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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： 王 自 龙 学 号： 09220118 班 级： 09级自动化一班 同组成员： 武 海 泉 指导教师： 杨新华老师 日 期： 摘 要音频功率放大器，在给定输入下，输出功率较大、失真较小的音频。随着音响技术的普及，人们对音响质量要求越来越高。完美的音响效果给人美的享受。本实验所设计的音频功放，失真度可能大一些，放大倍数也一般，可实现一些基本的，如音源切换，音频放大，音量调节等功能。初步了解音频功放的设计原则，方法，步骤及功能的实现过程。 关键词：音频功放，失真，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 9 3.2.1电路结构及工作原理 9 3.3 均衡电路 9 3.3.1电路结构及工作原理 9 3.4 功率放大电路 11 3.4.1电路结构及工作原理11 3.4.2元器件的选择及参数确定14 4 电路安装、调试与测试 15 4.1电路安装15 4.2电路调试15 4.3系统功能及性能测试16 4.3.1测试方法设计 16 4.3.2测试结果及分析 185 结论29 6 参考文献207 总结、体会和建议21 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。1.2设计要求1、放大器有两个MP3输出输入接口； 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；3、放大器设有音量控制、功率放大功能；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 系统要求本设计要求设计并制作一个音频功率放大电路，其基本性能指标要求达到输出功率范围：1W或5W；输出阻抗：RL=8；输入阻抗：600；电压增益 ：G v =20dB。将两个MP3输出的声音信号放大，设计均衡电路，对音源信号进行高低频调节，可在两音源间选择。2.2 方案设计方案一 采用一般的晶体管分立元件组成音频放大电路，这样虽能达到题目基本要求，但由于电路所用元件较多，导致电路结构复杂，调试困难，稳定性也不高。方案二 采用专用语音集成芯片构成音频放大电路，电路结构简洁，调试安装方便，稳定性得到大幅度提高。综上所述，由于方案一电路结构复杂，调试困难，不采用。方案二既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。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：将来自不同MP3的音频信号选择后输入前置放大器进行电压放大，经均衡电路进行高低频均衡，再经功率放大器进行放大后推动扬声器工作，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：图1 3 . 单元电路设计 3.1音源选择电路 3.11电路结构及工作原理在音频功率放大器中，通常有多路外部音源输入，通过相应的选择电路选择其中的某一路音源。本设计采用电子式音源选择电路，图2、 3为电子式音源选择电路。该电路将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，以选择音源信号。Q和分别接一个发光二极管，显示所选音源。通过按钮开关切换一次音源。 3.1.2电路仿真 图2 图33.1.3元器件的选择及参数确定1、74lS04M六输入非门 图4 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 图5 与其他器件将JK触发器接成T触发器3、 CD4053 三二选一模拟开关 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。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6。 电压增益Au=- R12/R11 图63.3 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，从而使音效符合听力习惯。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7示，而虚线为实际频率特性控制曲线。fo 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 低中音转折频率；fH1 中高音转折频率；fH210fH1 高音转折频率，一般为几十千赫兹。 图7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，同时中频保持不变。图8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8 图8电路中，R5为低音调节电位器，R5左旋到底，低频提升最大；R6为高音调节电位器，左旋到底，可以对高频提升最大；R7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电路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为双声道功放，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9所示，图中C11、C12为耦合电容；C13、C14为滤波电容；R13与C15、R14与C16组成吸收回路（C15、C16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9 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。 图十通道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后，信号被放大。通道1通道2 图十一3.4.2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算放大器RC4558。 电解电容选用CD11系列铝电解电容，耐压均选25V，薄膜电容均选用聚脂膜电容，耐压选50V或63V。电阻除R13、R14选RJ系列10/1W电阻以外，其他均选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R5、R6选用WHX-2型合成碳膜电位器。R7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。 4 电路安装、调试与测试 4.1电路安装 将图2、图6、 图8、 图9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。 安装前应检查元器件的质量，安装时特别要注意功放块，运算放大器，电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错和接反。从输入级开始向后级安装，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，要对电路做详细检查，确认安装无误后才可通电。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，然后级联调试，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）级联调试 在动态调试完成后，可将各级连接起来进行级联调试。确认电路没有明显异常情况后，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 音频放大器输出失真度小于某一数值（如THD1）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R7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THD1），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U11，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。 （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R7使输出电压约为最大输出电压的50。此时R5和R6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。（3） 音调控制特性由Ui2加入频率f1kHz，幅值为100mV的电压信号，并将RW12置于最大值，这时U02作为音调控制器的输入信号（幅度为30mV），输出信号Uo3从输出端耦合电容C34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R5的滑臂端置于最左端，R6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R5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R6的滑臂端分别置于最左端和最右端，R5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。（4） 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。（5） 输入灵敏度 音响放大器输出额定功率是所需的输入电压（有效值）称为输入灵敏度Us。测量条件与额定功率的测量相同，测量方法是，使Ui从零开始逐渐增大直到Uo达到额定功率值时对应的电压值，此时对应的Ui值即为输入灵敏度。（6） 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。（7）整机效率 式中，Po：输出额定功率； 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，音频功率放大器的设计基本完成。其功能符合预期目标，能够实现音源选择、音量调节、音调控制等功能。通过设计这个音频功率放大器，我了解了电路系统的一般设计的基本思维方法和流程，积累了宝贵的实践经验。同时，该音频功率放大器还有许多不如人意的地方。比如：音色失真较大，音量放大倍数不足，功率放大级发热严重等，这些都有待以后的改进。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杨文霞 孙青林 数字逻辑电路M 北京：科学出版社，2007.36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，2005.77 总结、体会和建议第一次真正接触了所学理论背后的实物，其中充满了期待、好奇和挑战。在与同组武海泉的配合下，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，但在老师的指导时，了解到设计中的个别器件买不到，那时的我，在惊喜和骄傲参半的同时，难免有些许失落。除此之外，在设计过程中偶尔产生过烦躁，但来自同组武海泉的鼓励及彼此的支持和努力，让我们俩愉悦的完成了本次设计任务。也许这就是责任、总之，本次实践，首先让我体味到了“纸上得来终觉浅”的真实韵味，也体味到了理论和实际的距离，体味到“理论联系实际”的重要性。其次，在设计电路时，也深深感觉到学好理论知识的必要性和迫切性，也进一步体会到学会和他人合作的重要性及“取长补短，各尽其职”的双赢智慧。与此同时，发现做任何事都需要有耐心，有信心，有决心，胆大心细，方可很好的完成，比如在本次中，无论电路的设计、电路板的焊接，还是最终电路的调试，任何一个环节都需要信心和毅力。在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。例如在硬件制作，电路板的焊接等。由于没有整体仿真结果，我和海泉不敢轻易去焊接电路板，并且在购买器件时采购了双份、，历时三个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”作为当代大学生，尤其作为一名学习电专业学生，本次让我学会了遇到挫折时，应该戒急戒躁，以积极的态度看待问题，并在以后的学习生活中进一步培养自己的创新意识。附录：元件清单名称数量(个)74LS113174LS041RC45582CD40531TDA1521A1电阻50K8电阻15K2电阻10K2电阻500欧3变阻器50K2电阻