音頻功放課設(shè)論文

1、目 錄1 設(shè)計任務(wù)和要求21.1設(shè)計任務(wù)21.2設(shè)計要求22 系統(tǒng)設(shè)計42.1系統(tǒng)要求42.2方案設(shè)計42.3系統(tǒng)工作原理53單元電路設(shè)計63.1音源選擇電路63.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理63.1.2電路仿真63.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定113.2前置放大電路133.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理133.2.2 rc4558-雙集成算放大器143.3均衡電路143.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理143.4功率放大163.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理164電路的安裝與調(diào)試184.2電路調(diào)試184.3系統(tǒng)功能及性能測試194.3.1測試方法設(shè)計195 結(jié) 論21參考文獻(xiàn)22 1 設(shè)計任務(wù)和要求1.1設(shè)計任務(wù)

2、設(shè)計并制作一個音頻功率放大器，將mp3輸出的音樂信號放大。通過上學(xué)期對華成英版模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，要使一個小的模擬信號放大，我們可以通過三極管或運(yùn)算放大器去實現(xiàn)，要注意不使信號失真。1.2設(shè)計要求1.放大器有兩個mp3輸出輸入接口； 實現(xiàn)有兩個音源輸入，mp3的輸出音樂信號為小的模擬信號，幅值約為5mv10mv。2.能夠使用電子開關(guān)進(jìn)行音源選擇，并且能夠用發(fā)光二極管指示； 在有兩個音樂信號輸入時，電子開關(guān)可以在兩個音樂信號之間選擇，并且通過發(fā)光二極管顯示所選音源。3.放大器設(shè)有音量控制、功率放大功能； 在設(shè)計電路中要實現(xiàn)對輸出信號音量控制，并且實現(xiàn)信號的放大，所以在喇叭的輸入端要接入功率放

3、大的裝置。4.主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）額定輸出功率： 2 ×1w（或2 ×5w）（thd0.5%）（2）負(fù)載阻抗： 8（3）輸入阻抗： 6005.電源：220v/50hz的工頻交流電供電；（注：直流電源部分僅完成設(shè)計即可，不需制作，用實驗室提供的穩(wěn)壓電源調(diào)試，但要求設(shè)計的直流電源能夠滿足電路要求）6.按照以上技術(shù)要求設(shè)計電路，繪制電路圖，對設(shè)計的電路用multisim或orcad/pspicead9.2進(jìn)行仿真，用萬用板焊接元器件，制作電路，完成調(diào)試、測試，撰寫設(shè)計報告。7.發(fā)揮部分：（1）設(shè)計均衡電路（音調(diào)電路）；（2）有電平指示功能。8.其他要求 （1）設(shè)計報告 （2）

4、作品（3）電路原理圖：要求提交兩份，一份為cad/eda軟件繪制，另一份為手工繪制，圖紙大小自定，但要符合標(biāo)準(zhǔn)，電路圖繪制要規(guī)范。9.時間：三周 10.進(jìn)度安排：（1）第一周 選題，熟悉題目，分析要求，查找資料，選擇方案，優(yōu)化方案，確定原理方框圖，單元電路設(shè)計，選擇元器件；（2）第二周 進(jìn)行電路仿真，確定電路原理圖，畫出電路原理圖，購買元器件，焊接電路；（3）第三周 電路調(diào)試，電路測試，繪制電路原理圖，完成設(shè)計報告，答辯。 2 系統(tǒng)設(shè)計 2.1系統(tǒng)要求課題要求設(shè)計并制作一個音頻放大電路，將mp3輸出的音樂信號放大，設(shè)計均衡電路實現(xiàn)對音源信號進(jìn)行高低頻調(diào)音，設(shè)計電子開關(guān)實現(xiàn)兩個音源間的選擇。基本

5、性能指標(biāo)要求為：輸出最小功率：1w或5w；輸出阻抗 ：rl=8；輸入阻抗 ：600；2.2方案設(shè)計通過對畢滿清第三版電子技術(shù)課程實驗與課程設(shè)計的“音頻功率放大器實驗”章節(jié)的學(xué)習(xí)及在參閱大量書目的前提下，與同組成員討論，初步設(shè)計方案如下方案一 采用一般的晶體管分立元件組成語音放大電路，這樣雖然能達(dá)到題目的基本要求，但是由于電路所用元件很多，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試很難，失真度很大，穩(wěn)定性不高。方案二 采用專用語音集成芯片構(gòu)成語音放大電路，這樣使得電路結(jié)構(gòu)大為簡化，調(diào)試安裝方便，穩(wěn)定性得到大幅度提高。綜上所述：方案一由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，其次作為初次嘗試設(shè)計電子產(chǎn)品的學(xué)生，不易采用。方案二除了可

