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电子技术综合训练设计报告 题目： 音 频 功 率 放 大 器 姓 名： 武 海 泉 学 号： 0 9 2 2 0 1 1 6 班 级： 09级自动化一班 同组成员： 王 自 龙 指导教师： 杨 新 华 老 师 日 期： 摘 要设计的音频功率放大器完成了音源的切换，音频的放大，音量的调节等功能。本次设计的只是一个很基本的音频功放，失真度比较大，放大倍数一般，只是实现了一些基本的功能。 关键词：音频功放，切换，放大，调节 目 录1 设计任务和要求4 1.1设计任务 5 1.2设计要求 5 2.1系统要求 52 系统设计 6 2.2方案设计 6 2.3系统工作原理 63 单元电路设计 7 3.1 音源选择电路 7 3.1.1电路结构及工作原理 7 3.1.2电路仿真 7 3.1.3元器件的选择及参数确定 8 3.2 前置放大电路 10 3.2.1电路结构及工作原理 10 3.3 均衡电路 11 3.3.1电路结构及工作原理 11 3.4 功率放大电路 13 3.4.1电路结构及工作原理15 3.4.2元器件的选择及参数确定16 4 电路安装、调试与测试 17 4.1电路安装17 4.2电路调试18 4.3系统功能及性能测试20 4.3.1测试方法设计 20 4.3.2测试结果及分析 205 结论216 参考文献227 总结、体会和建议23 1 设计任务和要求1.1设计任务 设计并制作一个音频功率放大器，将MP3输出的音乐信号放大。通过上学期对华成英版模拟电子技术基础的学习，要使一个小的模拟信号放大，我们可以通过三极管或运算放大器去实现，要注意不使信号失真。1.2设计要求1、放大器有两个MP3输出输入接口； 实现有两个音源输入，MP3的输出音乐信号为小的模拟信号，幅值约为5mv10mv。2、能够使用电子开关进行音源选择，并且能够用发光二极管指示； 在有两个音乐信号输入时，电子开关可以在两个音乐信号之间选择，并且通过发光二极管显示所选音源。3、放大器设有音量控制、功率放大功能； 在设计电路中要实现对输出信号音量控制，并且实现信号的放大，所以在喇叭的输入端要接入功率放大的装置。4、主要技术指标如下：（1）额定输出功率： 2 1W（或2 5W）（THD0.5%）（2）负载阻抗： 8（3）输入阻抗： 6005、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。7、发挥部分：（1）设计均衡电路（音调电路）；（2）有电平指示功能。8、其他要求 （1）设计报告 （2）作品（3）电路原理图：要求提交两份，一份为CAD/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。9、时间：三周 10、进度安排：（1）第一周 选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；（2）第二周 进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；（3）第三周 电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。 2 系统设计 2.1系统要求课题要求设计并制作一个音频放大电路，将MP3输出的音乐信号放大，设计均衡电路实现对音源信号进行高低频调音，设计电子开关实现两个音源间的选择。基本性能指标要求为：输出最小功率：1W或5W；输出阻抗 ：RL=8；输入阻抗 ：600；2.2方案设计通过对毕满清第三版电子技术课程实验与课程设计的“音频功率放大器实验”章节的学习及在参阅大量书目的前提下，与同组成员讨论，初步设计方案如下：方案一 采用一般的晶体管分立元件组成语音放大电路，这样虽然能达到题目的基本要求，但是由于电路所用元件很多，会导致结构复杂，调试很难，失真度很大，稳定性不高.方案二 采用专用语音集成芯片构成语音放大电路，这样使得电路结构大为简化，调试安装方便，稳定性得到大幅度提高。综上所述：方案一由于电路结构复杂，调试困难，其次作为初次尝试设计电子产品的学生，不易采用。方案二除了可以满足题目中的基本要求外，还能够大幅度提高系统稳定性，使系统更为经济实用。 经过比较论证，本设计采用第二种方案。