【毕业学位论文】（Word原稿）基于音响设备系统的设计与制作-电子信息工程

题目 基于音响设备系统的设计与制作 作者姓名 楮雄军 指导教师 郝云芳 二级学院 电气信息工程学院 专 业 电子信息 工程 学 号 7012 年 4 月 15日西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 I 基于音响设备系统的设计与制作 摘 要 本文介绍了音响放大器的原理和设计方法 计一种具有电子混响、音频控制的音响放大器。通过本课题的设计，要求了解小信号放大器、功率放大器、音调放大器等电路和其它外围电路的设计与主要性能的测试方法，并掌握电路的计算机仿真的方法，确定整机电路的级数，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。掌握每个电路中需要的集成电路的原理和功能，了解构成电路的主要类型，因为设计的是一种简单的音响放大器，因此考虑到的是它的实用性。即使用的方便性、简单性、高效性以及功放效果好等优点。 关键词 ：电子混响；功率放大；音调放大 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 on of he of of F of F of of of of to of of to by of C in of of is of to a to 安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 录 引 言 . 1 1 音响放大器的设计任务及基本原理 . 2 响放大器的设计任务 . 2 计规划 . 2 要技术指标 . 2 响放大器的基本原理 . 2 响放大器的基本组成及各部分电路原理 . 2 调控制器 . 5 率放大器 . 9 2 响放大器主要技术指标及测试方法 . 12 述主要的技术指标 . 12 试方法 . 12 3 实际电路的设计 . 14 . 14 率放大器的设计 . 14 调控制器（含音量控制）的设计 . 15 筒放大器的设计 . 16 合前置放大器的设计 . 17 机电路图 . 17 用的元器件 . 18 . 18 . 19 . 21 4 电路的安装调试 . 24 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 理布局，分局装调 . 24 路调试技术 . 24 机功能试听 . 25 结 论 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 28 附 录 . 29 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 1 引 言 音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906 年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。 1927 年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如 威廉逊 放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，至50 年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。 60 年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。在 60 年代初，美国首先推出音响技术中的新成员 了 70 年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大 集成电路被广泛用于音响电路。 70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达 90：在中、低音 频区， 视为开路；在中、高音频区， 2 可视为短路。 图 1调控制电路 （ 1） 当 0 时，音调控制器低频等效电路如图 1示，其中图 1a）为 1滑臂在最左端，对应于低音频提升最大的情况，图 1b）为 1臂在最右端，对应于低音频衰减最大情况。图 1a）实质上是一个一阶 有源低通滤波器，其传递函数表达式为： （ a） 低音频提升 (b) 低音频衰减 图 1调控制器低频等效电路 12121./1/1)( （ 1 式中 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 7 2111或 211 21 221212 或 221212 2 1 时， 2C 可视为开路，运放的反相输入端为虚地，因运放输入电流 0I ， 4R 影响可忽略，此时电压增益为： 121 R （ 1 1 时，由式（ 1 )1()211 j u （ 1 模为 22 1 211 （ 1 此时电压增益相对 降了 2 时，由式（ 1 )101()1(1212 u （ 1 模为 1 212 （ 1 此时电压增益相对 降了 17 21 范围内，电压增益衰减速率为 。 同样可得出图 1b）所示电路表达式，其增益相对于中频为衰减量。音调控制器工作在低音频时，幅频特性如图 1半部虚线所示。 （ 2） 当时，音调控制器高音频等效电路如图 1-8(a)所示。在高音频段 1C 、 2计） 基于音响设备系统的设计与制作 8 可视为短路， 4R 与 1R 、 2R 组成星形联接，为分析方便，将其转换成三角形联接后的等效电路如图 1-8(b)所示。 (a) 高音频等效电路 (b) 三角形联接后的等效电路 图 1音调控制器高频等效电路 电阻关系式为 : )/( 24141 a )/( 14242 b )/( 42121 c 若取 421 ， 则 421 333 这时高频等效电路如图 1示，图 1a）为 2滑臂在最右端时，对应于高频提升最大的情况，图 1-9(b)为 2臂在最左端时，对应于高频衰减最大的情况。