數(shù)字控制音頻放大電路--課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)： 電子技術(shù)應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 數(shù)控音頻放大電路 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 10電氣2班 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 舒華 、王崢 設(shè)計(jì)所在學(xué)期： 大三第一學(xué)期 設(shè)計(jì)成績(jī)： 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(jì)報(bào)告聲音無(wú)處不在，人類(lèi)對(duì)于聲音的利用可以是無(wú)孔不入。特別是信息傳遞方面，最常見(jiàn)的如人與人之間的對(duì)話(huà)。但是有時(shí)候我們想把聲音信息先保存下來(lái)等到有需要的時(shí)候再播放出來(lái)，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)今社會(huì)聲音播放機(jī)制是隨處可見(jiàn)，這足以證明現(xiàn)

2、實(shí)社會(huì)對(duì)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?cè)谥铝で笫д孀钚〉臋C(jī)制同時(shí)，也想該機(jī)制盡量簡(jiǎn)單小規(guī)模，因?yàn)檫@樣才能廣泛利用于各個(gè)領(lǐng)域。如電腦音箱、筆記本音響、廣播、手機(jī)等。各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诼曇舨シ诺囊笥指饔胁煌员緢?bào)告著重討論研究失真較小的家用級(jí)播放機(jī)制。最后，機(jī)制電路的設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)不容易解決得問(wèn)題。對(duì)于設(shè)計(jì)者技術(shù)方面要求猶為重要。設(shè)計(jì)者要盡可能地減少外界對(duì)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(jì)者如果在任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致播放機(jī)制不穩(wěn)定乃至失真、震蕩。因此選擇這個(gè)電路作為討論研究對(duì)象具有代表性意義，能使初級(jí)設(shè)計(jì)者更好地理解播放機(jī)制的

3、工作原理，同時(shí)也是是初級(jí)設(shè)計(jì)者技術(shù)的試金石，是一個(gè)很好的鍛煉臺(tái)階！一、系統(tǒng)功能簡(jiǎn)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(duì)信號(hào)源進(jìn)行初級(jí)放大且失真非常小，。能驅(qū)動(dòng)耳機(jī)等小功率喇叭。后級(jí)功放在不引入其他干擾的情況下，對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，并且加強(qiáng)大負(fù)載能力，能驅(qū)動(dòng)10W以上喇叭。音量級(jí)調(diào)節(jié)對(duì)播放機(jī)制進(jìn)行音量8級(jí)調(diào)節(jié)（由小到大0-7級(jí)）。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(jí)別防抖開(kāi)關(guān)防止調(diào)節(jié)音量時(shí)，按鍵震蕩引起音量調(diào)節(jié)越級(jí)。電源指示燈顯示電源接通情況，關(guān)閉電源時(shí)能消耗電容上的電能。直流電源對(duì)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)

4、5V。音量檢測(cè)對(duì)音量進(jìn)行檢測(cè)，用10個(gè)LED組顯示。二、簡(jiǎn)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(dòng)化，智能化方向發(fā)展，人們想電子產(chǎn)品在滿(mǎn)足其基本需要時(shí)，能具備智能化、人性化的體現(xiàn)。因此，在這樣的市場(chǎng)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(gè)大趨勢(shì)的推動(dòng)下，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面也加入了一些比較人性化的設(shè)計(jì)，如可視化音量級(jí)別，與數(shù)控音量調(diào)節(jié)。也許正是一個(gè)經(jīng)?？梢钥吹降暮?jiǎn)單功能，但這卻是一個(gè)具有創(chuàng)新性意義的代表功能。以前播放機(jī)制，是用一個(gè)簡(jiǎn)單的電位器來(lái)調(diào)節(jié)的，基于以前技術(shù)的相對(duì)落后，與材料的缺乏。電位器不是為一個(gè)很好地解決方案，但是電位器調(diào)節(jié)使得使用者對(duì)于使用系統(tǒng)，不能有一

5、個(gè)比較形象的音量理解，看見(jiàn)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(gè)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(gè)音量級(jí)別，當(dāng)然這個(gè)是在音量級(jí)別的級(jí)差做得盡量小的時(shí)候最能體現(xiàn)出來(lái)。雖然本系統(tǒng)設(shè)計(jì)未能達(dá)到級(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換成模電信號(hào)的又一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)智能化控制執(zhí)行機(jī)制的前級(jí)。因此，這些設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性意義。但是，在具有創(chuàng)新性同時(shí)，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(jì)使用對(duì)象是要求相對(duì)較低的家用音響。且零件花費(fèi)相對(duì)較低，因此本設(shè)計(jì)能進(jìn)入音頻播放的大多數(shù)

