音频功率放大器的设计与制作.docx
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音频功率放大器的设计与制作
电子技术课程设计报告
设计课题:
音频功率放大器的设计与制作
拔河游戏机的设计与制作
模电部分
音频功率放大器的设计与制作
一、设计任务与要求
1)话筒放大器和前置放大器由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,而输出阻抗达到20kΩ(也有低输出阻抗的话筒如20Ω,200Ω等),所以话筒放大器的作用是不失真的放大声音信号(最高频率达到20kHz)。
其输入阻抗应远大于输出阻抗。
前置放大器要求失真小、通频带宽。
2)电子混响器电子混响器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。
该部分电路有专用电路可以选用,不作设计要求。
3)音调控制器音调控制器的作用是控制、调节音响放大器输出频率的高低,音调控制器只对低音频或高音频的增益进行提升或衰减,中音频增益保持不变。
这部分参考电路较多,要求通过仿真进行选取,并进行必要的计算。
4)功率放大器功率放大器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的大,输出信号的非线性失真尽可能小,效率尽可能高。
功率放大器的常见电路形式有单电源供电的OTL电路和正负双电源供电的OCL电路。
有专用集成电路功率放大器芯片。
可采用由集成运算放大器和晶体管组成的功率放大器,要求进行必要的计算和计算机仿真。
设计参数
①放大器的失真度<1%。
②放大器的功率>1W。
③放大器的频响为50Hz—20kHz。
④音调控制特性为自选。
(3)设计要求
1)调研,查找并收集资料。
2)总体设计,画出框图。
3)单元电路设计。
4)电气原理设计---绘制原理图。
5)参数计算——列元器件明细表。
6)用EWB对设计电路进行仿真实验,并给出仿真结果及关键点的波形。
7)撰写设计说明书。
8)参考资料目录。
二、方案设计与论证
2.1音响模块流图
图2-1电路整体框图
话音放大器:
话音放大器的作用是不失真地放大音频信号。
电子混响器:
电子混响器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。
混合前置放大器:
混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混响后的声音信号混合放大。
音调控制器:
音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。
功率放大器:
功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率
电路方案的比较与论证
2.2话音放大电路的比较与论证
方案一:
采用uA741运算放大器设计电路,uA741通用高增益运算通用放大器,早些年最常用的运放之一。
应用非常广泛,双列直插8脚或圆筒8脚封装。
工做电压±22V,差分电压±30V,输入电压±18V,允许功耗500mW。
方案二:
采用LM324通用四运算放大器,双列直插8脚封装,它内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端,Vi-(-)为反相输入端,表示运放,输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
方案选取:
uA741是通用的放大器,性能不是很好,满足一般要求,而LM324四运算放大器具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,本设计放大倍数不高,LM324能达到f=10KHz的频响要求,故选用LM324四运放大器。
2.3音量控制器的设计
由于话筒信号可以相应的进行大小调节即在输入的时候就可调节,所以在此不做设计
2.4音频功率放大电路的比较与论证
方案一:
采用SL34集成功率放大器,SL34是低电压集成音频功效,功耗低、失真小,工作电压为6V,8Ω负载时,输出功率在300mW以上。
主要用于收音机记其他功放。
方案二:
LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机中。
LM386电源电压4--12V,音频功率0.5W。
LM386音响功放是由NSC制造的,它的电源电压范围非常宽泛,最高可使用到15V,消耗静态电流为4mA,当电源电压为12V时,在在8欧姆的负载情况下,可提供几百mW的功率。
他的典型输入阻抗为50K。
方案三:
TDA2030芯片外接元件非常少,输出功率大,Po=18W(RL=4Ω),采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度,开机冲击极小,内含各种保护电路,因此工作安全可靠。
