数控音量调节集成音频功率放大器 课程设计报告

广西民族大学本科综合课程设计报告题目数控音量调节集成音频功率放大器学院（系）信息肯学与工程学院专业自动化年级班级11自动化1班学号111263010402学生姓名梁陈世指导教师覃晓1前言32原理33电路设计531技术指标532方案论证5321芯片选择533工作方式选择6331功率放大器的设计与计算7332单电源供电OTL音频功率放大器工作原理7333双电源供电BTL音频功率放大器工作原理84、硬件设计941功率放大器942数控音量调节电路10421CD4051八路模拟开关设计11422CD4516八进制设计14423计数脉冲16424计数脉冲与CD4516相连1843电源设计18431功放电源19432数控电源2044散热设计215、电路制作与调试2151电路元件的选取2152电路的焊接2153调试与参数设置2454数控音量集成音频功率放大器的测试基本内容2655数据纪录与处理276、心得体会29参考文献30数控音量调节集成音频功率放大器1、前言本设计采用TDA2030作为功放芯片，采用OCL电路供电，用按钮开关作为CD4516的计数脉冲，作为计数器的输入，然后计数器的低三位输出控制八路模拟开关CD4051，选择不同的衰减倍数，达到对电平的控制，将音频信号经过八个电阻组成的衰减网络，输入给TDA2030功放芯片，实现音频信号的放大，通过一个阻抗为83的喇叭表现出来。关键词TDA2030功放芯片、衰减式音调、电压增益、功率增益。2、原理我们熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外围电路较复杂，且容易自激。LM1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，但是高频特性较差（BW70KHZ）。TDA2030A上升速率高、瞬态互调失真小；输出功率大，而保护性能以较完善；外围电路简单，使用方便；频带宽BW（10140KHZ），缺点是低频特性欠缺。综合题目要求，选用TDA2030A作功放。本设计功率放大器选用集成功放TDA2030A，采用双电源OCL电路，原理图如图1所示。C1为信号耦合电容，R3为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声。R1、R2组成反馈网络，C2为直流负反馈电容，以使电路直流为100负反馈。静态工作点稳定性好。D1、D2为保护二极管。R4和C3组成输出退耦电路，防止功放产生高频自激。C4、C5、C6、C7是电源退耦电容。4个1N4004组成全桥整理电路，防止正负电源误接。RW电位器可以实现输入衰减，可作音量调节用。图2数控音量调节集成音频功率放大器原理图框3、电路设计31技术指标1、在音频信号处输入正弦波输入电压幅度800MV，等效负载电阻RL满足（1）额定功率输出功率POR10W；（2）频率响应BW20HZ100KHZ（3DB）（3）在POR和BW内非线性失真系数110W,30HZ20KHZ）；（4）在POR下的效率55；2、数控音量调节部分尽量能多档位。3、电源稳压部分不要自制，但要求必须有整流滤波电路。32方案论证321芯片选择我们熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外围电路较复杂，且容易自激。LM1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，但是高频特性较差（BW70KHZ）。TDA2030A上升速率高、瞬态互调失真小；输出功率大，而保护性能以较完善；外围电路简单，使用方便；频带宽BW（10140KHZ），缺点是低频特性欠缺。综合题目要求，选用TDA2030A作功放。TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。TDA2030集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。TDA2030集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030在电源电压14V，负载电阻为4时输出14瓦功率（失真度05）；在电源电压16V，负载电阻为4时输出18瓦功率（失真度05）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。33工作方式选择331功率放大器的设计与计算本设计功率放大器选用集成功放TDA2030A，采用双电源OCL电路，原理图如图1所示。TDA2030A开环增益为90DB，即放大倍数A32000。因为要求输出到8电阻负载上的功率POR10W，而VPRVOLOM6512082加上功率管管压降2V，则VOM2126521465V取电源电压为15V。ARPILOCM581/02/2WVCV1所以计算效率为2605/0/VORP输出最大不失真电压OM1265V，故P3265180/32/VIPOAF32则功率电压增益取30DB360821RAF优缺点优点是省去体积较大的输出电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求稍高。332单电源供电OTL音频功率放大器工作原理电路图优缺点优点是可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路。缺点是需要通过体积较大电解电容作为输出耦合。333双电源供电BTL音频功率放大器工作原理用两块TDA2030组成如图3所示的BTL功放电路，TDA2030（1）为同相放大器，输入信号VIN通过交流耦合电容C1馈入同相输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3/R2R3/R230DB。