基于NE5532的家用音響設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

在技術(shù)層面上，系統(tǒng)主要是采用集成芯片來(lái)完成的，這個(gè)設(shè)計(jì)中用NS(NationalSemiconductor)公司帶有3D環(huán)繞聲場(chǎng)處理功能的LM4610N做音調(diào)芯片，通過(guò)改變直流控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)音調(diào)控制；前置放大使用了曾經(jīng)的“運(yùn)放之皇”NE5532,典型的增益為20dB;后級(jí)功率放大部分用的也是NS公司的一款經(jīng)典芯片——LM1875芯片，每聲道兩關(guān)鍵詞：3D環(huán)繞；集成芯片；直流電壓音調(diào)控制；BTL;無(wú)信號(hào)自動(dòng)關(guān)機(jī)1家用音響系統(tǒng)技術(shù)(例如頻率校正、信號(hào)延時(shí)、人工混響等)1.2家用音響系統(tǒng)組成1.2.1節(jié)目源設(shè)備LP唱機(jī)、錄像機(jī)等，這些器材的共同特點(diǎn)是，均可通過(guò)機(jī)器自身將存錄于唱盤(pán)、卡帶乃至空間電波中的信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)播出，例如CD機(jī)可通過(guò)其內(nèi)部電路將刻在CD1.2.2功率放大器(1)前置放大器常重要的。因?yàn)樵谳斎?mV的音頻信號(hào)(例如話筒信號(hào))中，如果混有0.1mV的輕微噪聲，經(jīng)過(guò)1000倍的放大，此噪聲即可達(dá)到0.1V,輸入后級(jí)功率放大器后再經(jīng)過(guò)放大，(2)后級(jí)功率放大器后級(jí)功率放大器的作用是將來(lái)自前置放大器的信號(hào)放大到足夠能推動(dòng)相應(yīng)揚(yáng)聲器1.2.3揚(yáng)聲器系統(tǒng)2.1.1電子管放大器生激勵(lì)(信號(hào)刺激超過(guò)承受范圍)時(shí)，電子管波形變化較和緩，晶體管的則不大平滑，大，由于在汽車(chē)?yán)锩媸褂铆h(huán)境較為惡劣(高溫、振動(dòng)、電源等問(wèn)題)從而很大程度限制高頻可延伸至聽(tīng)域極限)和極高的保真度(總諧波失真可輕易達(dá)到0.001%),阻尼系數(shù)非常高，瞬態(tài)響應(yīng)也較電子管功放優(yōu)秀得多。聲音清脆開(kāi)揚(yáng)，極具穿透力且力度十足。它克服了電子管功放的兩個(gè)缺點(diǎn)，一是阻尼系數(shù)可做得很高，有良好的瞬2.1.3集成電路放大器護(hù)電路都內(nèi)置了，一般情況下不會(huì)發(fā)生燒毀器件的問(wèn)題，不足之處是電聲指標(biāo)(功率、頻響、失真度、信噪比等)和音質(zhì)皆不如分立元件組成的放大器，但是現(xiàn)在隨著集成2.2高保真功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)2.2.1額定輸出功率與功率儲(chǔ)備輸出功率并不是惟一值，而是隨失真和負(fù)載的不同而變化.然偏高，有的國(guó)家這樣規(guī)定：兩個(gè)聲道各驅(qū)動(dòng)一個(gè)阻抗為8歐的服這種失真，音頻功率放大器的削波功率必須大于額定功率的10倍，也就是說(shuō)音頻功率放大器要有一定的功率儲(chǔ)備，一臺(tái)削波功率為80W的晶體管音頻功率放大器，其平均功率能用到4-5W左右，若削波功率為50W,則平均功率只能用到3-4W左右。而圖2.1:放大器的通頻帶頻率響應(yīng)范圍的規(guī)定是：當(dāng)輸出電平在某個(gè)低頻點(diǎn)下降了3分貝，則該點(diǎn)為下限頻率，同樣在某個(gè)高頻點(diǎn)處下降了3分貝，則定為上限頻率。