主要保护电路有:
短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接(Vsmax=12V)以及负载泄放电压反冲等。
DA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率,THD≤0.1%。
无疑,用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。
方案选取:
本课题要求音响放大器的输入功率在5W以上,然而LM386达不到这种功率,故选用TDA2030.频率响应最低到最高为50Hz到20kHz;二点电源供电音频功率放大器已经达到所需要的指标。
并且他较少的元件组成单声道音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等特点,而BTL电路虽然也具有以上的功能,但制作复杂,不利于维修。
2.5混响部分的处理
对输出结果没有多大的影响。
所以就省去不做。
三、单元电路设计与参数计算
3.1话音放大器
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欧,200欧等),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抗。
图3-1话音放大器
放大倍数:
160/20=8倍
电路图中A1组成同向放大器,具有很高的输出阻抗,能与高阻话筒配接作为话音放大器电路,其放大倍数Av=1+R12/R11=8.5倍(18.5dB),与仿真结果相似。
四运放LM324的频带虽然很窄(增益为1时,带宽为1MHz),但这里放大倍数不高,故能达到fH=10kHzd的频响要求。
3.2电子混响器
电子混响器是用电路模拟声音的多次反射,产生混响效果,是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,如下图,其中集成电路BBD称为模拟延时器,其内部有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。
在外加时钟脉冲作用下,这些电子开关不断地接通和断开,对输入信号进行取样、保持并向后级传递,从而使BBD的输出信号相对于输入信号延迟了一段时间。
BBD的级数越多,时钟脉冲的频率越高,延迟时间越长。
BBD配有专用时钟电路,如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD配套。
电子混响器的实验电路如图,其中两级二阶低通滤波器(MFB)A1、A2滤去4kHz(语音)以上的高频成分,反相器A3用于隔离混响器的输出与输入间的相互影响。
RP1
调节混响器的输入电压,RP2调节MN3207的平衡输出以减小失真,RP3调节时钟频率,RP4控制混响器的输出电压。
途中MN3207与MN3102各引脚的电压如下:
引脚12345678
MN3207的电压0.03.20.05.66.03.22.62.6
MN3102的电压6.03.20.03.23.23.22.82.6
图3-2电子混响器
3.3混合前置放大器
混合前置放大器的作用是将音乐信号和电子混向后的声音信号混合放大,其电路如下图。
这是一个反相加法器电路,输出与输入电压间的关系为
V0=-{(Rf/R1)*V1+(Rf/R2)*V2}
式中,V1为话筒放大器输出电压,V2为放音机输出电压。
图3-3混合前置放大器
上述电路由运放A2组成,这是一个反向加法器电路。
3.4音调控制器
音调调控器的基本知识
音调又称声音的高度,音调主要由声音的频率决定,同时也与声音强度有关。
对一定强度的纯音,音调随频率的升降而升降;对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降,高频纯音的音调却随强度增加而上升。
音调调控器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性,分别调整音域的超低音、低音、高音,进行自由调节、装饰、美化,从而使你享受到音乐调味师的乐趣。
运用此功能,可根据个人的品位将音乐的低频(大多指80Hz以下)的频率,提升到最大,你可以感觉到动人的超重低音雄浑厚实、强性十足;将音乐的高频(大多指10KHz以上)的频率,提升到最大,你可以感觉到高音清脆动人,亮丽硬朗。
音调控制器一般由高通和低通滤波器构成。
如下图
图3-4-1音调控制器
下面分析一下其工作原理:
1.当f在低频段时:
2.电容C3可以视为开路,其电路可以等效为图4-4-2
图3-4-2低频段等效电路图
当RP1的滑臂在最左端时,对应的电路图如图3-4-3(a)所示,对应于低频提升最大的情况;当RP1的滑臂在最右端时,对应的电路图如图3-4-3(b)所示,对应于低频衰减最大的情况。