R3同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。TDA2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA2030（1）输出端的U01经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益KVCR9/R7/R5R9/R730DB。由R9R5，所以TDA2030（1）与TDA2030（2）的两个输出信号U01和U02应该是幅度相等相位相反的，即U01UINR3/R2U02U01R9/R5R5U02U01因此在扬声器上得到的交流电压应为VOU01（U02）2U012U02原理图优缺点优点是无论使用单电源还是双电源供电都不需要输出电容，理想输出功率是单个OCL电路的4倍。优点是功率做得更大，缺点是电路比较复杂。4、硬件设计41功率放大器TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。如图6所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。图6TDA2030芯片的引脚图42数控音量调节电路本电路采用可利用一按钮开关产生稳定的脉冲，作为计数器CD4516的输入。CD4516（CD4510）为一单时钟可逆十六进制（十进制）计数器，计数器的低三位输出控制八路模拟开关CD4051，选择不同的衰减倍数，达到对信号电平的控制。同时计数器输出经74LS248译码后直接驱动共阴数码管做音量档位显示。421、CD4051八路模拟开关芯片简介如图8，CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD5V，VSS0，VEE135V，则05V的数字信号可控制13545V的模拟信号。这些开关电路在整个VDDVSS和VDDVEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。只有当INH0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。图8CD4051芯片引脚图控制端输入不同的电位，对应的通道不同，从而实现八路模拟开关的功能，如图9是每个通道对应的输入状态。如图9是由电阻和芯片组成的衰减网络，左边八个电阻起到分压作用，在相同的输入电压状况下，前置电阻越大，分压越大，从而衰减越多，从而实现音频档位的控制。如表1，是每个档位对应的音量大小。图9CD4051控制端输入状态对应的接通通道图图10电阻衰减网络CBA000,VO1R10/R1R10VICBA001,VO1R10/R2R10VI表1衰减网络中每个电阻对应的档位电阻对应的档位R1390K1档最小（无声音）R2100K2档R351K3档R430K4档R510K5档R71K6档R81007档R9478档最大选择合适的电阻衰减网络，使音量变化明显。422、CD4516计数CD4516是一个十六进制的计数器，工作电压5V。在本次设计中，芯片16脚VDD接5V，8脚VSS接地。由于我们只需要利用到八进制的计数器功能，所以，把计数器的2脚（Q3）悬空，相当于只取后三位（八进制），如图12，按照Q3Q2Q1Q0顺序排的主循环状态图，我么不看Q3，只看Q2Q1Q0，就是一个八进制的循环状态图。图11CD4516引脚图0000000100100011110101000101011011110111100011101001110010111010图12CD4516主循环状态图如图13芯片状态图，P0、P1、P2、P3预置输入端，在PE上升沿有效。U/D加减设置端，1位加，0位减。CLK时钟端，上升沿有效；RST复位端，高电平复位；Q0、Q1、Q2、Q3十六进制输出端；CIN低端进位；COUT加减到输出端。图13CD4516状态图P0、P1、P2、P3预置输入端，在PE上升沿有效。U/D加减设置端，1位加，0位减。CLK时钟端，上升沿有效；RST复位端，高电平复位；Q0、Q1、Q2、Q3十六进制输出端；CIN低端进位；COUT加减到输出端；按功能表，预置功能没有使用，P0P1P2P3P4悬空、接高低电平都可，计数情况下PE要接高电平，CI接低电平，CLK输入脉冲。JP4跳帽接到U/D,用来设置音量递增或递减调节方向。CD4051模拟开关有八路开关，CD4516要设置成八进制（需要提供000111或111000的计数），只需要连接输出Q2Q1Q0低三位到CD4051的CBA即可（不必反馈清零，RST直接接0）。423、计数脉冲CD4516的CLK在上升沿计数，CLK计数脉冲由按键上拉电阻产生，如图12所示。通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号模型如图13。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5MS10MS。这是一个很重要的时间参数,在很多场合都要用到。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。硬件消抖在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。下图所示的RS触发器为常用的硬件去抖。图13中两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B）,中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。另一种硬件消抖的方法利用电容的放电延时，采用并联电容法，也可以实现硬件消抖，如图14所示。424、计数脉冲与CD4516相连43、电源设计431功放电源功放部分电源由220V经双12V变压器降压，过整流桥整流，电容滤波，输出VCC15V。理论上，整流桥出来的负载电压VL应满足15V以上，才能保证芯片正常工作。