《模拟电子技术》课程设计-卡拉OK电路设计.doc

模拟电子技术课程设计说明书 卡拉ok电路 学 院： 学生姓名： 同组成员： 指导教师： 职称/学位 专 业： 班 级： 学 号： 完成时间： 课程设计评定意见指导老师评阅意见指导老师签字：指导老师评定成绩教研室意见教研室主任签字：模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程 指导教师曹才开学生姓名课题名称卡拉ok电路内容及任务一、设计任务设计一个卡拉ok电路，该电路以电脑或手机耳机接口的输出信号作为输入，首先将原音乐信号进行前置放大，再将音乐中的人声信号消除，保持背景音乐，再通过叠加电路将话筒的输出信号叠加进背景音乐，经功放电路输出，电路设计方案自行确定。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、 单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标1、 基本要求与指标1、保持背景音乐不失真的情况下，尽可能完整地消除人声；2、现场声音经话筒能与背景音乐叠加；3、系统输出经过扬声器能发出清晰的背景音乐与现场声音；二、扩展要求与指标1、系统能带8扬声器作为负载；2、电路能够调节消除人声后的背景音乐；3、自行设计音量可以调节的话筒电路；进度安排起止日期工作内容 6月6日至8日 电路参数和原理的分析和计算 6月9日至11日 电路原理图的仿真和调试 6月12日至14日 电路元件的选择和购买 6月15日至18日 pcb图和印制板的制作 6月19日至21日 实物的焊接和测试 6月22日至24日 文件档案的书写 6月26日 答辩主要参考资料1曹才开、张丹、罗雪莲主编.电路与电子技术实验m.湖南：中南大学出版社，2010年2施颂生。无线电接收与音响技术m，湘潭大学信息工程学院，2004年3月3汤韬，彭妙颜等，家庭及歌舞厅卡拉ok（av）系统m，广东科技出版社，1993年12月4段九州，放大电路使用手册m，辽宁科学技术出版社，2002年5月5 康华光主编.电子技术基础模拟部分第五版m.北京：高等教育出版社，2006年 指导老师意见签名： 年 月 日 教研室意见签名： 年 月 日摘要卡拉ok话筒都在近距离使用，为了达到良好的效果，要求话筒具有特殊的近讲效应和指向效应，以改善性能和抗环境干扰。也就是说，话筒的灵敏度在低频端随着声源的远近而改变：距离越近低频灵敏度越高。高价值的卡拉ok话筒还装有爆炸声滤波器，使过度的呼吸噪声、砰声降到最小，实现完整、丰满的声重放。卡拉ok话筒另一个重要特征是在话筒的壳体上装有控制开关，使您在演唱的时候实现一些特殊的音响效果。特别设计的防振措施，能有效防止手持时的摩擦噪声，使您的演唱低音层次分明，高音明亮悦耳，音质柔和优美，富有感染力。td2030是四运放集成电路，它采用5脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的位相反;vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。关键词：低通滤波器、带通滤波器、前级放大、音频功放电路目录1.卡拉ok电路设计方案11.1卡拉ok电路的应用11.2设计要求目标21.3 设计思路与方案22 卡拉ok电路设计32.1电路方框图32.2原理电路及分析42.2.1前置放大级电路42.2.2滤波器电路的设计62.2.3 功率放大器的设计102.3 元器件清单123. 卡拉ok电路组装与调试143.1印制电路板与安装143.2调试过程164. 直流稳压电源165. 测量与分析175.1测试结果175.2结果分析17心得体会18参考文献19附录a 印制电路板制作所需材料20附录b 卡拉ok电路印制电路板原理图211.卡拉ok电路设计方案 1.1卡拉ok电路的应用现在，卡拉ok机已不是什么新鲜东西，然而，对这样一种大众化的产品，我们的了解却不是很多。为了更好地了解卡拉ok机。当然，如它的起源、发展以及工作原理，我们将设计制作一种模拟式延时混响的卡拉ok机。首先介绍一些卡拉ok的相关知识。 卡拉ok愿意为“无人乐队”，是在70年代中期由日本人发明的，大家俗称卡拉ok伴音机。卡拉ok问世后逐渐向世界各地扩散，并掀起阵阵热潮。在国内，卡拉ok受到人们的普遍欢迎，卡拉0k歌舞厅、卡拉0k茶座等遍地开花，掀起卡拉0k 热潮.随之而来，伴随着卡拉0k热掀起，片拉0k在其他的领域中的移植也形成热点， 例如在组合音响中增罝卡拉0k功能，出现带荷卡拉0k功能的组合音响，卡拉0k激光唱 片以及“卡拉0k”浓像机等。而卡拉0k组合音响成为家喻户晓的种娱乐性音响设备。 卡拉0k的演唱形式各个国家存在很大茇异。日本人喜欢用旋律突出的曲子一个人慢慢地唱着取乐，而欧美人则往往选择节奏明快的曲子几个人合着拍子唱。在美国酒吧如果有人像唱叙事诗那样慢悠悠地唱卡拉0k的话，大概会引来一片嘘声。