根据集成运算放大器的相关的知识可以对图3-4-3的频率特性进行分析,分析表明(a)所示的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=(jω)=Vo/Vi=-[(Rp1+R2)/R1]*[(1+jω/ω2)/(1+jω/ω1)]
图3-4-3等效电路
式中ω1=1/(Rp1C2)
ω2=(Rp1+R2)/(Rp1R2C2)
当f AVL=(Rp1+R2)/R1 当f=fL1时,若选择fL2=10fL1 AV1=AVL/ 此时电压增益相对AVL下降3dB。 在f=fL2时 Av2=0.14AVL 此时电压增益相对AVL下降17dB。 同理可以得出(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。 3.当f在高频段时: 电容C1、C2可以视为短路,电路可以等效为图3-4-4(a),R4与R1、R2组成星形连接,将其转换成三角连接后的电路如图3-4-4(b)所示。 电阻的关系式为: Ra=R1+R4+(R1R4/R2) Rb=R4+R2+(R4R2/R1) Rc=R1+R2+(R2R1/R4) 若取R1=R2=R4,则: Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4 图3-4-4音调调控器的高频等效电路 图3-4-4的高频等效电路如图4-4-5所示,当RP2的滑臂在最左端时,对应的电路图如图3-4-5(a)所示,对应于高频提升最大的情况;当RP2的滑臂在最右端时,对应的电路图如图3-4-5(b)所示,对应于高频衰减最大的情况。 分析表明(a)或(b)表示的电路为一介有源高通滤波器,其增益函数的表达式为: 图3-4-5滑臂在最左端、最右端的高频提升等效电路 A=(jω)=Vo/Vi=-(Rb/Ra)*[(1+jω/ω3)/(1+jω/ω4)] 式中: ω3=1/[(Ra+R3)C3] ω4=1/(R3C3) 显然,fH1 f f=fH1时,AV3= AV0,此时电压增益AV3相对于AV0提升了3dB。 f=fH2时,AV4=10/ AV0,此时电压增益AV4相对于AV0提升了17dB。 f>fH2时,C3视为短路,此时电压增益为: AVH=(Ra+R3)/R3 将两者综合起来可得到幅频特性图3-4-6 图3-4-6音调控制电路的幅频特性 3.5功率放大器 功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL提供一定的输出功率。 当负载一定时,希望输出功率尽可能大,输出信号的非线性失真尽可能的小,效率尽可能的高。 功放的常见电路有OTL(OutputTransformerless)电路和OCL(OutputCapacitorless)电路。 有用集成运算放大器和晶体管组成的功放,也有专用集成电路功放。 TDA2030A是SGS公司生产的单声道功放IC,该IC体积小巧,输出功率大,最大功率到达40W左右;并具有静态电流小(50mA以下),动态电流大(能承受3.5A的电流);负载能力强,既可带动4-16Ω的扬声器,某些场合又可带动2Ω甚至1.6Ω的低阻负载;音色中规中举,无明显个性,特别适合制作输出功率中等的高保真功放等诸多优点。 在图中电阻R3、R2与C2组成交流负反馈支路,控制功放级的电压增益Avf,即Avf=1+R3/R2≈R3/R2,C7为相位补偿电容。 C7减小,贷款增加,可消除高频自激。 C8为单电源供电时OTL电路的输出端电容,两端的充电电压等于Vcc/2,C8一般取耐压值远大于Vcc/2的几百微法的电容。 使用双电源供电,可以将其设为短路。 C5,C6电源的滤波电容,可滤除文波,一般取几十微法到几百微法。 C3,C4为电源的退耦滤波电容,可消除低频自激。 2、功放电路仿真波形图 当RL调的过小时,波形失真;如下图: 用multisim软件仿真,可以完成以后对PCB的通电测试,测试是对安装后的电路板的参数及工作状态进行测量,以便提供调整电路的依据,经过反复测量和调整,就可以使电路性能达到要求。 仿真的函数信号发射器的频率课选择1kHZ左右,幅度可以在12V左右,电位计要靠中间档。 3参数计算 RP是音量调节电位器,考虑到实际情况本设计RP=2.2KΩ; C1是输入耦合电容(C1=1uf); R1是TDA2030同相输入端偏置电阻; R2、R3为反馈网络电阻(R1=R2=R3=100KΩ);. R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。 该电路闭环增益为(R4+R5)/R5=(0.68+22)/0.68=33.3倍,C3起隔直流作用,以使电路直流为100%负反馈。 静态工作点稳定性好。 