數(shù)字控制音頻放大電路--課程設(shè)計報告資料

1、課程設(shè)計報告 課程名稱： 電子技術(shù)應(yīng)用課程設(shè)計 設(shè)計題目： 數(shù)控音頻放大電路 專業(yè)班級： 10 電氣 2 班 設(shè) 計 者： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 舒華 、王崢 設(shè)計所在學(xué)期： 大三第一學(xué)期 設(shè)計成績： 廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 2012 年 9 月 29 日 數(shù)控音頻放大器設(shè)計報告 聲音無處不在， 人類對于聲音的利用可以是無孔不入。 特別是信 息傳遞方面， 最常見的如人與人之間的對話。 但是有時候我們想把聲 音信息先保存下來等到有需要的時候再播放出來， 而播放的機(jī)制好壞 直接影響到聲音信息的完整性與真實(shí)性， 即和聲音的失真率有關(guān)。 所 以聲音播放機(jī)制的好壞關(guān)乎到信息傳遞的準(zhǔn)確性。 再者，當(dāng)

2、今社會聲音播放機(jī)制是隨處可見， 這足以證明現(xiàn)實(shí)社會 對播放機(jī)制的需求量大， 且漸漸地向失真較小的方向發(fā)展。 人們在致 力尋求失真最小的機(jī)制同時， 也想該機(jī)制盡量簡單小規(guī)模， 因?yàn)檫@樣 才能廣泛利用于各個領(lǐng)域。 如電腦音箱、 筆記本音響、廣播、手機(jī)等。 各個領(lǐng)域?qū)τ诼曇舨シ诺囊笥指饔胁煌?所以本報告著重討論研究 失真較小的家用級播放機(jī)制。 最后，機(jī)制電路的設(shè)計對于設(shè)計者來說是一個不容易解決得問 題。對于設(shè)計者技術(shù)方面要求猶為重要。 設(shè)計者要盡可能地減少外界 對機(jī)制的影響和電路內(nèi)部的影響， 綜合考慮電路布局、 功率和材料選 擇。設(shè)計者如果在任何一個環(huán)節(jié)出錯都會導(dǎo)致播放機(jī)制不穩(wěn)定乃至失 真、震蕩

3、。因此選擇這個電路作為討論研究對象具有代表性意義，能 使初級設(shè)計者更好地理解播放機(jī)制的工作原理， 同時也是是初級設(shè)計 者技術(shù)的試金石，是一個很好的鍛煉臺階！ 系統(tǒng)功能簡述 功能項(xiàng)目 詳細(xì) 前置運(yùn)放 在不引入其他干擾的情況下，對信號源進(jìn)行初級放大且失真 非常小，。能驅(qū)動耳機(jī)等小功率喇叭。 后級功放 在不引入其他干擾的情況下，對前級信號進(jìn)行進(jìn)一步放大， 并且加強(qiáng)大負(fù)載能力，能驅(qū)動 10W以上喇叭。 音量級調(diào)節(jié) 對播放機(jī)制進(jìn)行音量 8 級調(diào)節(jié)（由小到大 0-7 級）。能向低調(diào) 高，也能向高調(diào)低。 音量顯示 顯示當(dāng)前的音量級別 防抖開關(guān) 防止調(diào)節(jié)音量時，按鍵震蕩引起音量調(diào)節(jié)越級。 電源指示燈 顯示電源

4、接通情況，關(guān)閉電源時能消耗電容上的電能。 直流電源 對交流 220V 電源進(jìn)行降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，最后輸出直 流正負(fù) 12V、正負(fù) 9V、正負(fù) 5V。 音量檢測 對音量進(jìn)行檢測，用 10 個LED組顯示。 二、簡論本系統(tǒng)意義（創(chuàng)新性、實(shí)用性、課題特點(diǎn)） 電子產(chǎn)品趨向于自動化， 智能化方向發(fā)展， 人們想電子產(chǎn)品在滿 足其基本需要時，能具備智能化、人性化的體現(xiàn)。因此，在這樣的市 場需求下，電子產(chǎn)品發(fā)展已向智能化、人性化方向發(fā)展。 在這個大趨勢的推動下， 本系統(tǒng)在設(shè)計方面也加入了一些比較人 性化的設(shè)計，如可視化音量級別，與數(shù)控音量調(diào)節(jié)。也許正是一個經(jīng) ?？梢钥吹降暮唵喂δ?，但這卻是一個具有創(chuàng)新性