6、以滿足題目中的基本要求外，還能夠大幅度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)實用。 經(jīng)過比較論證，本設(shè)計采用第二種方案。2.3系統(tǒng)工作原理設(shè)計并制作一個具有以下功能的音頻功率放大器：將來自mp3的音頻信號經(jīng)過由模擬開關(guān)cd4066bd組成的選擇電路選擇后送入前置放大器進(jìn)行電壓放大，并有t觸發(fā)器組成的二極管顯示電路顯示所選擇的音源，音源經(jīng)rc4558組成的均衡電路進(jìn)行高低頻均衡，再經(jīng)由tda2822組成的功率放大器進(jìn)行功率放大后推動揚(yáng)聲器工作，該設(shè)計具有音源選擇、放音擴(kuò)大等功能，原理方框圖如下圖所示：音源音源選擇線路輸入前置放大led指示 揚(yáng)聲器功率放大均衡電路 圖2.1 系統(tǒng)原理方框圖 233單元電路

7、設(shè)計 3.1音源選擇電路 3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理在音頻功率放大器中，通常設(shè)有多路外部音源輸入，通過相應(yīng)的選擇電路選擇其中的某一路音源。選擇方式一般有機(jī)械式、繼電器式、電子式。機(jī)械式通過撥動選擇開關(guān)選同某一音源，繼電器式用繼電器及相應(yīng)的驅(qū)動電路代替機(jī)械式選擇開關(guān)，電子式是用電子線路構(gòu)成模擬式電子開關(guān)來選擇音源。機(jī)械式雖然電路簡單，聲道隔離好，但其對選擇開關(guān)要求較高，否則頻繁的撥動選擇開關(guān)容易使開關(guān)老化，影響整機(jī)性能。繼電器式聲道隔離好，但裝配較復(fù)雜，另外還有一定的電磁干擾，一般采用的不多。電子式選擇電路設(shè)計靈活，裝配方便，應(yīng)用比較廣泛。這種方式的缺點是通道通道隔離度稍低，但在一般情況下足以

8、滿足要求。本設(shè)計采用電子式音源選擇電路，圖3.1是使用的電子式音源選擇電路及波形仿真。該電路中將一個jk觸發(fā)器接成t觸發(fā)器， 其輸出端q接二選一模擬開關(guān)cd4066控制端，用以選擇音源信號。q和分別接一個發(fā)光二極管，顯示相應(yīng)的音源。通過按鈕開關(guān)選擇音源，每按動一次切換一次音源。圖3.2是由rc4558組成的前置放大電路，圖3.3為均衡器電路仿真波形，圖3.4為功率放大電路及仿真波形。3.1.2電路仿真圖3.1 （a）音源選擇電路仿真圖 圖3.1(b) 音源選擇電路仿真圖圖3.2(a) 前置放大圖3.2（b）前置放大電路仿真波形圖3.3（a）均衡器 圖3.3（b）均衡器仿真波形圖3.4（a）功率

9、放大電路圖3.4（b）功率放大電路波形仿真3.1.3元器件的選擇及參數(shù)確定1.74ls76a雙jk觸發(fā)器管腳圖將jk觸發(fā)器接成t觸發(fā)器，其輸出端q接二選一模擬開關(guān)cd4066控制端，用以實現(xiàn)音源選擇功能。 圖3.5 下降沿jk觸發(fā)器74ls76a2.cd4066的管腳功能cd4066是四雙向開關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸，具有比較低的導(dǎo)通阻抗。導(dǎo)通阻抗在每個在正個輸入信號范圍內(nèi)基本不變。cd4066由四個相互獨(dú)立的雙向開關(guān)組成，cd4066是一種雙向模擬開關(guān)，在集成電路內(nèi)有4個獨(dú)立的能控制數(shù)字及模擬信號傳送的模擬開關(guān)。每個開關(guān)有一個輸人端和一個輸出端，它們可以互換使用，還有一個選通端（