6、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(jì)課題具有開(kāi)放性，發(fā)散性等特點(diǎn)。所以設(shè)計(jì)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(jì)方案?；谶@個(gè)課題這個(gè)特點(diǎn)，讓設(shè)計(jì)者有很大的發(fā)揮空間，設(shè)計(jì)者可以隨心所欲地設(shè)計(jì)屬于自己的電路，不需要受框條的制約。電子設(shè)計(jì)需要的是創(chuàng)新的能力，這就要求設(shè)計(jì)者要站在一個(gè)發(fā)展的高度去看待問(wèn)題，立足于實(shí)用，發(fā)展于創(chuàng)新，只有這樣才能設(shè)計(jì)出一個(gè)成功的作品。而這個(gè)課題的特點(diǎn)正好迎合設(shè)計(jì)者的需求。經(jīng)過(guò)這個(gè)課題，我相信設(shè)計(jì)者能更好地理解電子電路特點(diǎn)，為以后發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、方案選擇的論證前級(jí)運(yùn)放LM324后級(jí)功放LM386單電源供電前級(jí)運(yùn)放LM324后級(jí)功放TDA2

7、822單電源供電方案一： 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(jiǎn)單，容易調(diào)試（不采納） （采納） 四、系統(tǒng)構(gòu)圖喇叭后級(jí)功放前級(jí)運(yùn)放音頻輸入發(fā)光二極管組音量檢測(cè)模擬開(kāi)關(guān)數(shù)碼管數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)防抖動(dòng)按鍵計(jì)數(shù)器輸出穩(wěn)壓濾波整流降壓220V交流輸入五、總電路圖實(shí)物布線(xiàn)圖六、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(guò)220V-12V變壓器變壓，再經(jīng)過(guò)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(lái)穩(wěn)定輸出電壓。(2）該電路為前

8、級(jí)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(hào)輸入到5端時(shí)接經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波的電容，過(guò)濾掉傳輸途中的雜波，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。總電路組成一個(gè)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：AV1+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(huì)產(chǎn)生自激震蕩。對(duì)輸入造成干擾，或者導(dǎo)致不能放大。（3）該電路為功放電路，電路中采用LM386功放芯片,它是專(zhuān)為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路，可用電池作為供應(yīng)電源，輸入電壓

9、范圍由4V12V，無(wú)動(dòng)作時(shí)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(duì)感性負(fù)載(喇叭)進(jìn)行相位補(bǔ)償來(lái)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湓鲆娴阶畲?00db。(4)該電路圖未數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)，當(dāng)有數(shù)字信號(hào)輸入到Q0、Q1、Q2端時(shí)，對(duì)應(yīng)的X？通道就會(huì)與COM O/I導(dǎo)通。因此在X?端各并入電阻，在某一端接通時(shí)，相當(dāng)于從13端開(kāi)始，各級(jí)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(jí)調(diào)控反饋電阻電路。即能直接調(diào)節(jié)運(yùn)放的放

10、大倍速。電路中使用10k的電阻，即反饋電阻范圍為070k。（5）該電路為按鍵信號(hào)電路與抖動(dòng)電路。按鍵按下去時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械震蕩，導(dǎo)致信號(hào)出入不穩(wěn)定。接入RC充放電電路，是為了穩(wěn)定輸入信號(hào)間隔在R*C=5ms左右。這樣就能比較有效地放抖動(dòng)。選用556組成兩個(gè)按鍵的施密特電路，是為了進(jìn)一步防止電路抖動(dòng)。輸出一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。（6）該電路為計(jì)數(shù)電路，實(shí)行分級(jí)調(diào)節(jié)的主芯片。74193為16進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器，雙時(shí)鐘，帶清除。74193被接成計(jì)數(shù)狀態(tài)，在加或減的時(shí)鐘信號(hào)作用下作計(jì)數(shù)操作，輸出三個(gè)數(shù)字信號(hào)。（7）該電路為數(shù)字調(diào)級(jí)顯示電路。4511為數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，工作在譯碼狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)計(jì)數(shù)器輸出端額三個(gè)

11、數(shù)字信號(hào)來(lái)翻譯相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)輸出七個(gè)電平信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。數(shù)碼信號(hào)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(cè)的模塊。電路采用LM3914作為10個(gè)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，它可以把輸入模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)10位發(fā)光二極管來(lái)進(jìn)行點(diǎn)顯示或柱顯示。信號(hào)電壓則利用LM324的另一個(gè)放大器將音頻信號(hào)放大輸入LM3914進(jìn)行比較。圖中R2、R3用來(lái)調(diào)節(jié)參考電壓的范圍，10個(gè)LED燈的亮度可由R4來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)每個(gè)LED的電流大致等于R中電流的10倍，又因?yàn)長(zhǎng)M3914內(nèi)部有1.2V的標(biāo)準(zhǔn)電壓源，R4選用1K的電阻，剛通過(guò)LED的電流為1