大多数看到的情况是他们选抒尽可能上口的曲子，两三个人有时甚至多达十儿个人一起登台，打着拍子大声的唱。在这样的气氛中，既能自娱自乐又达到了互相沟通。 在我国，卡拉0k的兴起还是80年代中期的事，然而发展非常迅速。80年代木，以激光电视唱片和唱机为主体的卡拉0k歌舞厅，由深圳等沿海开放城帘向内陆大中城市迅速发展。近两年，录像机以每年几十万、上百万台的销售傲普及到家庭和单位，国产的卡拉0k录像带已大量上市，现在国内已能生产pal制激光电视唱机和pal 制卡拉0k激光电视唱片，因而，卡拉0k三大音像源(录音带、录像带、激光电视唱片） 齐全，其内容也越来越适合国内群众演唱，卡拉0k热，方兴未艾。具有卡拉0k功能的音像设备随之走俏，已有音像设备的家庭、单位和公共娱乐场所。对卡拉ok功能的需求正在增加。随着数字电子技术和计算机技术的发展，人们发展出了体积更小容量更大操作更方便的卡拉ok机.以下是三种新型的的卡拉ok机：（1）dv卡拉ok机0其特点是把影视画面和伴唱的声音变成数字信号经过大幅度的信息压缩存入 cd大小的影碟当中，不但声像具佳，而且一张可以播放74分钟。机器占地面积更小， 软件价格底，选曲比ld快，因此一投放市场就受到用户的欢迎。（2）电脑卡拉ok机随着计算机技术和lsi技术的进步，电脑作曲和电子音乐蓬勃犮展起来，这都为电脑卡拉0k的实现提供了可能。电脑卡拉ok是把电脑作出的图象和用电子乐器演奏的卡拉ok曲子，存入大规模半导体存储器之中。在播放时通过计算机取出图象和音乐数据，恢复电视上的图象和伴奏的乐曲。现在已经有一种叫做tv-ok的和电视机组合在一起的卡拉ok电视在我国开始销售。使卡拉ok机与电视机得到很好的结合。（3）通讯卡拉ok机通讯卡拉ok机是计算机音乐的远距离应用。在本部设置的计算机发出的音乐数据在isdn线路或普通的模拟线路进行传输，被用户端设罝的卡拉ok机接受，通过内部的控制器再变成mtdi数据，midi音源演奏出来。近年来，由于具有卡拉0k功能的cd-g播放器和video cd(数字视频cd)机等的市场的不断壮大，卡拉0k专用的大规模集成电路的销售市场也在急速增长。目前的卡拉0k通常具有三大功能：一是混响功能，二是歌声消除功能，三是变调控制功能。 本设计主要考虑的是混响功能，其混响部分主要由延时电路组成，延时有模拟延时和数字延时，一般说来，后者的效果比前者更好。这是因为模拟式卡拉0k机用bbd 作延时混响电路，会带来信噪比低、失真大、通频带窄、动态范小等缺点，而数字式卡拉ok机克服了上述这些缺点，以噪声低、频率响应好、动态范围宽等优点来 获得令人满意的回声、余音和混响效果。1.2设计要求目标保持背景音乐不失真的情况下，尽可能完整地消除人声；现场声音经话筒能与背景音乐叠加；系统输出经过扬声器能发出清晰的背景音乐与现场声音并且能够调节话筒音量。1.3 设计思路与方案卡拉0k机的系统组成框图如图1所示。话音信号放大适当比例后，其输出信号分成两路：一路良接送入语音放大级，再进行滤波处理；另一路经音乐放大器，再加上音乐中人声的消除，此两路路信号叠加在一起， 混合放大后送入音调控制电路，再经音频功率放大，在扬声器输出动听的混响声。喇叭输出功率放大音调调节人生滤波杂音滤波音乐放大语音放大音乐话音图1 模拟卡拉ok机系统组成框图由图1.3.1可看出，该系统分成话音放大、音乐前置放大、电子滤波器、音调控制和 音频功率放大等电路，之后我们便只需对各单元电路进行设计即可。在本次设计中所涉及到的放大电路既可用分立元件实现，也可用集成运放。考虑到设计的方便性以及集成运放性能的优越性，均采用集成运放来实现。2 卡拉ok电路设计2.1电路方框图喇叭输出音量调节电路功率放大器滤波器前置放大器低通滤波器左声话筒图2 卡拉ok电路原理框图本课题中卡拉ok原理框图如图2所示：本电路由左声、右声输入带原唱的音乐，再由滤波器得到消除人声的音乐；话筒收集人声，通过前置放大电路进行扩音，然后用滤波器滤去杂音，再用功率放大电路和音量调节电路进行功率放大和音量调节，最后用额定功率的喇叭输出。2.2原理电路及分析2.2.1前置放大级电路在歌舞厅、会堂以及家庭等场合，广泛使用的放大器分为音频放大器（亦称声频放大器）tav放大器（视听放大器）两类。音频放大器又分前置放大器和功率放大器两种，它们只接收、放大、处理音频信号；而av放大器可以接收、放大、处理音频和视频信号。在音频放大器中，前置放大器（又称电压放大器、控制放大器）的作用是对它的输入各种音频节目源信号进行选择和放大，并调整输入信号的频响、幅度等，以美化音质。对各种节目源信号（如激光唱机、电唱机、调谐器、录音机或传声器）进行选择与处理；将微弱的输入信号放大到0.5-1v，以推动后续的功率放大器；进行各种音质控制、以美化音色。因此它的控制旋钮多、性能高，对改善整个音响系统的性能，提高音质、音色，以高保真的指标对音频信号进行切换、放大、处理并传递到功放级，具有极为重要的作用。