10、又稱控制端），當(dāng)選通端為高電平時，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)選通端為低電平時，開關(guān)截止。使用時選通端是不允許懸空的.管腳圖如圖3.6所示 圖3.6 4066管腳圖3.2前置放大電路 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理前置放大器是將音源信號進(jìn)行線形放大，滿足后級功放級對輸入信號幅度的要求，前置放大器可由運(yùn)放或分離元件構(gòu)成。本設(shè)計選用集成運(yùn)放rc4558構(gòu)成前置放大器如圖3.7所示，管腳圖如圖3.7所示， 電壓增益 ： au=-r5/r6=5 圖3.7 前置反放大電路3.2.2 rc4558-雙集成算放大器 ay/by 分別為放大器輸出端。a+a+ 分別為放大器同相輸入端，此電路中接地。a-a- 分別為放大器的反相輸

11、入端，此電路中接電阻和輸出端。+vs-vs分別接電源+12v-12v。3.3均衡電路 3.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理均衡電路的功能是根據(jù)需要按一定的規(guī)律調(diào)節(jié)音響放大器輸出信號的頻率響應(yīng)，從而達(dá)到補(bǔ)償聲學(xué)特性，美化音色等目的。它能對音頻范圍內(nèi)的若干個頻段點分別進(jìn)行提升和衰減。某一頻段點的理想頻率特性控制曲線如圖3.8示，而虛線為實際頻率特性控制曲線。f0 1khz 中音頻率（亦稱中心頻率），中頻增益au =0db；fl1 低音轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十赫茲；fl210fl1 中音轉(zhuǎn)折頻率；fh1 中音轉(zhuǎn)折頻率；fh210fh1 高音轉(zhuǎn)折頻率，一般為幾十千赫茲。 圖3.8 某一頻段點的理想頻率特性控制曲線

12、均衡電路的作用是進(jìn)行音調(diào)控制，通常是對放大器的高頻或低頻的某些頻率點的增益進(jìn)行提升或衰減，而中頻保持不變。均衡電路通常是由低通、高通、帶通濾波器組成的。圖3.9是一個由運(yùn)放rc4558構(gòu)成的具有高低音調(diào)節(jié)功能的均衡電路，可對高頻和低頻進(jìn)行提升或衰減。 圖3.9 由運(yùn)放rc4558構(gòu)成的均衡電路在圖3.9電路中，rp3為低音調(diào)節(jié)電位器，rp3左旋到底，低頻提升最大；rp5為高音調(diào)節(jié)電位器，左旋到底，可以對高頻提升最大；rp4為音量調(diào)節(jié)電位器。3.4功率放大 3.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理功率放大級的作用是將來自均衡的信號進(jìn)行功率放大，本設(shè)計采用集成功率放大器tda1521。tda1521是荷蘭飛利

13、浦公司生產(chǎn)的雙聲道功放，可單電源工作，也可雙電源工作，在±16v電源時可獲得2×12w功率。內(nèi)部設(shè)置了過熱保護(hù)及靜噪電路，接通或斷開瞬間有靜噪功能，可以在接通或斷開瞬間抑制不需要的輸入，保護(hù)功放及揚(yáng)聲器。該集成功率放大電路性能優(yōu)良，外圍電路簡單，廣泛應(yīng)用于大屏幕電視機(jī)的音頻信號放大電路，以及其他音頻設(shè)備。集成功放芯片tda1521各引腳功能如下管腳1非倒相輸入1，管腳2倒相輸入2，管腳3地（單電源時1/2vcc），管腳4輸出1，管腳5負(fù)電源（單電源時為地），管腳6輸出2，管腳7正電源，管腳8倒相輸入2，管腳9非倒相輸入2。其一般參數(shù)有電源電壓：±7±20

14、.0vr =0.5時輸出功率（±16v電源）：12w×2（8）電壓增益：30db功率放大級應(yīng)用電路圖如圖3.7所示，圖中c22、c23為耦合電容；c21、c25為濾波電容；r15與c24、r16與c25組成吸收回路（c24、c25可取0.1uf），吸收揚(yáng)聲器線圈在電流突變時產(chǎn)生的反電動勢，防止燒壞tda1521 圖3.10 功率放大級應(yīng)用電路 主要電路仿真，由于multisim中沒有tda1521，所以根據(jù)其內(nèi)部電路圖進(jìn)行仿真。通道a為輸出信號，通道b為輸入信號,從波形可以看出輸入信號經(jīng)過整個電路被放大。3.4.2元器件的選擇及參數(shù)確定由于要求輸出的功率為2×5w

