音樂彩燈及音響放大電路

實(shí)驗(yàn)任務(wù)1．任務(wù)設(shè)計(jì)一種組合式彩燈控制電路，該電路由二路不同控制方法的彩燈組成，彩燈可采用不同顏色的發(fā)光二極管組成不同的圖案來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)功率放大電路，要求能從話筒輸入音樂，揚(yáng)聲器能播放音樂。

一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求2．要求兩路控制電路具體要求為：（1）第一路按話筒輸出信號(hào)的音量的強(qiáng)弱（信號(hào)幅度的大小，要有三級(jí)）控制彩燈。音強(qiáng)時(shí)，亮的燈多且彩燈的亮度加大，反之，亮度減弱。（2）第二路按話筒輸出信號(hào)的音調(diào)的高低（信號(hào)頻率高低）控制彩燈。①高頻段2000～6000Hz，控制綠燈。

②低頻段<2000Hz，控制紅燈（3）能從話筒輸入語音信號(hào)并從揚(yáng)聲器不失真地輸出。二、設(shè)計(jì)原理與參考電路1.總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)要求，可分為兩部分電路來實(shí)現(xiàn)：音樂彩燈控制電路部分：（1）實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)強(qiáng)弱的控制，則應(yīng)將聲音信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過放大、整流濾波，以信號(hào)平均值驅(qū)動(dòng)彩燈發(fā)亮。信號(hào)越強(qiáng)，則燈的亮度越大。（2）為實(shí)現(xiàn)高、中、低音（不同頻率信號(hào)）對彩燈的控制，采用高、帶、低通有源濾波電路。低通濾波器限制高音頻信號(hào)通過，而高通濾波器限制低音頻信號(hào)通過，分頻段輸出信號(hào)，然后經(jīng)過放大器驅(qū)動(dòng)電路使相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。音頻功率放大部分：功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。2005-9-1控制器原理框圖如圖所示。彩燈控制器原理框圖2.語音輸入與發(fā)光二極管顯示語音輸入是指能將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻電信號(hào)的拾音設(shè)備，即傳聲器，也就是我們常說的話筒（也稱麥克風(fēng)Microphone）。話筒的種類很多，按工作原理可以分為電動(dòng)式話筒和電容式話筒。電容式話筒是目前常用的拾音設(shè)備。電容式話筒由電容器、部分給電容器提供極化電荷的直流極化電源及負(fù)載電阻組成，聲波振動(dòng)使電容器一端移動(dòng)，造成電容兩極間距離變化導(dǎo)致電容變化，從而負(fù)載電阻兩端將有相應(yīng)變化的電壓輸出，即形成聲音的電信號(hào)。電容式話筒靈敏度高、頻率特性好、失真小、音質(zhì)好，且體小質(zhì)輕。一般駐極體電容話筒（簡稱ECM）的主要技術(shù)參數(shù)有：靈敏度典型值為-66～-56dB或5～15mV/Pa；頻率響應(yīng)典型值為50Hz～12kHz；輸出阻抗典型值不大于2kΩ；工作電壓DC為1.5～12V。其中高阻抗話筒輸出信號(hào)較強(qiáng)、對放大器的要求較低，但傳輸線長了易受外界干擾引起交流聲和使高頻嚴(yán)重衰減，故通常傳輸線長度不超過5m；低阻抗話筒輸出通常借用卡儂插頭進(jìn)行平衡連接，抗干擾能力強(qiáng)，連線可延長至10m至30m。話筒的輸出信號(hào)一般只有5mV左右，話筒的輸出阻抗有高阻（約20kΩ）、亦有低輸出阻抗的話筒，如20Ω，600Ω等。話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號(hào)，其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。本實(shí)驗(yàn)中采用輸出阻抗為600Ω的電容話筒。（2）發(fā)光二極管發(fā)光二極管和普通二極管一樣都具有單向?qū)щ娦裕驅(qū)〞r(shí)才能發(fā)光，光的亮度隨導(dǎo)通電流增大而增強(qiáng)。各種顏色發(fā)光二極管所需正向?qū)妷篤F如表7.30.1所示。發(fā)光二極管正向?qū)妷罕眍伾t黃綠

VF（10mA）/V1.6～1.82.0～2.22.2～2.4

需注意發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流不能太大（小于20mA），否則會(huì)損壞。使用時(shí)應(yīng)在LED電路中串接限流電阻R，其阻值由下式計(jì)算：