它的地位和重要性相当于调音台，因为它的输入接自各种节目源信号，它的输出传输给功放和扬声器放大器也可以说是整个音响系统的控制中心。显然，在设计和选用音响系统设备时，采用前置放大器就不必再用调音台，或者反之，采用了调音台就不必选用前置放大器。从结构、能以及功能来说，前置放大器要比调音台简单些。前置放大器的主要性能指标有：失真度、信噪比、频率响应、转换速率（sr）、输入阻抗和动态范围等。失真度：失真包括谐波失真和互调失真等，当然其值越小越好。作为高保真前置放大的最低要求，其谐波失真应0.5%。目前，前置放大器的指标可做得很高。谐波失真一般能做到小于0.01%，瞬态互调失真大多在0.05%以下。由于从话简输出的信号比较弱，不便于信号处理,故需经过前置放大级的放大后 才有利于后级的信号处理。放大电路既可用同相输入比例运算放大电路，也可用反相输入比例运算放人电路，此部分电路设计将采用后者，所用的集成运放为ne5532a1，用双电源供电，接线如图3所示。图3 前置级放大电路由图可知： （1） 根据式（1）可以设计出前置级放大电路的rf、r1、r2. 2.2.2滤波器电路的设计（1）有源低通滤波器的设计对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能使特定频率范围的信号顺利通过，而阻止其它频率的信号通过。滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，若滤波电路由无源元件（电阻、电容、电感)组成，则称为无源滤波电路。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)组成，则称为有源滤波电路。由于无源滤波电路的频率特性受负载的影响，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器如图4所示，这样就构成了有源滤波器u 图4 有源滤波器低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。有源低通滤波器计算 ：利用r、l、c所组成的滤波电路称作无源滤波器，它有很多的缺点。其中的电感l本身具有电阻与电容，使得输出结果会偏离理想值，而且会消耗电能。若只利用r、c再附加放大器则形成主动滤波器，它有很多的优点，例如：不使用电感使得输出值趋近理想值；在带通范围能提高增益，减少损失；用放大器隔离输出、入端，使之可以使用多级串联。截止频率： （2）电压增益： （3） 图5 有源低通滤波器图5为有源低通滤波器，其电压回路公式： （4）其实际增益为： （5）增益值是频率的函数，在低频区极小，rc 1，av() = 0信号不通。本课题通过频率为200hz。rc= 1时是通与不通的临界点，此时的频率定义为截止频率： (6)得到的幅频特性曲线如图6所示 图6 有源低通幅频特性曲线本电路选择了八脚管的ua741单运放，其管脚图和内部结构如图7所示： 图7 ua741引脚图(2) 带通滤波器的设计一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚轮现象，并且使用每十倍的衰减幅度db来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚轮范围越来越小，铜带就变的不在平坦，开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。 除了电子学和信号处理领域之外，带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域，很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据，这样数据域中就只保留了作为干扰的气旋。在频带较低的剪切频率和较高的剪切频率之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是和之间的差值。带通滤波器值允许在某一个通频范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或者抑制，注意：要将高低的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。如图8所示。 图8 有源带通滤波器电路图有源带通电路输出波形如图9所示： 图9 有源带通电路输出波形 二阶带通滤波器的通带频率： （7） （8）二阶低通滤波器的截止频率： （9）用于低通级电阻： （10）由式（9）可以通过人声的通频范围600hz5khz测算出r、c的理论值为5k、0.1f。本带通滤波器用的集成芯片为op07ah，其管脚图如图10所示 图10 op07ah集成芯片引脚图2.2.3 功率放大器的设计音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。