2.3系统工作原理 设计并制作一个具有以下功能的音频功率放大器：将来自MP3的音频信号经过由CD4053组成的选择电路选择后送入前置放大器进行电压放大，并有JK触发器组成的二极管显示电路显示所选择的音源，音源经RC4553组成的均衡电路进行高低频均衡，再经由TDA1521A组成的功率放大器进行功率放大后推动扬声器工作，该设计具有音源选择、放音扩大、音调控制等功能。 原理方框图如下图所示：音源音源选择择线路输入前置放大音源指示扬声器功率放大均衡电路图2.1：系统原理方框图 253单元电路设计 3.1音源选择电路 3.1.1电路结构及工作原理在音频功率放大器中，设有两路外部音源输入，通过相应的音源选择电路选择其中的某一路音源输出。本设计采用电子式音源选择电路，图2.2图2.3就是使用的电子式音源选择电路。该电路中将74LS113中的一个JK触发器接成T触发器， 其输出端Q接二选一模拟开关CD4053控制端，用以选择音源信号。Q和分别接一个发光二极管，显示相应的音源。通过按钮开关选择音源，每按动一次切换一次音源。 3.1.2电路仿真 图2.2 音源选择电路仿真图 图2.3音源选择电路仿真图3.1.3元器件的选择及参数确定1、74lS04六输入非门 管脚图 图3.1 74LS04管脚图 非门有利于改善逻辑电平质量，便于触发触发器。2、74LS113DJK触发器管脚图将JK触发器接成T触发器，其输出端Q接二选一模拟开关CD4053控制端，用以实现音源选择功能。 图3.2 双下降沿JK触发器74ls1133、三2数子模拟开关引脚说明表一：有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。这些开关电路在整个VDD-VSS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，所有通道截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。如表1本设计中，令VEE,VSS及 INH分别接地。有CD4053真值表知：通过控制A，B，C的逻辑值可以对输入音源进行选择已达到切换音源的目的。3.2前置放大电路 3.2.1电路结构及工作原理前置放大器是将音源信号进行线形放大，满足后级功放级对输入信号幅度的要求，前置放大器可由运放或分离元件构成。本设计选用集成运放RC4558构成前置放大器，如图3.3示。 电压增益 ： Au=-R5/R6=5 图3.3 前置反放大电路图3.4 RC4558管脚图3.2.2、RC4558-双集成运算放大器 图3.4 Ay/By分别为放大器输出端A+A+分别为放大器同相输入端，此电路中接地。、A-A-分别为放大器的反相输入端，此电路中接电阻和输出端。+Vs-Vs分别接电源+12v-12v3.3均衡电路 3.3.1电路结构及工作原理均衡电路的功能是根据需要按一定的规律调节音响放大器输出信号的频率响应，从而达到补偿声学特性，美化音色等目的。它能对音频范围内的若干个频段点分别进行提升和衰减。某一频段点的理想频率特性控制曲线如图3.5示，而虚线为实际频率特性控制曲线。f0 1kHz 中音频率（亦称中心频率），中频增益Au =0dB；fl1 低音转折频率，一般为几十赫兹；fL210fL1 中音转折频率；fH1 中音转折频率；fH210fH1 高音转折频率，一般为几十千赫兹。 图3.5 某一频段点的理想频率特性控制曲线均衡电路的作用是进行音调控制，通常是对放大器的高频或低频的某些频率点的增益进行提升或衰减，而中频保持不变。均衡电路通常是由低通、高通、带通滤波器组成的。图3.6是一个由运放RC4558构成的具有高低音调节功能的均衡电路，可对高频和低频进行提升或衰减。 图3.6 由运放RC4558构成的具有高低音调节功能的均衡电路在图3.6电路中，RP3为低音调节电位器，RP3左旋到底，低频提升最大；RP5为高音调节电位器，左旋到底，可以对高频提升最大；RP4为音量调节电位器。3.4功率放大 3.4.1电路结构及工作原理功率放大级的作用是将来自均衡的信号进行功率放大，本设计采用集成功率放大器TDA1521。下面介绍由TDA1521构成的集成功率放大器。TDA1521是荷兰飞利浦公司生产的双声道功放，可单电源工作，也可双电源工作，在16V电源时可获得212W功率。内部设置了过热保护及静噪电路，接通或断开瞬间有静噪功能，可以在接通或断开瞬间抑制不需要的输入，保护功放及扬声器。该集成功率放大电路性能优良，外围电路简单，广泛应用于大屏幕电视机的音频信号放大电路，以及其他音频设备。