按照一般的規(guī)定，高保真功率2.2.4信噪比信噪比(SignalNoiseRatio)是指信號(hào)通過(guò)音頻設(shè)備后增加的各種噪聲(如低頻哼聲、感應(yīng)交流聲、咝咝聲等)于指定信號(hào)電平的dB差值，或信號(hào)幅度與噪聲幅度之電平值來(lái)表示，此時(shí)稱(chēng)為噪聲電平(這實(shí)際上也是一個(gè)用電壓來(lái)計(jì)算的信噪比數(shù)值，只出值和噪聲值之比，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)信噪比為100dB時(shí)，輸出電壓是噪聲電壓的一萬(wàn)倍，設(shè)噪聲信號(hào)功率(或電壓)為PN(VN),有用信號(hào)的額定輸出功率(或電壓)為Ps(Vs),則2.2.5瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)是指放大器跟隨瞬態(tài)(猝發(fā))信號(hào)變化能力大小的一種標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代音樂(lè)中包括了很多此種信號(hào)，比如：打擊樂(lè)器彈撥樂(lè)器，都能產(chǎn)生猝發(fā)聲脈沖，即瞬態(tài)信號(hào)，上波形是方波，說(shuō)明放大器的瞬態(tài)響應(yīng)良好。而瞬態(tài)反應(yīng)不良的就如圖2.2所示。裝裝訂線2.2.6轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR主要是描述放大器對(duì)音源高頻分量的跟隨(反映)速度快慢的一項(xiàng)指標(biāo)。SR和放大器的瞬態(tài)響應(yīng)雷同。一個(gè)大SR的擴(kuò)音機(jī)，它的高頻響應(yīng)一定很出色，而且瞬態(tài)失真TD(transientdistortion)和瞬態(tài)交互失真非常的小。轉(zhuǎn)換速率的單位是uV/s。要是一款Hi—End級(jí)功放，其SR值都能達(dá)到數(shù)十微伏/秒或者上百微伏/秒。這2.2.7動(dòng)態(tài)范圍功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍是指最大音量與最小音量時(shí)所輸出的不失真功率的分貝值對(duì)于高保真功放，其動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于75dB。較好的功放應(yīng)達(dá)到110dB。態(tài)范圍才能使信號(hào)中的像雷電聲(110dB)和歌唱家的氣息聲以至唇齒聲(75dB)等如保證放音完美的最佳電源是理想電源。所謂理想電源就是電源內(nèi)阻為0歐，在任何3.2功放電源組成的變壓器才能使功放的聲音更符合你的口味，對(duì)于不少變壓器的出現(xiàn)已經(jīng)有100多年的歷史了，六十年代以前，世界上普遍使用的變壓器裝裝訂線EI型是最為常用和多見(jiàn)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.它的優(yōu)點(diǎn)是加工制作容易繞制方便，成本低般。當(dāng)采用特殊的分層分段繞制方法后(即所謂的發(fā)燒繞制法),在細(xì)節(jié)和解析力上有它。適合聽(tīng)音口味上喜歡“唯美”的DIY愛(ài)好者選用。(2)環(huán)型變壓器環(huán)型變壓器是c型變壓器之后開(kāi)發(fā)出來(lái)的品種，磁路短，效率高，銅損與鐵損均小于EI型變壓器，體積和重量小，安裝使用方便。缺點(diǎn)為制作費(fèi)用相對(duì)較高，抗直流飽EI型。但在中頻的厚聲溫暖感上要遜色于EI型。由于環(huán)型變壓器具有一些優(yōu)異的性能純A類(lèi)功放。近年來(lái)由于技術(shù)的進(jìn)步，環(huán)型變壓器的這一先天缺點(diǎn)已經(jīng)逐步得到改善，3.2.2整流二極管(整流橋)管上并聯(lián)一個(gè)小電容，也同樣可以大大改善噪聲干擾。3.2.3濾波電容器由于大容量的需求，電源系統(tǒng)中的濾波電容器清一色的都使用電解電容器，在功放中所見(jiàn)的電容器標(biāo)法規(guī)格常有容量(uF)、工作電壓(V)、紋波電流(A)。一般功放中的總?cè)萘考s為100,00uF,或稍小一些。那么是不是電容器就無(wú)限制地越大越好嗎?當(dāng)然錢(qián)是個(gè)要考慮的因素，另一方面，越大的電容器也面臨著另一個(gè)問(wèn)題，幾乎容量大的電解電容器都會(huì)伴隨有微小的電感3.2.5穩(wěn)壓及恒流電路此比較經(jīng)濟(jì)的做法是將功放的前級(jí)(電壓放大級(jí)等耗電少的部分)與功率放大級(jí)分開(kāi)供3.3整流濾波電路3.3.1半波整流濾波電路半波整流濾波電路可由圖3.1所示的半導(dǎo)體二極管構(gòu)成。