15、，功率放大器可選用tda1521。運(yùn)算放大器可選用性能較好的通用型雙運(yùn)算放大器rc4558。電解電容選用鋁電解電容，耐壓均選25v，薄膜電容均選用聚脂膜電容，耐壓選50v或63v。電阻r13、r14選rj系列10/1w電阻，其他電阻均選rt14系列1/4w、10精度的碳膜電阻器，或選用1/4w的金屬膜電阻。電位器rp3、rp5選用碳膜電位器。rp4選用同軸電位器用來同時控制左右聲道的音量。系統(tǒng)的增益（db）應(yīng)是各單元電路增益（db）之和。tda1521z在額定輸出時，若rl=8，±vcc=±16v，則最大不失真輸出電壓為uom=10v。系統(tǒng)電壓增益為66db。按照上面元器件

16、參數(shù)的選擇，均衡電路的增益均已設(shè)計為0db，功率放大器tda1521內(nèi)有30db的增益，前置放大器的增益可選為20db，由此可以確定前置放大器中電阻的取值。該設(shè)計中，前置放大器的增益選為約5db,即r4=r6=10k,r5=r7=47k。4電路的安裝與調(diào)試4.1電路安裝 將圖3.1，圖3.6，圖3.9,圖3.10進(jìn)行連接，就是整個系統(tǒng)的電路原理圖。音頻功率放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要將各級進(jìn)行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布局，功放應(yīng)遠(yuǎn)離輸入級，每一級地線盡量接在一起，連線盡可能短，否則很容易出現(xiàn)自激。安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時特別要注意功放塊要添加散熱片，運(yùn)算放大器，電解

17、電容等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始依次向后級安裝，也可以從功放級可以向前逐級安裝。安裝一級調(diào)試一級，安裝兩級要進(jìn)行級聯(lián)調(diào)試，直到整機(jī)安裝與調(diào)試完成。4.2電路調(diào)試 電路安裝完畢后，要對電路做一詳細(xì)檢查，確認(rèn)安裝無誤后放可通電。通電后先檢查電路有無明顯異?，F(xiàn)象，若有異?，F(xiàn)象，說明有故障，應(yīng)予以排除，若無異常現(xiàn)象則開始調(diào)試。調(diào)試時先分級調(diào)試，然后級連調(diào)試，分級調(diào)試分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試。（1）靜態(tài)調(diào)試 將信號輸入端對地短路，測量各級電路關(guān)鍵點的直流電壓，看看是否正常，若不正常，檢查電路，排除故障。如運(yùn)放為正負(fù)電源對稱供電時，輸出點直流電位應(yīng)為0v，若不為0v，則電路有故障，應(yīng)檢查并

18、予以排除，檢查電路是否有自激現(xiàn)象。 （2）動態(tài)調(diào)試 分別在各級電路的輸入端接入輸入信號（一般是一定幅度和頻率的正弦波信號），觀察關(guān)鍵點上的波形是否正常，若有故障，檢查并及時排除。（3）級連調(diào)試 在動態(tài)調(diào)試完成后，可將各級連接起來進(jìn)行級連調(diào)試。確認(rèn)電路沒有明顯異常情況口，在輸入端加入510mv正弦信號，檢查各級電路是否正常。若不正常，則從前級開始，逐級向后檢查并排除故障，然后調(diào)節(jié)各電位器，檢查是否受控，控制是否正確。4.3系統(tǒng)功能及性能測試 4.3.1測試方法設(shè)計（1）額定功率 音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值（如thd<5）時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；

19、uo（有效值）為rl兩端的最大不失真電壓。測量po的條件如下： 信號發(fā)生器輸出頻率f1khz、電壓ui1從2mv開始逐漸加大到20mv左右，音量控制電位器rw11置于最大值，用示波器觀測ui1及uo的波形。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ui1，直到uo的波形剛好不出現(xiàn)削波失真（或thd<5），此時對應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓，由上式即可算出額定功率po，請注意，最大輸出電壓測量后應(yīng)迅速減小ui，否則會因測量時間太久而損壞功率放大器。本課題中，p0=12w, rl=8,uom=10v. （2）頻率響應(yīng) 放大器的電壓增益相對于中音頻fo