集成功放芯片TDA1521各引脚功能如下：管脚1非倒相输入1，管脚2倒相输入2，管脚3地（单电源时1/2Vcc），管脚4输出1，管脚5负电源（单电源时为地），管脚6输出2，管脚7正电源，管脚8倒相输入2，管脚9非倒相输入2。其一般参数有：电源电压：720.0Vr =0.5时输出功率（16V电源）：12W2（8）电压增益：30dB功率放大级应用电路图如图3.7所示，图中C22、C23为耦合电容；C21、C25为滤波电容；R15与C24、R16与C25组成吸收回路（C24、C25可取0.1uF），吸收扬声器线圈在电流突变时产生的反电动势，防止烧坏TDA1521 图3.7 功率放大级应用电路 主要电路仿真，由于Multisim中没有TDA1521，所以根据其内部电路图进行仿真。通道A为输出信号，通道B为输入信号,从波形可以看出输入信号经过整个电路被放大。 图3.8 TDA1521内部电路图通道1通道23.4.2元器件的选择及参数确定 由于要求输出的功率为212W，功率放大器可选用TDA1521。运算放大器可选用性能较好的通用型双运算放大器RC4558。 电解电容选用铝电解电容，耐压均选25V，薄膜电容均选用聚脂膜电容，耐压选50V或63V。电阻R13、R14选RJ系列10/1W电阻，其他电阻均选RT14系列1/4W、10精度的碳膜电阻器，或选用1/4W的金属膜电阻。电位器RP3、RP5选用碳膜电位器。RP4选用同轴电位器用来同时控制左右声道的音量。 系统的增益（dB）应是各单元电路增益（dB）之和。TDA1521Z在额定输出时，若RL=8，VCC=16V，则最大不失真输出电压为Uom=10V。系统电压增益为66dB。 按照上面元器件参数的选择，均衡电路的增益均已设计为0dB，功率放大器TDA1521内有30dB的增益，前置放大器的增益可选为20dB，由此可以确定前置放大器中电阻的取值。该设计中，前置放大器的增益选为约5dB,即R4=R6=10K,R5=R7=47K.4电路的安装与调试4.1电路安装 将图1.1，图3.3，图3.6,图3.7进行连接，就是整个系统的电路原理图。音频功率放大器是一个小型电路系统，安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布局，功放应远离输入级，每一级地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易出现自激。 安装前应检查元器件的质量，安装时特别要注意功放块要添加散热片，运算放大器，电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始依次向后级安装，也可以从功放级可以向前逐级安装。安装一级调试一级，安装两级要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。4.2电路调试 电路安装完毕后，要对电路做一详细检查，确认安装无误后放可通电。通电后先检查电路有无明显异常现象，若有异常现象，说明有故障，应予以排除，若无异常现象则开始调试。调试时先分级调试，然后级连调试，分级调试分为静态调试和动态调试。（1）静态调试 将信号输入端对地短路，测量各级电路关键点的直流电压，看看是否正常，若不正常，检查电路，排除故障。如运放为正负电源对称供电时，输出点直流电位应为0V，若不为0V，则电路有故障，应检查并予以排除，检查电路是否有自激现象。 （2）动态调试 分别在各级电路的输入端接入输入信号（一般是一定幅度和频率的正弦波信号），观察关键点上的波形是否正常，若有故障，检查并及时排除。（3）级连调试 在动态调试完成后，可将各级连接起来进行级连调试。确认电路没有明显异常情况口，在输入端加入510mV正弦信号，检查各级电路是否正常。若不正常，则从前级开始，逐级向后检查并排除故障，然后调节各电位器，检查是否受控，控制是否正确。4.3系统功能及性能测试 4.3.1测试方法设计 （1）额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值（如THD5）时的最大功率称为额定功率。其表达式为 式中，RL为额定负载阻抗；Uo（有效值）为RL两端的最大不失真电压。测量Po的条件如下： 信号发生器输出频率f1kHz、电压Ui1从2mV开始逐渐加大到20mV左右，音量控制电位器Rw11置于最大值，用示波器观测Ui1及Uo的波形。