由于二極管D的單向?qū)щ娦?，只有在變壓器B次級(jí)電壓U2為正半周時(shí)，才有電流流過(guò)負(fù)載，在負(fù)載兩端形成圖3.2曲線a所示的單向脈動(dòng)直流電壓，故稱(chēng)半波整流。其輸出電壓的平均值：大量的交流分量。我們可以從圖3.2中的a部分很清楚的看到，可見(jiàn)，半波整流電路輸出電壓的交流分量比直流分量還要大，這樣的脈動(dòng)直流電是不能直接用于音響設(shè)備的，三極管構(gòu)成，其中最簡(jiǎn)單常用的是加接濾波電容[如圖3.1中的電容C]。這樣，由于電容具有充放電作用，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電壓U2同時(shí)向電容C充電，使電容兩端的電壓接近U2的峰值Um2;當(dāng)二極管截止時(shí)，電容C則向負(fù)載RL緩慢放電，直至Uc=U2時(shí)，二極管才再次導(dǎo)通，C再次被充電，使Uc再次升高(此處Uc所指是電路加在濾波電容3.3.2全波整流濾波電路半波整流電路盡管加了電容濾波，輸出電壓的紋波系數(shù)(紋波系數(shù)是指交流分量有效值與直流分量的比值)仍偏大，因而不能用于音頻功放電路中，為了獲得更小的波紋系數(shù).滿足高保直放大器的需求.可采用如圖33所示的全波整流濾波由路，它是采用雙二管次電容付，0端應(yīng)接.載有電流ID當(dāng)未接濾波從波形比較我們就可以看出，全波整流濾波電路輸出的脈動(dòng)電壓平均值為半波整流由于輸出電壓的平均值UL=Um/(1+0.25/fRLC)fRLC),提高輸出電壓的平均值，這是優(yōu)點(diǎn)，而且，使用大的濾波電容時(shí)，由于放電時(shí)訂線圖3.5橋式整流濾波電路電路形式半波整流電容濾波電容濾波電容濾波交流輸入電負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓帶負(fù)載時(shí)輸出電壓近似值(UL)每個(gè)二極管反相峰值電壓(UR)每個(gè)二極管3.4穩(wěn)壓電路3.3中介紹的整流濾波電路用于給功率放大器供電可以確保系統(tǒng)性能的發(fā)揮，但是個(gè)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓之后，再供放大器使用。這樣，所輸出的直流電壓不僅波紋系數(shù)更小，(1)額定功率大于雙30w(2)總諧波失真小于0.5%裝裝訂線(5)整機(jī)效率大于50%4.2方案論證4.2.1音調(diào)芯片方案選定言放音的頻率范圍為100Hz到幾KHz,交響樂(lè)放音的頻率范圍則大于40Hz—14kHz,這高音區(qū)或低音區(qū)，以及更高層次的3D環(huán)繞聲，以期改善聽(tīng)音效果。還有，人耳對(duì)不同通過(guò)查閱圖書(shū)館的資料和網(wǎng)上搜索相關(guān)資源，初步?jīng)Q定使用美國(guó)NS公司的LM4610音調(diào)控制芯片，它是美國(guó)NS公司在前幾年推出的LM1036的換代產(chǎn)品。該芯片除了具有性能優(yōu)異的雙聲道直流電壓調(diào)節(jié)高低音調(diào)、平衡、音量功能外，還具有立體聲3D環(huán)4.2.2前置放大器方案選定而本設(shè)計(jì)要求噪聲電壓≤5mv,那么也就是說(shuō)要求設(shè)計(jì)前置放大輸入交流短接到地結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)，覺(jué)得選擇NE5532這款久負(fù)盛名的當(dāng)年的“運(yùn)放之皇”,雖然只是中低端的產(chǎn)品，但是其內(nèi)部為JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)),聲音特點(diǎn)總體來(lái)說(shuō)屬于溫裝裝訂線4.3具體方案闡述裝裝訂線●工作電壓為9～16V,常用12V,靜態(tài)電流為35mA;●輸入阻抗為30kΩ,輸出阻抗低達(dá)20Ω;●音量調(diào)節(jié)范圍為75dB;平衡調(diào)節(jié)范圍為1～20dB;●低音調(diào)節(jié)(40Hz時(shí))為±15dB,高音調(diào)節(jié)(16kHz)為±15dB;●總諧波失真僅0.0003;●信噪比可達(dá)80dB;●頻響寬度為250kHz;●信號(hào)最大輸入、輸出電壓為1.5V;●兩聲道平衡誤差少于1.5dB;●電源共模抑制比為60dB。