12、2mA。因?yàn)闇y(cè)得信號(hào)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(jì)、參數(shù)計(jì)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1.5W左右。其它芯片功耗總數(shù)只有2W左右。整個(gè)電路功率小，所

13、以可以選擇使用4節(jié)7號(hào)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(guò)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(gè)4700uF的電容對(duì)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(lái)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(jià)錢(qián)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)镻=IU，所以選用穩(wěn)壓輸出電壓大一些，會(huì)有效減少流過(guò)芯片電流，防止IC工作電流過(guò)大而發(fā)熱過(guò)大，導(dǎo)致?lián)p壞。即使選擇穩(wěn)

14、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(dòng)芯片，都是很常見(jiàn)的，即使不同型號(hào)，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(dòng)芯片選擇4511。計(jì)數(shù)器芯片選用74193，因?yàn)檫@個(gè)一個(gè)16進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片，芯片在計(jì)數(shù)狀態(tài)下Q0、Q1、Q2端循環(huán)輸出0-7二進(jìn)制碼。對(duì)于8級(jí)調(diào)節(jié)利用起來(lái)比較方便。加上該芯片有加減雙時(shí)鐘計(jì)數(shù)，這樣有助于雙向調(diào)節(jié)音量，更利于使用者使用。開(kāi)關(guān)芯片采用常用的4051，這個(gè)一個(gè)比較好用的低壓模擬開(kāi)關(guān)芯片，且工作穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)用的是指壓四腳無(wú)鎖開(kāi)關(guān)，所以使用時(shí)會(huì)有機(jī)械震蕩，會(huì)影響時(shí)鐘信號(hào)的輸入，所以選用RC充放電電路來(lái)

15、延長(zhǎng)信號(hào)輸出時(shí)間，時(shí)間大約為R*C=1uF*5K=5mS，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(shí)鐘信號(hào)。八、實(shí)施方案說(shuō)明本系統(tǒng)制作過(guò)程比較長(zhǎng)，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(guò)程中，先固定變壓器，然后接線(xiàn)用接線(xiàn)端子，保證接線(xiàn)可靠。還要在變壓器一次端加上開(kāi)關(guān)。固定好變壓器，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(shí)候，線(xiàn)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(shí)候，要先安裝散熱片。最后電源安裝好了以后就

16、用電表檢測(cè)有沒(méi)有短路、開(kāi)路。在確保線(xiàn)路正常的情況下接上電源，然后用萬(wàn)能表測(cè)輸出電壓是否正常。電源電路比較簡(jiǎn)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(gè)就需要很詳細(xì)的元件布局考慮，因?yàn)椴季植划?dāng)也會(huì)導(dǎo)致干擾或者會(huì)造成焊接上的困難。同樣地，焊接的時(shí)候，電源線(xiàn)要粗大，要盡量避免少飛線(xiàn)。反饋電阻先用10K，輸出端接上喇叭。焊接好了就先檢測(cè)一次電路，確保焊接正確以后，就接上電源，測(cè)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(shí)候，在板上畫(huà)上范圍。按照?qǐng)D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(dòng)電路，因

17、為焊接好這個(gè)電路能夠測(cè)試下面電路有沒(méi)有出錯(cuò)。按圖焊接好電路后，把四個(gè)輸入端分別接入地同5V測(cè)試一下數(shù)碼管有沒(méi)有接錯(cuò)，和驅(qū)動(dòng)電路有沒(méi)有工作在譯碼狀態(tài)。最后檢測(cè)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)不正常，然后換不同大小的電容，沒(méi)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(jiǎn)單的芯片焊接，都以一次焊接就成功了。總得來(lái)說(shuō)，總結(jié)出，在焊接的時(shí)候電源線(xiàn)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(jì)時(shí)，所有外圍元件盡可能靠近LM386；地線(xiàn)盡可能粗一些；輸入音頻信號(hào)通路盡可能平行走線(xiàn)，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(shí)，未插入音頻輸入時(shí)，有較大電流聲。

18、插入后幾乎聽(tīng)不見(jiàn)。工作時(shí)，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(tīng)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(jué)有熱感，再過(guò)30分鐘后，溫度基本上穩(wěn)定。、測(cè)試過(guò)程中，主要使用的是萬(wàn)能表。系統(tǒng)基本上工作正常。十、元器件列表清單CommentDesignatorFootprintQuantityValue電阻1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, R1, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15AXIAL-0.3201K, 5K, 10K, 100陶瓷電容C1, C3, C5, C6, C8, C