式中，VO為本系統(tǒng)中整流、濾波電路輸出電壓，IF為發(fā)光二極管導(dǎo)通電流，一般為2mA～10mA。3.放大器電路設(shè)計(jì)由于話筒的輸出信號(hào)一般只有5mV左右，為了使放大器能夠不失真地放大話筒輸出信號(hào)，其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗(一般在10倍左右)。而由于在典型情況下，共模噪聲可能高達(dá)幾伏，故放大器輸入漂移和噪聲等因素對于總的精度至關(guān)重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的問題。因此放大電路應(yīng)該是一個(gè)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信號(hào)放大電路。同相放大電路具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于前置放大電路。同相放大電路如圖所示電路，是將A1、A2兩級(jí)同相放大電路串聯(lián)，其總的電壓增益為兩級(jí)電壓增益的乘積。由于話筒輸出信號(hào)較小，本級(jí)電路的電壓增益需達(dá)到100倍左右。Rp與R2是平衡電阻，用于消除運(yùn)放輸入偏置電流的影響，要求Rp＝R1//Rf，R2＝R3//R4。輸出電壓輸入電阻式中，ric為運(yùn)放本身同相端對地的共模輸入電阻，一般為1MΩ。4.整流、濾波電路設(shè)計(jì)整流、濾波電路的作用就是將前級(jí)放大器電路輸出的交流信號(hào)經(jīng)整流濾波后，把交流電壓變成平均值電壓（直流），其直流電平隨音樂信號(hào)大小而上下浮動(dòng)，進(jìn)而控制燈的亮度。圖7.30.4所示電路是反相輸入的半波整流平均值電路。A1可組成半波整流電路，A2構(gòu)成反相比例放大電路，C為濾波電容，以減小輸出波形的脈動(dòng)。當(dāng)VI>0（即正半周）時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，此時(shí)當(dāng)選擇R1=Rf1時(shí)，

當(dāng)VI<0（即負(fù)半周）時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)C和R4組成濾波電路，以減小整流后的紋波電壓?？蛇xC為10μF,最后在調(diào)試中確定半波整流電路精密全波整流電路見P104圖4.11.15.高通、低通濾波器電路人耳聽覺范圍的信號(hào)頻率在20Hz～20kHz之間。為簡便起見，可將音頻信號(hào)分為兩個(gè)不同的頻段，分別用低、高通濾波器來區(qū)分這兩段頻率信號(hào)，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使彩燈工作。低、高通濾波器電路可參考P106實(shí)驗(yàn)12，采用二階有源濾波電路，根據(jù)截止頻率，選取適當(dāng)參數(shù)即可。例如：設(shè)低通濾波器的上限截止頻率fH為500Hz，采用圖5.4.2(a)所示電路形式的巴特沃斯低通濾波器電路。首先選擇電容C＝0.01μF，由于，則取標(biāo)稱值30kΩ串1.8kΩ?？紤]到二階巴特沃斯濾波器的Q＝0.707和，則Rf＝0.586R1

再由Rf//R1＝63.7kΩ，可求得R1＝172.4kΩ和Rf＝101.02kΩ。R1取標(biāo)稱值160kΩ串13kΩ，Rf取標(biāo)稱值100kΩ串1kΩ。6.功率放大器

功率放大器(簡稱功放)的作用是給音響放大器的負(fù)載RL(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。

LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電。工作電壓范圍寬，4-12Vor5-18V。外圍元件少。電壓增益可調(diào)，20-200。Avf=2R7/(R5+R6//R)低失真度。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。

額定功率

音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值(如<5%)時(shí)的最大功率稱為額定功率。其表達(dá)式為

式中，RL為額定負(fù)載阻抗；Vo(有效值)為RL兩端的最大不失真電壓。Vo常用來選定電源電壓VCC音響放大器主要技術(shù)指標(biāo)及測試方法

額定功率測量Po的條件如下：信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)(音響放大器的輸入信號(hào))的頻率fi=1kHz，電壓Vi=5mV，用雙蹤示波器觀測vi及vo的波形，應(yīng)無明顯的波形失真。

注意在最大輸出電壓測量完成后應(yīng)迅速減小Vi，否則會(huì)因測量時(shí)間太久而損壞功率放大器。

額定功率測量Po的步驟是：功率放大器的輸出端接額定負(fù)載電阻RL(代替揚(yáng)聲器)，逐漸增大輸入電壓Vi，直到vo的波形剛好不出現(xiàn)削波失真(或<3%)，此時(shí)對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓，由式(4.13.2)即可算出額定功率Po。

