长引线,最后焊接三极管,

集成电路.器件的焊接时间一般要短一些,引脚也不宜剪得太短,防止焊接时烫

坏管子.初学者可用镊子夹住管脚进行焊接.

e.焊接结束,首先检查电路有无漏焊,错焊,虚焊等问题.检查时可用尖嘴

钳或镊子将每一个元件拉一拉,看有无松动,特别是要察看三极管管脚是否焊牢,

如果发现有松动现象,要重新焊接.

5.2.2印制电路板安装与焊接

印制电路板的装焊在整个电子产品制造中处于核心的地位，可以说一个整机产品的“精华”部分都装在印制板上，其质量对整机产品的影响是不言而喻的。

尽管在现代生产中印制板的装焊已经日臻完善，实现了自动化，但在产品研制，维修领域主要还是手工操作；况且手工操作经验也是自动化获得成功的基础。

5.2.3印制板和元器件检查

装配前应对印制板和元器件进行检查，内容主要包括：

.印制板：

图形，孔位及孔径是否符合图纸，有无断线，缺孔等，表面处理是否合格，有无污染或变质。

.元器件：

品种，规格及外封装是否与图纸吻合，元器件引线有无氧化，锈蚀。

对于要求较高的产品，还应注意操作时的条件，如手汗影响锡焊性能，腐蚀印制板，使用的工具如改锥，钳子碰上印制板会划伤铜箔，橡胶板中的硫化物会使金属变质等。

5.2.4元器件引线成型

如5.2.1所示，是印制板上装配元器件的部分实例，其中大部分需在装插前弯曲成型。

弯曲成型的要求取决于元器件本身的封装外形和印