5、意義的代表功能。 以前播放機(jī)制， 是用一個簡單的電位器來調(diào)節(jié)的， 基于以前技術(shù)的相 對落后，與材料的缺乏。電位器不是為一個很好地解決方案，但是電 位器調(diào)節(jié)使得使用者對于使用系統(tǒng)，不能有一個比較形象的音量理 解，看見的卻是電位器指針的位置。 但是可視化的音量顯示能讓使用 有一個形象而且具體的了解， 這更好的幫助使用者直觀地準(zhǔn)確地提高 到某一個音量級別， 當(dāng)然這個是在音量級別的級差做得盡量小的時候 最能體現(xiàn)出來。 雖然本系統(tǒng)設(shè)計未能達(dá)到級差細(xì)化， 但卻是數(shù)控音量 調(diào)節(jié)的原理體現(xiàn)。 再者，數(shù)控音量調(diào)節(jié)是， 數(shù)電信號轉(zhuǎn)換成模電信號的又一個重要 體現(xiàn)。數(shù)模轉(zhuǎn)換是有智能化控制中必不可少的一個環(huán)節(jié)， 也是實(shí)

6、現(xiàn)智 能化控制執(zhí)行機(jī)制的前級。因此，這些設(shè)計具有創(chuàng)新性意義。 但是，在具有創(chuàng)新性同時，不乏接近現(xiàn)實(shí)的實(shí)用性。本系統(tǒng)屬于 小型電路， 設(shè)計使用對象是要求相對較低的家用音響。 且零件花費(fèi)相 對較低，因此本設(shè)計能進(jìn)入音頻播放的大多數(shù)領(lǐng)域， 普及到大大小小， 各種各樣的設(shè)備。 音頻放大設(shè)計課題具有開放性， 發(fā)散性等特點(diǎn)。 所以設(shè)計者可以 自由發(fā)揮自己的創(chuàng)造能力， 盡可能地完善與增加設(shè)計方案。 基于這個 課題這個特點(diǎn)， 讓設(shè)計者有很大的發(fā)揮空間， 設(shè)計者可以隨心所欲地 設(shè)計屬于自己的電路， 不需要受框條的制約。 電子設(shè)計需要的是創(chuàng)新 的能力，這就要求設(shè)計者要站在一個發(fā)展的高度去看待問題， 立足于 實(shí)用，

7、發(fā)展于創(chuàng)新，只有這樣才能設(shè)計出一個成功的作品。而這個課 題的特點(diǎn)正好迎合設(shè)計者的需求。 經(jīng)過這個課題， 我相信設(shè)計者能更 好地理解電子電路特點(diǎn)，為以后發(fā)展奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。 三、方案選擇的論證 方案二： 方案一中的 TDA2822失真比較嚴(yán)重 方案二中 LM386電路比 TDA2822簡單，容易調(diào) 試 不采納） 采納） 四、系統(tǒng)構(gòu)圖 五、總電路圖 n RimRl 襯 o o oo -o o o oo o o o 0000000 十 g 0 0 000000 13s Ria o 1J R E6TSk! rJCK員 oroooooo 5 5 6 o o o o o ? L 3 Hosl o 一 oo