人的耳朵在不同音量(響度)時(shí)，對(duì)聲音中不同頻率信號(hào)的敏感度不一樣，即隨著音量裝裝訂線否進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，?dāng)SW1置于ON時(shí)，9腳與14腳相連，隨著14腳電壓的變化(音量變化),時(shí)，9腳與19腳相連，響度補(bǔ)償功能不起作用。(2)前置放大器芯片NE5532NE5532為“發(fā)燒界”曾經(jīng)頗負(fù)盛名的高速、低噪聲雙運(yùn)算放大器(左、右聲道各用兩級(jí)差分放大。因而共模抑制比、等效輸入噪聲、失真度和增益帶寬等性能比較優(yōu)(1腳)輸出信號(hào)(3腳)同向端輸入(5腳)同向端輸入(7腳)輸出信號(hào)(2腳)反相端輸入(4腳)負(fù)電源(6腳)反相端輸入(8腳)正電源裝裝訂線諧波失真工作電流工作電壓V±3~±22②前置放大器及外圍電路原理圖及分析R001和R001A是為了提高輸入阻抗，降低對(duì)前級(jí)音調(diào)的影響；C002與C002A是用來(lái)濾除高頻雜波的旁路電容。裝裝訂線為：最大輸出功率為40W,頻率范圍為20Hz到20kHz,負(fù)載阻抗為8Ω,輸出40W功率時(shí)，失真率為0.015%,總諧波失真為0.02%;開(kāi)環(huán)增益90dB,功率帶寬為70kHz,Ay=20(26dB),fo=1kHz。內(nèi)裝有S0A保護(hù)電路，確保電路安全。路自動(dòng)停止工作。當(dāng)溫度降至145℃時(shí)，又重新工作。此后若溫度再度上升時(shí)，只要升到150℃時(shí)，即停止工作。這樣即使在持續(xù)故障下也能保證芯片的安全性，這一點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)試條件典型值極限值單位靜態(tài)電流輸出功率(總諧波失真)%失調(diào)電壓0增益帶寬乘積開(kāi)環(huán)增益電源紋波抑制率電壓轉(zhuǎn)換速率20W,8Ω,70KHz(頻帶寬度)8等效輸入噪聲3n寸T4Ak00020008+2r寸 433555圖4.4功率放大芯片LM1875BTL接法及外圍電路功放電路如圖4.4所示，從圖中得知該電路是用BTL形式連接，采用的電壓負(fù)反饋。該電路還可以采用電流負(fù)反饋電路，也是近年來(lái)報(bào)刊推薦較多的電路，與電壓負(fù)反饋電如果采用電流負(fù)反饋電路時(shí)，電源的功率儲(chǔ)備要有余量，而我用的是100W的環(huán)形變壓這種頗負(fù)盛名的高速度低噪聲的電源為音質(zhì)提供了保證。其原理圖如圖4.5所示：裝裝訂線Vp5生中2pFc日心圖4.5供前級(jí)的有源伺服穩(wěn)壓電路(2)功放電源需要很大的動(dòng)態(tài)，所以決定使用不帶穩(wěn)壓塊的整流電路。其原理圖如圖4.6所示：bi古寸3c圖4.6供后級(jí)功放的電源電路功放電源使用的濾波電容是四個(gè)4700uF的大電容，網(wǎng)上愛(ài)好音響的發(fā)燒友的經(jīng)驗(yàn)得出，用一個(gè)上萬(wàn)u的大塘還不如用多個(gè)中等容量的電容并聯(lián)來(lái)代替，這個(gè)一方面電源控制電路的原理圖如圖4.7所示，裝裝訂線經(jīng)整流橋整流、三端穩(wěn)壓集成電路7812穩(wěn)壓，供給電路12V電源。在接通電源瞬間，由于電容C35兩端電壓不能突變，555芯片的2腳為低電平，觸發(fā)555芯片的3腳輸出高電平，使繼電器K31吸合，從而使音響得電而工作，同時(shí)維持本電路的正常工作。式等細(xì)節(jié)也絕不能忽視。所以我結(jié)合自己在protel中布局和布線的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將一些非裝裝訂線生削波失真。整個(gè)電源部分成本應(yīng)占Hi-Fi功放成本的3/5左右。5.2電路板制作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)5.2.1制板步驟(1)在電腦及Protel99se的協(xié)助下繪制原理圖及PCB圖。(2)根據(jù)實(shí)際元件的尺寸對(duì)PCB圖中的元件封裝進(jìn)行確認(rèn)。