20、（1khz）的電壓增益下降3db時所對應(yīng)的低音頻率fl和高音頻率fh稱為放大器的頻率響應(yīng)。測量條件同上，調(diào)節(jié)音量控制電位器rw11使輸出電壓約為最大輸出電壓的50。此時rw1和rw2必須放在中間位置。測量步驟是：使信號發(fā)生器的輸出頻率從20hz至20khz變化（保持ui15mv不變），測出負(fù)載電阻rl上對應(yīng)的輸出電壓uo，用半對數(shù)坐標(biāo)紙繪出頻率響應(yīng)曲線，并在曲線上標(biāo)注fl和fh的值。音調(diào)控制特性容c9的負(fù)端引出，先測頻率為1khz處的電壓增益auo約0db，再分別測低頻特性和高頻特性。測低頻特性：將rp1的滑臂端置于最左端，rp2置于中間位置，頻率從20hz至1khz變化，記下對應(yīng)的電壓增益（

21、低頻提升）。再將rp1的滑臂端置于最右端，頻率從20hz至1khz變化，記下對應(yīng)的電壓增益（低頻衰減）。同樣，測高頻特性是將rp2的滑臂端分別置于最左端和最右端，rp1置于中間位置，頻率從1khz至20khz變化，分別對應(yīng)高頻提升和高頻衰減，記下對應(yīng)的電壓增益。最后繪制音調(diào)控制器特性曲線，并標(biāo)記fl1、fl2、fo（1khz）、fh1、fh2頻率對應(yīng)的電壓增益。（3）輸入阻抗 從音響放大器輸入端看進(jìn)去的阻抗稱為輸入阻抗ri。ri的測量方法與放大器的輸入阻抗測量方法相同。 (4)噪聲電壓 音響放大器的輸入為零時，輸出負(fù)載rl上的電壓稱為噪聲電壓un。測量方法是，使輸入端對地短路，音量電位器為最大

22、值，用示波器觀測輸出負(fù)載rl的電壓波形，用交流電壓表測量其有效值。 （5）整機(jī)效率 式中，po：輸出的額定功率；由ui加入頻率f1khz，幅值為100mv的電壓信號，并將rp1置于最大值，這時u0作為音調(diào)控制器的輸入信號（幅度為30mv）， pc輸出額定功率時所消耗的電源功率。4.3.2 測試結(jié)果及分析接入兩個音源信號，按動按鈕開關(guān)，進(jìn)行音源之間的切換，選擇不同的音源。將mp3輸出的音樂信號，接入前置放大器，改變音調(diào)控制級的高低音調(diào)控制電位器，揚(yáng)聲器的輸出音調(diào)應(yīng)發(fā)生明顯變化。改變音量調(diào)節(jié)電位器，揚(yáng)聲器的音量明顯發(fā)生變化。5 結(jié) 論經(jīng)過本次課程的設(shè)計和制作，我們所設(shè)計的音頻功率放大器基本完成。其

23、功能符合預(yù)期目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)音源選擇、音頻擴(kuò)大、音調(diào)控制等功能。通過設(shè)計，我不僅掌握了電路方面許多的知識，而且學(xué)會了電路系統(tǒng)的一般設(shè)計的基本思維方法和流程，為以后工作學(xué)習(xí)留下了寶貴的經(jīng)驗。由于課程設(shè)計時間較短，再加上自己的能力不足，在大多方面做得不夠完善，該音頻功率放大器還有許多不足的地方。比如：在音量失真較大，音量放大倍數(shù)不足等，這些都有待進(jìn)一步改進(jìn)。在整個電路課程設(shè)計過程中，我們不斷地在遇到問題和解決問題之中盤旋。例如在硬件制作，電路板的焊接等。由于沒有整體仿真結(jié)果，我不敢輕易去焊接電路板，并且在購買器件時采購了雙份，在焊接第一個電路板時由于音源選擇電路的不合適，我們放棄了最初的方案，在查閱資料后提出用jk觸發(fā)器來組成音源選擇電路，并最終把音源選擇電路，調(diào)試成功，達(dá)到了每按一次開關(guān)，音源選擇一次，紅綠二極管交替指示所選音源的功能。在前置放大電路中由于焊接時失誤，錯把放大器的同相和反相輸入端接反了，在多次檢查中最終發(fā)現(xiàn)問題并及時給予糾正，由于所選滑動變阻器緣故，音調(diào)調(diào)節(jié)并不是太理想。在調(diào)試電路時遇到很多問題，有時覺得無從下手，最終還是在同伴打得