8、nuo OOHUO oonuo oonMUO OOHHMO oonuo oonuo 廠 H3CI1 丄 J 0 0 o nmrmrmh 六、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理和電路原理 （1） 該電路為電源整流濾波穩(wěn)壓電路，從交流 220V 輸入首先經(jīng)過 220V-12V 變壓器變壓，再經(jīng)過整流橋整流，輸出直流。然后用大電 容與小電容組合成濾波電路， 使電壓波形較為平滑。 但是這電壓還是 具有不穩(wěn)定性，不能直接利用。因此需要穩(wěn)壓 IC 來穩(wěn)定輸出電壓。 (2) 該電路為前級放大電路，選用的芯片是 LM324。同相交流放大器的特 點(diǎn)是輸入阻抗高。當(dāng)有音頻信號輸入到 5 端時接經(jīng)過一個濾波的電 容，過濾掉傳輸途中

9、的雜波，一般取 3uF-10uF。R5 為下拉電阻， C9 為濾波電容。 Rf1 與 Rf2 接反饋電阻接入端， C5為輸出濾波電容?？?電路組成一個同相比例放大電路。電路的電壓放大倍數(shù)AV 也僅由外 接電阻決定： AV 1+Rf /R5, R5 的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐 姆。電容電阻的選取一定要合理，否則運(yùn)放本身會產(chǎn)生自激震蕩。對 輸入造成干擾，或者導(dǎo)致不能放大。 （3） 范圍由 4V12V，無動作時僅消耗 4mA電流，且失真低。用該芯片搭 建功放外圍元件也非常少。 電路中 R6與 C8是對感性負(fù)載 （喇叭） 進(jìn)行 相位補(bǔ)償來消除自激的。 1 腳和 8 腳懸空處理，這樣功放就默認(rèn)內(nèi)建

10、增益為 20db，在兩腳之間相應(yīng)加上適當(dāng)?shù)碾娙莼螂娮杈涂梢栽龃笃?增益到最大 200db。 (4) 該電路圖未數(shù)字模擬開關(guān)，當(dāng)有數(shù)字信號輸入到 Q0、Q1、 Q2端時， 對應(yīng)的 X？通道就會與 COMO /I 導(dǎo)通。因此在 X?端各并入電阻，在某 一端接通時，相當(dāng)于從 13 端開始，各級串加電阻，直至接通口。所 以該芯片很適用于數(shù)字調(diào)阻電路，按如圖接法，將 3 端與 13 端接入 運(yùn)放反饋電阻端， 就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字 8 級調(diào)控反饋電阻電路。 即能直接調(diào) 節(jié)運(yùn)放的放大倍速。電路中使用 10k 的電阻，即反饋電阻范圍為 0 70k。 5) 該電路為按鍵信號電路與抖動電路。 按鍵按下去時，會產(chǎn)生機(jī)械震蕩

11、， 導(dǎo)致信號出入不穩(wěn)定。接入 RC充放電電路，是為了穩(wěn)定輸入信號間 隔在 R*C=5ms左右。這樣就能比較有效地放抖動。 選用 556 組成兩個 按鍵的施密特電路， 是為了進(jìn)一步防止電路抖動。 輸出一個穩(wěn)定的時 鐘信號。 6) 該電路為計數(shù)電路，實(shí)行分級調(diào)節(jié)的主芯片。 74193 為 16 進(jìn)制同步 加減計數(shù)器，雙時鐘，帶清除。 74193 被接成計數(shù)狀態(tài)，在加或減的 時鐘信號作用下作計數(shù)操作，輸出三個數(shù)字信號。 7) 該電路為數(shù)字調(diào)級顯示電路。 4511 為數(shù)碼管驅(qū)動芯片，工作在譯碼 狀態(tài)。通過檢測計數(shù)器輸出端額三個數(shù)字信號來翻譯相應(yīng)驅(qū)動信號， 通過輸出七個電平信號來驅(qū)動數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字