C2、C4、C7为电源高频旁路电容,防止电路产生自激振荡; R6用以在电路接有感性负载扬声器时,保证稳定性; VD1、VD2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏集成块TDA2030, 负载RL=8Ω。 ... 4功率的计算 1、计算输出功率Po输出功率用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示。 设输出电压的幅值为Vom,则 因为Iom=Vom/RL,所以.当输入信号足够大,使Vim=Vom=Vcem=VCC-VCES≈VCC和Iom=Icm时,可获得最大的输出功率 由上述对Po的讨论可知,要提供放大器的输出功率,可以增大电源电压VCC或降低负载阻抗RL。 四、总原理图及元器件清单 1.总原理图 2.元件清单 数量 描述 封装 1 OPAMP,TDA2030 Generic\PENTAWATT 2 DIODE,1N4001 IPC-2221A/2222\DO-35 1 SONALERT,SONALERT200Hz Generic\BUZZER 1 OPAMP,LM324AD IPC-7351\CASE751A 1 OPAMP,LM324AD IPC-7351\CASE751A 五、安装与调试 实践表明,新安装完成的电路板,往往难于达到预期的效果。 这是因为人们在设计时,不可能周全地考虑到元件值的误差、器件参数的分散性等各种复杂的客观因素,此外,电路板安装中仍有可能存在没有查出的错误。 通过电路板的测试和调整,可发现和纠正设计方案的不足,并查出电路安装中的错误,然后采取措施加以改进和纠正,就可使之达到预定的技术要求。 1、在安装电子电路之前,应仔细查阅电路所使用的集成电路的管教排列图记使用注意事项,同时测量电子元件的好坏。 2、画出每个单元电路的电路原理图和连线图,画出整个电子系统的原理图。 3、前置放大器的调试。 安装电路时应注意电解电容的极性不要接反,电源电压的极性不要接反。 同时不加交流信号时,用万用表测量每级器的静态输出值;然后用示波器观察每级输出有无自激振荡现象,同时测量前置放大器的噪声输出大小。 加入幅值5mV、频率1000Hz的交流正弦信号,测量前置放大器的输出大小,验证前置放大器的电压放大倍数。 改变输入正弦信好的频率,测试前置放大电路器的频带宽度。 功率放大器测试。 (1)通电观察。 接通电源后,先不要急于测试,首先观察功放电路是否有冒烟、发烫等现象。 若有,应立即切断电源,重新检查电路,排除故障。 (2)静态工作点的调试。 将功率放大器的输入信号接地,测量输出端对地的点位应为0V左右,电源提供的静电电流一般为几十mA左右。 若不符合要求,应仔细检查外围元件记接线是否有误;若无误,可考虑更换集成功放器件。 (3)动态测试。 在功率放大器的输出端接额定负载电阻RL条件下,功率放大器输入端加入频率等于1KHz的正弦波信号,调节输入信号大小,观察输出信号的波形观察输出信号的波形。 若输出波形变粗或带有毛刺,则说明电路发生自激振荡,应尝试改变外接电路的分布参数,直至自激振荡消除。 然后逐渐增大输入电压,观察测量输 出电压的失真及幅值,计算输出最大不失真功率。 改变输入信号的频率,测量功率放大器在额定输出功率下的频带宽度是否满足设计要求。 4、整机联调。 将每个单元电路互相级联,进行系统调试。 (1)最大不失真功率测量。 将频率等于1kHz,幅值等于5mV的正弦波信号接入音频功率放大器的输入端,观察其输出端的波形有无自激振荡和失真,测量输出最大不失真电压幅度,计算最大不失真输出功率。 (2)音频功率放大器频率响应测量。 将音调调节电位器RP1、RP2调在中间位置,输入信号保持5mV不变,改变输入信号的频率,测量音频功率放大器的上、下限频率。 (3)音频功率放大器噪声电压测量。 将音频功率放大器的输入电压接地,音量电位器调节到最大值,用示波器观测输出负载RL上的电压波形,并测量其大小。 5、整机视听。 用8Ω/9W的扬声器代替负载电阻RL。 将一话筒的输出信号或幅值小于5mV的音频信号接入到音频功率放大器,调节音量控制电位器RP,应能改变音量的大小。 调节高、低音控制电位器,应能明显听出高、低音调的变化。 敲击电路板应无声音间断和自激现象。 六、性能测试与分析 噪声电压 音响放大器的输入为零时,输出负载RL上的电压称为噪声电压UN。 测量条件同上,测量方法是,使输入端对地短路,音量电位器为最大值,用示波器观察输出负载RL的电压波形,用交流电压表测量其有效值。 整机效率 式中Po——输入的额定功率; Pc——输出额定功率时所消耗的电源功率 七、结论与心得 课程设计看似简单,当自己着手去做时,要比自己想象中复杂。 课程设计除了要熟练掌握音响放大器的理论知识,还要明确自己的设计模式。 对于没有设计经验的人而言,让我们遇了很多难以解决的问题,同时也学到了很多知识。 掌握了音箱放大器电路的设计与制作,掌握了TDA2030等集成芯片的原理与作用以及晶体管极性的判断,怎么样去检查电路中的错误与线路是否导通,。 