音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)

1、第 10 頁(yè) 共 10 頁(yè)音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)王#(安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院 安徽 安慶 246011)指導(dǎo)老師：祝祖送 摘要：本文的內(nèi)容是音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)，其有操控簡(jiǎn)單、音質(zhì)好等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)電路使用的是TDA2030為音頻功率放大器，其工作電壓為+15V。它將輸入電路的電流放大，之后再將揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)工作。采用LF353對(duì)輸入的音頻信號(hào)前級(jí)放大，采用DAC0832對(duì)前級(jí)放大進(jìn)行控制，采用STC89C52單片機(jī)控制電路的放大倍數(shù)，最后由液晶顯示器顯示出放大倍數(shù)。 關(guān)鍵詞：功率放大器，前級(jí)放大，保護(hù)電路1引言 對(duì)音頻功率放大電路進(jìn)行研究，其意義是目前在該領(lǐng)域有很好

2、的發(fā)展前景，在我們的實(shí)際生活中的應(yīng)用也是十分廣泛的。小至我們經(jīng)常使用的音樂MP4，大到城市報(bào)警系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的研究分別為硬件及軟件兩部分。揚(yáng)聲器輸入電路、功率放大電路、前級(jí)放大電路、以及單片機(jī)電路構(gòu)成本設(shè)計(jì)的硬件電路；液晶顯示、鍵盤掃描、單片機(jī)控制等構(gòu)成本設(shè)計(jì)的軟件部分。 音頻功率放大電路設(shè)計(jì)過程中困難的是選擇各部分硬件電路，由于功率放大器的技術(shù)要求比較詳細(xì)，電路各部分的數(shù)據(jù)選擇及硬件的選擇會(huì)更加復(fù)雜，為達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，需要多次對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試。熟練使用C語言，加強(qiáng)分層設(shè)計(jì)編程能力和程序編寫程序的可讀性，不斷修改程序，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。2 總體方案2.1設(shè)計(jì)思路概述2.1.1設(shè)計(jì)要求及目的 (1

3、)學(xué)習(xí)電路的設(shè)計(jì)及C語言編程。 (2)了解功率放大電路的工作原理，繪制相應(yīng)的功率放大電路。 (3)完成硬件電路的制作，完成軟件程序的編輯。 (4)完成論文。 2.1.2技術(shù)指標(biāo)(1) 由麥克風(fēng)輸入音頻信號(hào)，音頻功率的范圍是10Hz-10KHz。 (2)失真度為0.4%-1%。(3)輸入電壓范圍為150mV-5V。(4)輸出負(fù)載能力為7/3。2.2總體設(shè)計(jì)方案 方案一：音頻功率放大器使用模電設(shè)計(jì)，硬件原理圖見圖1。主要設(shè)計(jì)電源和功放兩部分，穩(wěn)壓電源由穩(wěn)壓電路、整流電路、濾波電路等部分組成；功放電路由TDA2030、耦合電容等部分組成。電源電壓可以根據(jù)電路需要來改變電壓值，而不同的電壓值對(duì)應(yīng)的放大

4、器的承載能力是不同的。由揚(yáng)聲器提供信號(hào)源，通過功放管進(jìn)行功率放大，從而達(dá)到目的，最后結(jié)果由示波器顯示出來。 優(yōu)點(diǎn)：電路中設(shè)計(jì)了電源部分，所以在連接電源的的時(shí)候方便快捷。 缺點(diǎn)：由于元器件較多，在選擇時(shí)就比較困難，在焊接時(shí)難度較大。圖1 硬件原理圖 方案二：使用鍵盤輸入放大倍數(shù)并且由液晶顯示器顯示出來，由單片機(jī)對(duì)音頻輸入信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大，再進(jìn)行功率放大，由揚(yáng)聲器輸出聲音。硬件原理圖如圖2所示。 圖2 硬件原理圖 優(yōu)點(diǎn)：由于是單片機(jī)控制，使得硬件電路變得簡(jiǎn)單了，也可以更快的達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也方便了后期調(diào)試。通過按鍵輸入放大倍數(shù)，使操作更加簡(jiǎn)單。這樣也使得成果更加人性化1。缺點(diǎn)：由于功放和單片機(jī)不