12、。 數(shù)碼信號輸入 端的電阻為限流電阻， 100-500 歐均可，保證數(shù)碼在正常安全的狀態(tài) 下工作。 (8) 該電路是音量檢測的模塊 電路采用 LM3914 作為 10 個發(fā)光二極管 驅(qū)動器，它可以把輸入模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出驅(qū)動 10 位發(fā)光二極 管來進(jìn)行點(diǎn)顯示或柱顯示。信號電壓則利用 LM324 的另一個放大器 將音頻信號放大輸入 LM3914 進(jìn)行比較。圖中 R2、R3 用來調(diào)節(jié)參考 電壓的范圍， 10個LED 燈的亮度可由 R4來調(diào)節(jié)通過每個 LED 的電 流大致等于 R中電流的 10倍，又因?yàn)?LM3914內(nèi)部有 1.2V的標(biāo)準(zhǔn)電 壓源， R4選用 1K 的電阻，剛通過 LED 的電流

13、為 12mA。因?yàn)闇y得 信號電壓達(dá)到 46V ，因此 LM3914 采用 12V 的獨(dú)立供電，使參考 電壓范圍更充裕，更易于調(diào)節(jié)。 七、電路設(shè)計、參數(shù)計算、和元器件選擇 （1）本系統(tǒng)要是實(shí)現(xiàn)的是失真小、能帶喇叭負(fù)載的音頻放大電路所 以在運(yùn)放與功放選擇方面，都選擇了失真很小的元件。 電路運(yùn)放反饋放大大小為： Rf/R5=1-8 倍 功放放大倍數(shù)： 20db，即 10 倍 （2）電源的選擇；因?yàn)檫\(yùn)放與功放芯片要在供電功率足夠的情況才 能正常工作，且失真最小， 因此電源供電一定要足。所以變壓器選用 20AV、220V-12V 的變壓器，功放輸出功率大概為 500mW，加上芯片內(nèi) 部損耗大概為 1.5

14、W左右。 其它芯片功耗總數(shù)只有 2W左右。 整個電路 功率小，所以可以選擇使用 4節(jié) 7號電池供電，但使用變壓器供電裕 度更充足，這樣就能保證芯片與變壓器都工作在穩(wěn)定狀態(tài)。 整流橋選擇 KBP206，該橋堆耐壓 600V，通過最大電流為 2A。符 合供電功率要求。濾波電容選擇容值比較大的電容，兩個4700uF 的 電容對電壓進(jìn)行濾波，有著比較好的效果。為使波形盡量平滑，再連 續(xù)用較小的電容來輔佐濾波，使得波形得到很大的改善。 穩(wěn)壓芯片選用 78 系列、與 79 系列。因?yàn)樵撔酒瑑r錢低且，使用 方便。但是由于供電功率需要比較大，且 78、79系列穩(wěn)壓 IC 工作最 大電流都為 1A。因?yàn)?P=I

15、U，所以選用穩(wěn)壓輸出電壓大一些，會有效 減少流過芯片電流，防止 IC 工作電流過大而發(fā)熱過大，導(dǎo)致?lián)p壞。 即使選擇穩(wěn)壓 IC 上合理，但電源 IC 都裝上了散熱裝置。 （3）數(shù)控元件的選擇；因?yàn)閿?shù)碼管與其驅(qū)動芯片，都是很常見的， 即使不同型號，功能方面也是一模一樣，使用方面也是大同小異。所 以數(shù)碼管選擇的是共陰數(shù)碼管，驅(qū)動芯片選擇 4511。 計數(shù)器芯片選用 74193，因?yàn)檫@個一個 16 進(jìn)制計數(shù)芯片，芯片 在計數(shù)狀態(tài)下 Q0、 Q1、Q2端循環(huán)輸出 0-7 二進(jìn)制碼。對于 8 級調(diào)節(jié) 利用起來比較方便。 加上該芯片有加減雙時鐘計數(shù)， 這樣有助于雙向 調(diào)節(jié)音量，更利于使用者使用。 開關(guān)芯片采