更让我明白团体精神的重要性。 更懂得做好一件事情的不容易。 接触到了与自己相关专业的具体的知识,感觉到所学的东西还是很有用的,通过实践不但巩固了学过的知识,而且其他的对所学知识进行实践论证,及时的发现了存在的许多不足。 通过本次课程设计初步了解了一些专业软件的使用,例如Multisim的软件的使用 通过此次模电大型试验的设计以及调试,掌握了音响放大器的基本设计方法和设计原理,对几种基本电路有了更深刻的认识和印象,并且掌握了一些多级放大电路设计和调试的经验。 但是,同时也发现自己的许多不足之处。 发现自己在将书本知识转化为实践能力的水平还很薄弱,在遇到问题时耐心不足,解决问题时不能够平静下心来,只想赶快做好实验,但没有发现,获得数据是其次,真正的在于培养我们自己发现问题、解决问题的能力。 以后我会更加注重自己这方面能力的培养。 八、参考文献 1、康华光主编,电子技术基础(数字部分、模拟部分),高等教育出版社,1998. 2、谢自美主编.电子线路设计·实验·测试(第3版)。 华中科技大学出版社,2006 3、陈大钦主编: 《电子技术基础实验-电子电路实验、设计、仿真》,高等教育出版社,2002年出版。 4、国产集成电路应用500例.周仲主编.北京: 电子工业出版社,1992 5、模电数电基础实验及multisim7仿真蒋黎红主编浙江大学出版社,2007 模电部分 拔河游戏机的设计与制作 一、设计任务与要求 设计拔河游戏机用9个发光二极管排成一行,开机后只有中间一个点亮,以此作为拔河的中心线,游戏双方各持一个按键,迅速地、不断地按动产生脉冲,谁按得快,亮点向谁的方向移动,每按一次,亮点移动一次。 移到任一方终端二极管点亮,这一方就得胜,此时双方按键均无作用,输出保持,只有经复位后才使亮点恢复到中心线。 用译码器、可逆计数器、十进制计数器、与门、异或门等组成电路。 二、方案设计与论证 方案一: 可逆计数器74LS193D原始状态输出4位二进制数0000,经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。 当按动A、B两个按键时,分别产生两个脉冲信号,经整形后分别加到可逆计数器上,可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移,当亮点移到任何一方终端后,由于控制电路的作用,使这一状态被锁定,而对输入脉冲不起作用。 如按动复位键,亮点又回到中点位置,比赛又可重新开始。 将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器4514BD的允许控制端EN,当任一方取胜,该方终端二极管点亮,产生一个下降沿使其对应的计数器计数。 这样,计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。 方案二: 用两个555定时器产生两个方波脉冲信号,用同步十进制可逆计数器192实现编码电路,通过两个138译码器实现译码过程,并且用9个发光二极管显示甲方乙方的拔河情况,谁按键快,二极管就会向谁的方向移动。 通过控制电路,显示胜利的一方。 选方案一比较好,成本合适,元器件廉价 三、单元电路设计与参数计算 电路原理图: 模块功能及思路介绍 ------本次设计中一共包含了五个模块。 (一)、整形电路 整形电路,使A、B二键出来的脉冲经整形后变为一个占空比很大的脉冲,这就减少了进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性,从而使每按一次键都有可能进行有效的计数。 (二)、译码电路 拔河开始后中心处二极管首先点亮,当编码器进行加法计数时,亮点向右移,进行减法计数时,亮点向左移。 (三)、控制电路 指示出谁胜谁负。 当亮点移到任何一方的终端时,判该方为胜,此时双方的按键均宣告无效。 (四)、复位控制 每次比赛结束后裁判能控制让电路回复比赛。 也能让显示器归零。 功能模块 1、各模块功能及相关原理图 (1)编码电路的设计: 由双时钟二进制同步可逆计数器74LS192D构成,它有2个输入端,4个输出端,能进行加/减计数。 通过编码器来控制电平指示灯的显示,加计数时向右移动,进行减计数时,向相反方向移动。 电路图如下: (2).整形电路设计: 由与门74LS08D和与非门74LS00D构成。 因74LS192D是可逆计数器,控制加减的CP脉冲分别加至5脚和4脚,此时当电路要求进行加法计数时,减法输入端CPD必须接高电平;进行减法计数时,加法输入端CPU也必须接高电平,若直接由A、B键产生的脉冲加到5脚或4脚,就有很多时机在进行计数输入时另一计数输入端为低电平,使计数器不能计数,双方按键均失去作用,拔河比赛不能正常进行。 加一整形电路,使A、B二键
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