5、是同一電壓源供電，所以電源部分連接較為復(fù)雜。3硬件電路的設(shè)計(jì)3.1總體硬件電路設(shè)計(jì)液晶顯示電路、單片機(jī)外圍電路、前級(jí)放大電路、麥克風(fēng)輸入電路和功率放大電路等部分組成音頻功率放大電路2。硬件部分，音頻信號(hào)輸入電路進(jìn)行前級(jí)放大，由單片機(jī)控制放大倍數(shù)，再通過功率放大電路進(jìn)行功率放大，最后通過揚(yáng)聲器輸出音頻信號(hào)。硬件電路總體框圖見圖3。圖 3 硬件電路總體框圖3.2音頻輸入電路電路圖如圖4所示，因?yàn)殡娐分惺褂玫氖邱v極體話筒，而這種話筒的缺點(diǎn)是得到的信號(hào)十分微弱，所以需要先對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大后再通過麥克風(fēng)輸入3。圖 4 音頻輸入電路圖3.3前級(jí)放大電路模塊設(shè)計(jì)3.3.1前級(jí)放大模塊的比較以及選定(1) 繼

6、電器控制前級(jí)放大 電路圖如圖5所示，用繼電器控制K1和K2的工作狀態(tài)，對(duì)不同阻值大小的電阻進(jìn)行選擇進(jìn)而控制不同的放大倍數(shù)。圖 5 繼電器控制前級(jí)放大電路圖（2） 模擬開關(guān)控制前級(jí)放大電路 電路圖如圖6所示，HEF4066BP是四雙向模擬開關(guān)，高電平導(dǎo)通，a,b,c,d為四個(gè)控制端，通過a,b,c,d來控制前級(jí)放大倍數(shù)。 圖 6 模擬開關(guān)控制前級(jí)放大圖3.4單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)STC89C52等單片機(jī)內(nèi)部都有可控制的反相放大器，如圖7所示。其輸入端和輸出端分別為XTAL1、XTAL2，振蕩器就是在XTAL1、XTAL2端口上外接晶振管組成的。電容C1、C2的常用規(guī)格是40pF10pF(陶瓷諧振器)

7、或30pF10pF(晶振)。晶振（或陶瓷諧振器）的頻率大小決定了振蕩器的頻率大小，而振蕩器頻率必須小于器件能承載的最高頻率。PCON.1控制振蕩器，復(fù)位以后PD=0，振蕩器工作，由軟件置PD=1，使振蕩器停止振蕩，單片機(jī)停止工作，以達(dá)到省電的目的。同時(shí)CMOS型單片機(jī)也可從外部輸入時(shí)鐘4。圖 7 單片機(jī)時(shí)鐘電路圖3.5功率放大模塊設(shè)計(jì)3.5.1數(shù)字語音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)部分 （1）數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換。（2）在數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，需要將模擬信號(hào)通過功率放大器進(jìn)行放大，如A類、B類及AB類放大器。在1980年代初期，很多學(xué)者紛紛專注于新型數(shù)字放大器的研發(fā)，此類放大器最大的特點(diǎn)就是可以直接將數(shù)字信號(hào)

8、放大，而不需要轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。這類放大器被稱為數(shù)字功率放大器或D類放大器。 A類放大器A類放大器如圖8所示，其特點(diǎn)主要是Q工作點(diǎn)大致設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，晶體管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。夠單管工作，也能夠推挽工作。因?yàn)榉糯笃髟谔囟ㄇ€的范圍內(nèi)工作，所以交替失真和瞬態(tài)失真都相對(duì)較小。電路較簡(jiǎn)單，調(diào)試也方便。但不足是效率不高，晶體管的功耗比較大，理論上功率的最大值只有25，并且有很大的非線性失真，所以目前設(shè)計(jì)上已基本不再使用此類放大器。 B類放大器 B類放大器如圖9所示，其特點(diǎn)主要是放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)在(VCC，0)處，所以當(dāng)無信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎無消耗。在Vi的正半周期，Q1導(dǎo)通Q2截止，

9、輸出端正半周為正弦波；在Vi的負(fù)半周期，Q2導(dǎo)通Q1截止，輸出端負(fù)半周為正弦波，所以需要兩管進(jìn)行推挽工作。由于放大器一段時(shí)間會(huì)在非線性區(qū)內(nèi)工作，即當(dāng)信號(hào)處于在-0.6V-0.6V的范圍時(shí)，Q1、 Q2全都無法導(dǎo)通，導(dǎo)致交越失真較大，所以B類放大器也慢慢被淘汰5。 圖8 A類放大器 圖 9 B類放大器 AB類放大器AB類放大器如圖10所示，其特點(diǎn)主要是由于晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半個(gè)周期，所以必須兩管進(jìn)行推挽工作，這樣可以很好的避免交越失真，所以相對(duì)的效率較高，晶體管功耗也較小。 D類放大器 D類放大器如圖11所示，它是一種將PCM數(shù)字信號(hào)或模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成PDM或PWM脈沖信號(hào)的放大器。然后用