16、用常用的 4051，這個一個比較好用的低壓模擬開關(guān) 芯片，且工作穩(wěn)定 開關(guān)用的是指壓四腳無鎖開關(guān)， 所以使用時會有機(jī)械震蕩， 會影 響時鐘信號的輸入，所以選用 RC充放電電路來延長信號輸出時間， 時間大約為 R*C=1uF*5K=5m，S另外選用 556 構(gòu)成施密特電路，能有 效矯正輸出波形。穩(wěn)定時鐘信號。 八、實(shí)施方案說明 本系統(tǒng)制作過程比較長，特別是前期準(zhǔn)備工作。 首先是電源制作，電源制作一定要謹(jǐn)慎，因?yàn)殡娫粗苯咏佑|220V 交 流電，一不留神很容易出現(xiàn)事故。電源中最大塊的是變壓器，所以制 作過程中，先固定變壓器，然后接線用接線端子，保證接線可靠。還 要在變壓器一次端加上開關(guān)。 固定好變壓

17、器， 就要安排整流橋與電容 的布局，兩者不能與變壓器靠得太緊，且焊接的時候，線路要盡量的 粗和大。最后就是穩(wěn)壓芯片的安裝， 穩(wěn)壓芯片是很容易受到熱損壞的， 所以在焊接的時候， 要先安裝散熱片。 最后電源安裝好了以后就用電 表檢測有沒有短路、開路。 在確保線路正常的情況下接上電源，然后 用萬能表測輸出電壓是否正常。 電源電路比較簡單， 所以一次轉(zhuǎn)配就 成功了。 然后就是運(yùn)放與功放電路了， 這個就需要很詳細(xì)的元件布局考慮， 因 為布局不當(dāng)也會導(dǎo)致干擾或者會造成焊接上的困難。 同樣地，焊接的 時候，電源線要粗大，要盡量避免少飛線。反饋電阻先用 10K，輸出 端接上喇叭。焊接好了就先檢測一次電路，確保

18、焊接正確以后，就接 上電源，測試電路。最后電路工作正常 接著實(shí)功放電路， 在安排這部分電路布局的時候， 在板上畫上范 圍。按照圖焊接好了以后， 然后接上電源接上運(yùn)放輸出端，最后發(fā)現(xiàn) 能正常工作。 緊接著是數(shù)控電路，這部分需要先焊接數(shù)碼管與數(shù)碼管驅(qū)動電 路，因?yàn)楹附雍眠@個電路能夠測試下面電路有沒有出錯。 按圖焊接好 電路后，把四個輸入端分別接入地同 5V 測試一下數(shù)碼管有沒有接錯， 和驅(qū)動電路有沒有工作在譯碼狀態(tài)。最后檢測的時候發(fā)現(xiàn)計數(shù)不正 常，然后換不同大小的電容， 沒什么效果， 最后不斷更換電容的位置， 最后找到適合的位置改正后才能正常工作。 剩下的就是一些比較簡單的芯片焊接，都以一次焊接就

19、成功了。 總得來說，總結(jié)出，在焊接的時候電源線要粗大，芯片位置布局要預(yù) 留多一點(diǎn)位置，這樣才能方面焊接。 PCB 設(shè)計時，所有外圍元件盡 可能靠近 LM386 ；地線盡可能粗一些；輸入音頻信號通路盡可能 平行走線，輸出亦如此。 九、系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果和現(xiàn)象 系統(tǒng)運(yùn)行時，未插入音頻輸入時，有較大電流聲。插入后幾乎聽 不見。工作時，音頻放大效果比較強(qiáng)，所以音量檔位不用調(diào)節(jié)太大。 音質(zhì)基本上聽不出有失真。聲音亮麗，如果固定好喇叭，則聲音變得 渾厚。運(yùn)行大概 30 分鐘后，變壓器與功放芯片均明顯感覺有熱感， 再過 30 分鐘后，溫度基本上穩(wěn)定。 、測試過程中，主要使用的是萬能 表。系統(tǒng)基本上工作正常 十、元器件列表清單 Comment Designator Footprint Quantity Value 電阻 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, R1, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 AXIAL-0.3 20 1K, 5K, 10K, 100 陶瓷電容 C1, C3, C5, C6, C8, C10 RAD-0.3 6 0.01uF, 0.