故变压器变压后的有效电压应该是VVL6719052直流电流为ARVIL812590输出功率WIPW7整流桥中四个二极管，两两轮流导通，所以流经每个二极管的平均电流是AVRVILD910286450212整流桥内的二极管承受的最大反向电压为VVRM5723612但是，实际上，经过电容滤波电路后，21VL所以，负载上的电压L212负载上的电流ARVIL83负载上的功率WIPW2715整流桥上的二极管的平均电流是AILD9102整流桥内的二极管承受的最大反向电压为VVRM67522整流桥的内部二极管的击穿电压要高于1767V，最好是20V以上，比如IN4007和IN4001。在滤波电容的选择上，我们选择一个较大的2200UF的电解电容和一个01UF的104瓷片电容，可以分别滤掉不同频率的交流信号。考虑到功率要足够，实际生活中，变压器输出电压都比额定输出电压高一点，TDA2030用的是双电源OCL供电。所以我们选择的变压器是双12V40W的变压器。432数控电源音量调节采用5V直流稳压电源，用三端稳压集成块7805。7805的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压为输出电压的34V以上。引脚如图16，1脚输入，2脚接地，3脚输出。在电路中的放置如图17，由于稳压芯片远离整流桥的滤波电容，所以为了避免会有交流电出现，加上两个电容C1和C9，去除交流成分。C10和C11是为了防止电路的瞬态响应，改善电路的稳定性。LED灯显示稳压芯片是否开始工作。44散热设计TDA功放芯片工作时候会产生大量的热量，所以必须得安装散热片，本设计中是利用散热效果较好的铝合金散热片，75245CM的规格。由于数控模块电路功率不大，7805稳压芯片工作时候不会产生太大的热量，可以考虑不安装散热片，鉴于安全性，本设计安装了一个小型的散热片。5、电路制作与调试51电路元件的选取本电路采用TDA2030、CD4516、CD4051、7805等芯片，采用桥堆、电阻、电容、开关等普通品。电路板用铜板制作。52电路的焊接用PROTEL画原理图，再按照原理图PCB板并制作PCB板，再按PCB图焊接元件。功放PCB数控PCB53调试与参数设置调试1、对照原理图，检查各个元器件的引脚是否接对了，不对的修改好。2、测量变压器输出电压是否低于14V，高于14V会造成2030工作状态不稳定。3、通电时，用手摸住TDA2030，观察TDA2030，如芯片迅速发烫则立即关断电源，排除故障。4、功放模块不发烫状况下，测量整流桥出来的正负电压是否正常，偏低或偏高都要断电检查，到底是变压器不合格还是电路的问题。5、连接音箱前先测量下TDA2030输出端的直流电压，正常应该很小（接近0）；如直流电压输出很大则不要接入音箱，排除故障后才能接。为了以防万一，我们可以在音箱的线路上串联一个大电容，把直流成分滤掉。6、正负电源千万不能接反；7、TDA2030芯片引脚很容易断，安装时请注意。8、功放模块正常工作后，拔掉数控模块的4516和4051芯片，给数控模块供电，通电时候用手摸住7805，如果快速发烫，马上断电排除故障。9、故障排除后，用万用表测量7805输出电压是否是5V，或者接近5V。测量4516和4051芯片的16脚和8脚，看电压是否是5V。如果不是，检查电路，排除故障。PCB参数设置1、数控音量调节电路部分和集成功放部分要求分别做到2块独立的PCB板（大小为10CM10CM）上，注意留出它们之间的连接头。2、变压器的封装是大3P插头。3、集成功放部分请注意散热问题设计，PCB注意留出散热片安装位置；TDA2030的反面是和负电压连通的，可以不加绝缘片，但要注意不要碰到了“地”。此部分电流较大，请适当加粗铜线；喇叭输出、音频信号输入、变压器电源输入不要靠得太近。4、为了制作和焊接时候方便，一般要求焊盘直径25MM，铜线15MM。（能大就尽量大，以免断线打飞）直径可以3MM5、制作PCB时请注意元件封装要跟实际元器件相符合。6、接口安排54数控音量调节集成音频功率放大器的测试基本内容注意直流电源电压15V，负载电阻为82。将数控音量调节调到最大输入的情况。只测试功放板，数控板不接。1、直流档测量TDA2030A的3、5脚电源电压VCCVDDVO2、测量输出电压放大倍数AU，测试条件接入负载电阻8，调节输入信号1KH，用示波器观察输出信号，幅度最大不失真输出，交流档测量并纪录输入电压（1UF电容左边）、输出电压，计算放大倍数。VIVOAU3、测量上、下限频率FH和FL，测试条件步骤2基础上，输入信号幅度不变，示波器观察输出信号，增大加大输入信号频率，当输出信号峰值下降到步骤2峰值的0707倍时（步骤2输出电压0707VO），此时的频率即为上限频率FH；减小输入信号频率，同样当输出信号下降到步骤2峰值的0707倍时（步骤2输出电压0707VO），此时的频率即为下限频率FL。FHFL4、效率计算由步骤1、2，计算效率。55数据记录与处理负载电阻为83。将数控音量调节调到最大输入的情况。1测量输出电压放大倍数AU。测试条件调节输入信号1KH，幅度最大不失真输出，记录录输入电压、输出电压，填入表2，计算放大倍数。公式放大倍数AUVOM/|VI|电压增益AV20LG|AU|DB表2测量输出电压倍数把测量值经过计算得出，电压增益AV为28DB，基本达到预期，满足实验要求，数据属于正常。2测量上、下限频率FH和FL。测试条件步骤1输入信号幅度不变，加大输入信号频率，当输出信号下降到步骤1输出电压的0707时，此时的频率即为上限频率FH；减小输入信号频率，当输出信号下降到步骤1输出电压的0707时，此时的频率即为下限频率FH。并将数据填入表3。公式通频带BWFHFL表3测量上、下限频率上限频率FH下限频率FH95KHZ20HZ经过测量，通频带为20HZ95KHZ,在误差允许范围内，基本满足任务要求。3效率测试测量TDA2030直流电源电压，计算效率。如表4输入电压VI196MV输出电压VOM51V