10、PWM或PDM脈沖信號(hào)去控制器件通斷的音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。D類放大器由輸入信號(hào)、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式)、處理電路、開關(guān)信號(hào)組成電路和低通濾波器(LC)等部分組成。D類放大器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）效率高，通?？蛇_(dá)85%。 （2）體積小，便攜，節(jié)省空間。 （3）無裂噪聲接通。（4）外接元器件少，便于調(diào)試。 圖10 AB類放大器 圖 11 D類放大器A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器的效率高、失真小，但B類放大器容易產(chǎn)生交替失真。而D類放大器的優(yōu)點(diǎn)是高效率、低失真、外圍元器件少。AB類放大器和D類放大器是目前使

11、用最為廣泛的功率放大器。再結(jié)合于本研究，本設(shè)計(jì)選擇TDA2030為AB類功率放大器。3.5.2功率放大器原理 高頻功率放大器是為了滿足發(fā)送功率的需求，并保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到合適的信號(hào)，并且不干擾相鄰信道的通信，其往往是用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，并且經(jīng)過天線將其輻射到指定空間。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件，也是能量轉(zhuǎn)換的重要器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。高頻功率放大器可以按照電流的流通角的不同，可分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類的流通角為360度，適用于小信號(hào)低

12、功率的放大。乙類的流通角大約為180度；丙類的流通角則小于180度，這兩類適用于大功率的工作。而丙類的工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的，且高頻功率放大器也多數(shù)工作于丙類狀態(tài)。但是丙類放大器的電流波形失真過大，所以不能將其用于低頻功率的放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率的放大。這是因?yàn)檎{(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，使得其失真很小。 高頻功率放大器的工作頻率較高（由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但是相對(duì)頻帶卻很窄。我們知道中心頻率越高，則相對(duì)頻寬越小。高頻功率放大器一般都是采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，也正是由于這種原因，對(duì)于相對(duì)頻度的大

13、小，直接影響到兩種放大器所處的工作狀態(tài)低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；而高頻功率放大器一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。近年來一種新型的寬帶高頻功率放大器廣泛的出現(xiàn)于各中間級(jí)，跟其他的放大器不同，這種新型的放大器以很寬頻率響應(yīng)的傳輸線作負(fù)載回路，如此，它就可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，而不必重新調(diào)諧。綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同特性就是要求輸出功率大，效率高；但是由于它們工作的頻率與相對(duì)頻寬不同，因而負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也相對(duì)不同6。所以，從效率方面來看，高頻功率放大器比低頻功率放大器功率更高。對(duì)于高頻功率放大器工作原理和

14、工作狀態(tài)的分析，工程上通常采用的是折線法，這也是因?yàn)樗枪ぷ饔诖笮盘?hào)的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路去分析。但是折線法的分析方法雖然物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計(jì)算誤差往往較大。綜上我們可知高頻功率放大器中，窄帶高頻功率放大器通常工作于乙類、丙類狀態(tài)，提供足夠強(qiáng)的以載頻為中心的窄帶信號(hào)功率，或放大窄帶已調(diào)信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能。寬帶高頻功率放大器通常工作于甲類狀態(tài)7。對(duì)某些載波信號(hào)頻率變化范圍大的短波、超短波電臺(tái)的中間各級(jí)放大級(jí)，以防對(duì)不同fc的繁瑣調(diào)諧。 4數(shù)據(jù)分析與電路完善本實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)主要是通過萬用表測(cè)量所得，通過一系列的數(shù)據(jù)，分析得到相應(yīng)的規(guī)律。最后得到影響功率放大電路的因素主要

15、有四點(diǎn)輸出功率大小、負(fù)載的大小、輸出功率的大小以及失真度大小。在記錄數(shù)據(jù)時(shí)需要逐個(gè)記錄數(shù)據(jù)（見表1）。根據(jù)公式可以得到輸出功率，其中U為輸出電壓值，RL為負(fù)載。表1數(shù)據(jù)記錄表 參數(shù)名稱測(cè)試條件輸出功率單位輸入電壓RL=8 U=6.0v4.5WU=4.5v2.53WU=3.0v1.125WRL=4 U=4.5v5.06WU=3.0v2.25WU=2.0v1W失真分為諧波失真、互調(diào)失真、相位失真等。一般意義上的失真指的是總諧波失真。在一般的多媒體音箱的電路上，THD的指標(biāo)是指在fo10KHz正弦波輸入，功率在1/2額定輸出功率時(shí)的總諧波失真，這個(gè)指標(biāo)我們可以很輕易地做到0.5%以下8。但是，由于電