整機(jī)效率

式中，Po為輸出的額定功率；Pv為輸出額定功率時(shí)所消耗的電源功率。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.分配各級(jí)電路的電壓增益根據(jù)本系統(tǒng)任務(wù)要求，整級(jí)電路分為兩大部分，一部分由兩級(jí)電路組成，一部分由三級(jí)電路組成。電路總的電壓增益為各級(jí)電路電壓增益之積，據(jù)此來分配各級(jí)電壓增益，同時(shí)還需考慮各級(jí)基本放大電路所能達(dá)到的增益。（1）為了提高信噪比S/N，放大器電路的增益可以適當(dāng)取大。（2）整流、濾波電路的電壓增益分配還應(yīng)同時(shí)考慮到為避免輸出波形產(chǎn)生飽和失真，輸出信號(hào)的幅值應(yīng)小于電源電壓。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.分配各級(jí)電路的電壓增益指標(biāo)分配通常從最后級(jí)開始向前級(jí)逐級(jí)計(jì)算如設(shè)計(jì)好功放增益為20倍，則語音放大電路增益為30倍即可。同理，音樂彩燈電路，最后驅(qū)動(dòng)紅燈時(shí)電壓為1.8V，此電壓應(yīng)為截至頻率所對應(yīng)的電壓，則低頻時(shí)電壓應(yīng)為1.8/0.707=2.546V，總增益計(jì)算分配同上2.根據(jù)已分配確定的電壓增益和設(shè)計(jì)已知條件，分別確定各級(jí)電路的電路方案，選取各元件參數(shù)。3．在實(shí)驗(yàn)電路板上組裝電路。安裝前要對整機(jī)電路進(jìn)行合理布局，安裝時(shí)要特別注意運(yùn)放，二極管等主要器件的引腳和極性，不能接錯(cuò)。從放大器電路開始逐級(jí)安裝，安裝一級(jí)調(diào)試一級(jí)，安裝兩級(jí)要進(jìn)行級(jí)聯(lián)調(diào)試，直到整機(jī)安裝與調(diào)試完成。四、電路安裝與調(diào)試技術(shù)

1.合理布局，分級(jí)裝調(diào)

音響放大器是一個(gè)小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機(jī)線路進(jìn)行合理布局，一般按照電路的順序一級(jí)一級(jí)地布線，功放級(jí)應(yīng)遠(yuǎn)離輸入級(jí)，每一級(jí)的地線盡量接在一起，連線盡可能短，否則很容易產(chǎn)生自激。安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時(shí)特別要注意功放塊、運(yùn)算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性，不能接錯(cuò)。從輸入級(jí)開始向后級(jí)安裝，也可以從功放級(jí)開始向前逐級(jí)安裝。安裝一級(jí)調(diào)試一級(jí)，安裝兩級(jí)要進(jìn)行級(jí)聯(lián)調(diào)試，直到整機(jī)安裝與調(diào)試完成。2.電路調(diào)試技術(shù)

電路的調(diào)試過程一般是先分級(jí)調(diào)試，再級(jí)聯(lián)調(diào)試，最后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試與性能指標(biāo)測試。分級(jí)調(diào)試又分為靜態(tài)調(diào)試與動(dòng)態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試時(shí)，將輸入端對地短路，用萬用表測該級(jí)輸出端對地的直流電壓。由運(yùn)算放大器組成的電路，其靜態(tài)輸出直流電壓均為VCC/2，功放級(jí)的輸出(OTL電路)也為VCC/2，且輸出電容CC兩端充電電壓也應(yīng)為VCC/2。若是雙電源供電，直流電壓均為0。動(dòng)態(tài)調(diào)試是指輸入端接入規(guī)定的信號(hào)，用示波器觀測該級(jí)輸出波形，并測量各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足題目要求，如果相差很大，應(yīng)檢查電路是否接錯(cuò)，元器件數(shù)值是否合乎要求，否則是不會(huì)出現(xiàn)很大偏差的。

單級(jí)電路調(diào)試時(shí)的技術(shù)指標(biāo)較容易達(dá)到，但進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，由于級(jí)間相互影響，可能使單級(jí)的技術(shù)指標(biāo)發(fā)生很大變化，甚至兩級(jí)不能進(jìn)行級(jí)聯(lián)。產(chǎn)生的主要原因：

一是布線不太合理，形成級(jí)間交叉耦合，應(yīng)考慮重新布線；

二是級(jí)聯(lián)后各級(jí)電流都要流經(jīng)電源內(nèi)阻，內(nèi)阻壓降對某一級(jí)可能形成正反饋，應(yīng)接RC去耦濾波電路。R一般取幾十歐姆，C一般用幾百微法大電容與0.1F小電容相并聯(lián)。

由于功放級(jí)輸出信號(hào)較大，對前級(jí)容易產(chǎn)生影響，引起自激。集成塊內(nèi)部電路多極點(diǎn)引起的正反饋易產(chǎn)生高頻自激，常見高頻自激現(xiàn)象如下圖所示。

可以加強(qiáng)外部電路的負(fù)反饋予以抵消，如功放級(jí)①腳與⑤之間接入幾百皮法的電容，形成電壓