(4)用熨斗將轉(zhuǎn)印紙上的油墨燙在用細(xì)砂紙擦過(guò)的鍍銅底板上。(5)用三氯化鐵加熱水腐蝕掉板子上多余的鍍銅，電路板初步成型。(6)分別用對(duì)應(yīng)的鉆頭鉆好電路板上的孔。(7)用水砂紙邊沖水邊擦掉油墨，然后擦干后用酒精和松香一定比例混合，將整(8)安裝焊接元件。步驟是如此：對(duì)應(yīng)原理圖，先焊跨接線，再焊電阻，再焊電容(那些上千微法的電容暫不焊),再焊整流橋，再焊集成芯片，裝配散熱器，裝散熱器時(shí)記得由于LM1875的負(fù)電源與金屬帽相通，故IC與散所以那時(shí)都是選擇直接畫(huà)PCB,沒(méi)有用到網(wǎng)絡(luò)表什么的，但畢業(yè)設(shè)計(jì)的電路圖用這種辦裝裝訂線6.2模塊調(diào)試6.2.1電源調(diào)試電源電路比較簡(jiǎn)單，所以接上220V市電后，用示波器觀察+24V波形，沒(méi)有明顯的雜波，供給后級(jí)功率放大電路就完全可以了。再觀察+12V調(diào)大電壓量程，仍然未發(fā)現(xiàn)6.2.2后級(jí)功放模塊調(diào)試電源加了100uF,0.01uF和0.1uF的濾波電容，再通電看波形，發(fā)現(xiàn)波形干凈了好多，但發(fā)現(xiàn)那幾個(gè)電阻還是發(fā)熱，懷疑是放大倍數(shù)太大的緣故，遂把反饋電阻從22k改到然后就加上音頻信號(hào)調(diào)試，在左聲道，也就是兩個(gè)LM1875的4腳接上一個(gè)8歐的假負(fù)載，在此路放大電路的輸入端即LM1875的1腳輸入100mV電壓，頻率為1KHz,調(diào)節(jié)信號(hào)源逐步改變頻率，范圍為20Hz到20KHz,測(cè)量?jī)蓚€(gè)4腳的輸出波形，測(cè)得在50Hz~20KHz之間的放大比較均勻。6.2.3前置放大模塊調(diào)試接上變壓器電源，只給前級(jí)供電，即只通12v的電源。將1KHz頻率，輸入100mV電壓輸入NE5532的3腳(也就是左聲道),用雙蹤示波器對(duì)比的接好，然后逐步改變頻率(從20Hz～20KHz)來(lái)檢驗(yàn)其增益是否在接近20dB,以驗(yàn)證前置放大電路在有效頻域內(nèi)能否達(dá)到規(guī)定增益。調(diào)試后發(fā)現(xiàn)的確達(dá)到了規(guī)定的20dB的增益。6.2.4前置音調(diào)模塊調(diào)試的小信號(hào)Vi(=100mV),通過(guò)LM4610的耦合電容輸入其中一個(gè)聲道，從相應(yīng)的測(cè)試低頻特性：將低頻提升到最大，高頻降低到最小(都是通過(guò)相應(yīng)的變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)),測(cè)量頻率為20Hz到20KHz,電壓為100mV(峰峰值),測(cè)量6.2.5電源控制模塊調(diào)試本模塊的調(diào)試比較簡(jiǎn)單，只要調(diào)整R32的值，是VT2基極電壓未8-10V即可。信7.2主要性能指標(biāo)測(cè)試筆者依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6800-86半導(dǎo)體集成音響電路音頻7.2.1額定輸出功率額定輸出功率是在放大器的諧波失真度為額定值(如0.1%)時(shí)，于規(guī)定負(fù)載上所能得到的功率有效值。測(cè)量電路如圖7.1所示，待測(cè)的是功率放大器，所以RL設(shè)定為8Q的一個(gè)假負(fù)載(應(yīng)能承受規(guī)定的功率)。測(cè)量時(shí)，調(diào)整信號(hào)源(正弦波信號(hào)發(fā)生器)的頻訂訂線率和輸出幅度，給放大器輸入1000Hz的正弦波。當(dāng)失真儀指示達(dá)到0.1%時(shí)，讀取音頻電壓表的電壓指示值(有效值)U。,如此便可通過(guò)下式計(jì)算該放大器的額定輸出功率PoRMs=Uo2/R裝圖7.1額定輸出功率、頻率響應(yīng)及諧波失真測(cè)試電路(A為待測(cè)放大器)7.2.2總諧波失真調(diào)試電路仍同圖7.1。測(cè)量時(shí)，在放大器輸入端輸入20Hz—20KHz正弦波信號(hào)，使輸出電壓達(dá)到額定輸出電壓值U。。用失真儀測(cè)出20Hz—20kHz頻率范圍內(nèi)輸出波形的最大失真度γ?(通常