16、源功率對(duì)其產(chǎn)生抑制，使功放輸出出現(xiàn)了削波現(xiàn)象，也就是我們所說的削波失真，這個(gè)時(shí)候它是THD中的最主要成分，也就是音量越調(diào)大，功放的功率接近額定功率時(shí)，THD會(huì)開始快速增加。另外一種，聲音失去了原有的音色，嚴(yán)重時(shí)聲音會(huì)發(fā)破、刺耳則是諧波失真9。這是由于放大器的非線性引起的，失真的結(jié)果是使放大器輸出產(chǎn)生了原信號(hào)中沒有的諧波分量，使多媒體音箱的諧波失真在標(biāo)稱額定功率時(shí)的失真度高于一般要求，達(dá)到了10%，要求較高的一般應(yīng)該在1%以下。公式可以測(cè)得失真度，式中，U1為輸出信號(hào)基波有效值，U2、U3等為各次諧波有效值。根據(jù)公式分別得出負(fù)載分別為4 ，8 時(shí)的失真度分別為2.1%，2.5%。 以上是使用音頻

17、信號(hào)發(fā)生器作為輸入時(shí)得出的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)的結(jié)果可以看出該電路的失真度遠(yuǎn)大于1%。正是由于這個(gè)原因，在用麥克風(fēng)做輸入的情況下，喇叭做輸出的時(shí)候得到的聲音是有雜音的，得到放大的聲音信號(hào)不是很清晰。放大倍數(shù)越高，聲音信號(hào)也就越不清晰。因?yàn)樵谳斎攵瞬捎玫氖悄M電路對(duì)麥克風(fēng)的聲音信號(hào)進(jìn)行放大信號(hào)處理的時(shí)候沒有掌握好元器件的選擇導(dǎo)致在輸入環(huán)節(jié)就已經(jīng)造成較大的失真，所以在后續(xù)的放大中失真越來越大，導(dǎo)致了板子沒有控制好失真，最終使得失真度大于設(shè)計(jì)要求10。5 總結(jié) 本文的內(nèi)容是音頻功率放大電路的設(shè)計(jì)，此次課題研究主要包含了硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分由前級(jí)放大電路、功率放大電路、按鍵電路、揚(yáng)聲器輸入電路以及單片

18、機(jī)電路組成，軟件部分由鍵盤掃描、液晶顯示、單片機(jī)控制等部分構(gòu)成。在這一次的研究過程中也遇到了一些問題，如音頻信號(hào)發(fā)生器與麥克風(fēng)輸入信號(hào)就會(huì)有所不同，而且硬件上面也會(huì)有所不同，還有由于電壓加的過高導(dǎo)致功放被燒毀等等。同時(shí)，軟硬件也有需要完善的地方，主要包含以下一些方面：（1）硬件方面完善在硬件方面的設(shè)計(jì)缺陷主要體現(xiàn)在由于采用的傳統(tǒng)模擬電路的放大方式對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理，導(dǎo)致出入板子之前的信號(hào)就已經(jīng)造成了很大的失真再進(jìn)過后續(xù)的前級(jí)放大已經(jīng)功率放大之后失真會(huì)更加的嚴(yán)重，所以我打算對(duì)板子的輸入端進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)檩斎胫笜?biāo)中要求輸入電壓為100mV-4V，所以采用運(yùn)放LF353來代替模擬電路的放大功能以降低輸

19、入端的失真度從而改善失真度達(dá)到設(shè)計(jì)之初對(duì)失真度的設(shè)計(jì)要求。(2)軟件方面完善 軟件方面設(shè)計(jì)方面對(duì)按鍵設(shè)置不夠理想，只能夠死板的選擇0、10、20、30、40db的放大倍數(shù)，對(duì)放大倍數(shù)的選擇不夠靈活且沒有設(shè)置復(fù)位按鍵，軟件的過于簡(jiǎn)化給硬件的功能上帶來了缺陷，可以通過設(shè)置復(fù)位按鍵以及對(duì)按鍵進(jìn)行重新設(shè)定來改善不足?？梢栽O(shè)置兩個(gè)按鍵為增減放大倍數(shù)，一個(gè)按鍵復(fù)位，另一個(gè)按鍵設(shè)置為確認(rèn)鍵，這樣進(jìn)行改善可以省去一個(gè)按鍵還可以使操作上更加靈活。參考文獻(xiàn)1嚴(yán)毅等，音箱集成電路應(yīng)用，電路設(shè)計(jì)，1999（10），5-6。2余錫存，曹國(guó)華等，單片機(jī)原理及接口技術(shù)，陜西西安電子科技大學(xué)出版社，2000。3蔡杏山等，零起

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