前置放大主要完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。 （11） （12）根据这两个公式可得，若后级功率放大器的电压增益设置为200，则前置放大电路电压增益至少为，设计中将其数据取为2。音频功率放大器各级增益的分配，前级电路电压放大倍数为2；音频功放的电压放大倍数为200。根据该设计思路及实验提供器件，我采用了tda2030功放芯片，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，另一特点是输出功率大，而保护性能比较完善。由放大增益： （13）可得，因为au为200，所以uo=8v。其引脚图如图11所示: 图11 集成芯片td2030引脚图音频功率放大器后级电路图如图12所示: 图12 音频功率放大器后级电路经过该级运算放大电路的放大，由可得下一级输入电压。音频功率放大器仿真波形如图13所示： 图13 音频功率放大器仿真波形2.3 元器件清单表1 卡拉ok电路元件清单序号名称型号与规格数量1电阻1m1个2电阻100k2个3电阻20k3个4电阻10k4个5电阻5k1个6电阻7.5k1个7电阻3.4k3个8电阻3k2个9电阻2k1个10电阻1k2个11电阻4001个12电阻1002个13电阻11个14电容220f3个15电容2200f1个16电容22f2个17电容1f2个18电容0.1f6个19电容22nf4个20电容11nf2个21电位器1k1个22电位器10k1个23驻级体话筒1个24喇叭80.5w1个25集成芯片ua7411个26集成芯片op07ah4个27集成芯片td20301个28集成芯片ne5532a12个29耳机接线1个3. 卡拉ok电路组装与调试3.1印制电路板与安装印制电路板的pcb（printed circuit board中文全称: 印刷电路板）图制作：先将卡拉ok原理图制作成原理图如图14： 图14 卡拉ok电路印制电路板原理图再根据原理图的元件实物构造完成元件的封装图。通过原理图和做好的元件封装图可以用ad（alitum designer ）软件完成pcb图，得到图15 如下： 图15 卡拉ok电路pcb工程图完成pcb图就可根据原理图和表1卡拉ok元件清单购买实物元件，并且购买印制电路板以及腐蚀剂进行板子的制作。测试电阻数值和电容数值，将印制电路板进行打印和腐蚀（打印和腐蚀过程忽略），接着进行电路板的钻孔，最后进行焊接。可得实物图如下图16： 图16 卡拉ok电路实物图3.2调试过程(1)合理布局，分级装调卡拉ok机是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理亦局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，功放级要远离输入级，毎一级的地线尽童接在一起，连线尽可能短，否则很容易产生自激。安装前先检査元器件的质量，安装时注意功放块、运算放大器、电解电容等主 要器件的引脚和极性，不可接错。从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装。安装一级调试一级，安装两级要进行级联调试，直到整机安装调试完毕。（2）整机功能试听调试完毕可用扬声器代替负载电阻r1进行功能试听；话音扩音将话简接话音放大器的输入端。应注意，扬声器输出的方向与话简输入的方向 相反，否则会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音童电位器，可控制声音大小。4. 直流稳压电源ua741运放需要直流稳压电源，则我们制作了一个有12v，9v，5v三个档位的直流稳压电源，电源实物图如下图13：由实物图可知，电源由元件电容、电阻、变压器、二极管等构成，具体型号和数量在表1-卡拉ok电路元件清单可得知。 图13 直流稳压电源的实物图直流稳压电源的制作是根据书本知识，由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分构成。将电源接入二阶有源带阻滤波器就可以使用。 5. 测量与分析5.1测试结果1 驻级体话筒的输入电压约为5.16mv：2 音乐放大级的输出电压约为532mv：3 喇叭输出的电压约为50.06mv。5.2结果分析经过测试卡拉ok电路只有一部分能正常工作，能准确的将输入的音乐完整的从喇叭输出，但是从话筒输入的人声，输出却不够清晰。经过简单测试，将话筒输入的人声经低通滤波后的输出直接接喇叭的输入，得到的声音明显受到了很大的干扰。检查元器件的型号和规格都没有问题，经过进一步测试，发现是低通滤波器的焊接有问题，以及电路板打孔不合适引起的错误。最后，经过改进并重新焊接，卡拉ok电路能正常工作。不足之处是音量不大，因为喇叭输出功率原本就不大，以及放大倍数较小。心得体会 通过本次课程设计，了解到自己学识尚浅。本以为卡拉ok机贴