测量Po的步骤是：功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（代替扬声器），逐渐增大输入电压Ui1，直到Uo的波形刚好不出现削波失真（或THD5），此时对应的输出电压为最大输出电压，由上式即可算出额定功率Po，请注意，最大输出电压测量后应迅速减小Ui，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。本课题中，P0=12W, RL=8,Uom=10V. （2）频率响应 放大器的电压增益相对于中音频fo（1kHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音频率fL和高音频率fH称为放大器的频率响应。测量条件同上，调节音量控制电位器Rw11使输出电压约为最大输出电压的50。此时RW1和RW2必须放在中间位置。测量步骤是：使信号发生器的输出频率从20Hz至20KHz变化（保持Ui15mV不变），测出负载电阻RL上对应的输出电压Uo，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注fL和fH的值。音调控制特性容C9的负端引出。先测频率为1kHz处的电压增益Auo约0dB，再分别测低频特性和高频特性。测低频特性：将RP1的滑臂端置于最左端，RP2置于中间位置，频率从20Hz至1kHz变化，记下对应的电压增益（低频提升）。再将RP1的滑臂端置于最右端，频率从20Hz至1kHz变化，记下对应的电压增益（低频衰减）。同样，测高频特性是将RP2的滑臂端分别置于最左端和最右端，RP1置于中间位置，频率从1kHz至20KHz变化，分别对应高频提升和高频衰减，记下对应的电压增益。最后绘制音调控制器特性曲线，并标记fL1、fL2、fo（1kHz）、fH1、fH2频率对应的电压增益。（3） 输入阻抗 从音响放大器输入端看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。(4)噪声电压 音响放大器的输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压UN。测量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观测输出负载RL的电压波形，用交流电压表测量其有效值。（5）整机效率 式中，Po：输出的额定功率；由UI加入频率f1kHz，幅值为100mV的电压信号，并将RP1置于最大值，这时U0作为音调控制器的输入信号（幅度为30mV），输出信号Uo从输出端耦合电 Pc：输出额定功率时所消耗的电源功率。4.3.2测试结果及分析接入两个音源信号，按动按钮开关，进行音源之间的切换，选择不同的音源。将MP3输出的音乐信号，接入前置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调应发生明显变化。改变音量调节电位器，扬声器的音量明显发生变化。5 结 论记过三周的设计和制作，音频功率放大器的基本设计完毕。其功能符合预期目标，能够实现音源选择、放音扩大、音调控制等功能。通过设计这个音频功率放大器,我们不仅掌握了电路方面许多的知识，而且学会了电路系统的一般设计的基本思维方法和流程，为以后工作学习留下了宝贵的实践经验。然而，在现实生活中，人们对音响的要求是越来越高，由于课程设计时间较短，在一些方面做得不够完善，该音频功率放大器还有许多不如人意的地方。比如：在音色失声较大，音量放大倍数不足，功率级发热严重等，这些都有待改进。6 参考文献 1谢自美.电子线路设计、实验、测试M.华中科技大学出社,2000.52高吉祥.电子技术基础实验与课程设计M.电子工业出版,2005.83刘修文 实用电子电路图集M.中国电力出版社,2006.94邱关源.电路原理（五版）.北京:高等教育出版社,2006.35康华光.电子技术基础-模拟部分M北京：高等教育出版社2000.76杨文霞.孙青林 数字逻辑电路M 北京：科学出版社，2007.37毕满清.电子技术实验与课程设计（第三版）M北京：机械工业出版社，2005.78华成英.模拟电子技术基础（第四版）M北京： 清华大学出版社，2006.17 总结、体会和建议第一次与同组王自龙尝试设计电路，其中充满了期待、好奇和挑战。在与王自龙的积极配合下，经过一周的努力，我们设计、比较并最终确定了我们的第一方案，但在老师的指导