该电路为一阶有源高通滤波器，其传递函数表达式为 43./1/1)( （ 1 333 )(1 或 331 )(21 3341 或 332 21 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 9 （ a） 高频提升 （ b 高频衰减 ） 图 1高频等效电路 通过低频等效电路相同方法分析，可得到以下关系式： 1 时， 3C 可视为开路， )0(10 1 时， )3 2 时， )17(0 04 2 时， 3C 可视为短路，电压增益为 33 /) （ 1 21 范围内 ,电压提升速率为 200 倍频程，音调控制器高频时幅频特性如图 1右半部虚线所示。 实际应用中，通常是给出低频区 高频区 的提升量或衰减量 x(再根据下式求出转折频率 )( 12 LL )( 21 HH 即 62 2 （ 1 61 2/ （ 1 率放大器 功率放大器的作用是给音响放大器的负载 声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线性失真尽可能的小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有单电源供电的 集成运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器芯片。 （ 1） . 成音频功率放大器 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 10 功率放大器的作用是给负载 供一定的输出功率。当负载一定时，希望功率 放大器的输出功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。 由于集成功率放大器具有性能稳定，工作可靠，安装与调试简单等优点，因此在音响设备中普遍采用集成功率放大器。 图 1集成功率放大器 内部电路图，它们由输入级、中间级（第二级和第三级）和输出级三部分组成。 输入级是由 成的单端输入、单端输出的差动放大电路。外接电源 过5 组成的分压网络，在端点 10 上产生直流电压 值等于 。该直流电压通过电阻 1 的基极，作为 基极偏置电压。输出端点 1 通过 到 的基极，实现交直流负反馈。其中，直流负反馈用来稳定输出端点 1 的直流电位，使它维持在 上。交流负反馈用来稳定整个放大器的增益，并改善放大器的非线性失真。 中间级由第二级和第三级组成。其中第二级是由 组成的电流串联负反馈放大器，组成的镜象恒流源是该放大器的集电极有源负载。因此第二级放大器具有很高的增益。第三级是由 组成的电流串联负反馈放大器，它为输出级提供所需的推动电压。 输出级是由 14 管组成的互补对称功率放大电路 。其中， 成等效的， 成等效的 。为了克服交越失真，将 集电极直流电压通过 到 和 的基极，同时，电源电压 过 到 的发射极，并通过 11 管加到输出端点 1，以保证加到 B、 E 间的静态电压大于各管的导通电压，而 所需的偏置电压则由 提供。 图 1成功率放大器 内部电路图 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 11 （ 2） 图 1式电路图 该电路外部元件的作用如下： 电容名称从左到右： 与内部电阻 成交流负反馈支路，控制电路的闭环电压增益 即 : 位补偿。 小，频带增加，可消除高频自激。 般取几十至几百皮法。 输出端的耦合电容，两端的充电电压等于 ， 般取耐压 大于 的几百微法电容。 反馈电容，消除自激振荡， 自举电容， 使复合管 导通电流不随输出电压的升高而减小。 输入端的耦合电容。 4 滤除纹波电压，一般取几十至几百微法。 用来滤去高音频分量，改善声音质量。 电源滤波，可消除低频自激。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 12 2 响放大器主要技术指标及测试方法 述主要的技术指标 有额定频率，频率响应，音调控制性，输入阻抗，输入灵敏度，噪声电压，整机频率。 试方法 1. 额定功率 音响放大器失真度小于某一数值（如 5%）时的最大功率称为额定功率，即式中 额定负载阻抗 ： （ 2 效值） 测量 条件：信号发生器输出频率 出电压 0调控制器的两个电位器 于中间位置，音量控制电位器 于最大值，双踪示波器观测 0 的波形，失真度测量仪监测 波形失真。测量 步骤是：功率 放大器的输出端接额定负载电阻 替扬声器），输入端接 渐增大输入电压 到 波形刚好不出现削波失真（或 3%），此时对应的输出电压为最大输出电压，由上式可算出额定功率 注意，最大输出电压测量后应迅速减小 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 电压增益下降 3量条件同上，调节 输出 电压约为最大输出电压的 50%。测量步骤是：话筒放大器的输入端接 0出端接音调控制器，使信号发生器的输出频率 200化（保持 0变），测出负载电阻对应的输出电压 用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 13 3. 音调控制特性 00音调控制级输入端耦合电容加入， 输出端耦合电容引出。先测 1 0再分别测低频特性和高频特性。测低频特性：将 滑臂分别置于最左端和最右端时，频率从 20化，记下对应的电压增益。同样，测高频特性是将 滑臂分别 置于最左端和最右端，频率从（ 150） 化，记下对应的电压增益。最后绘制音调特性曲线，并标注 频率对应的电压增益。 4. 输入阻抗 从音响放大器输入端（如话筒放大器输入端）看进去的阻抗称为输入阻抗 R。如果接高阻话筒， 远大于 20电唱机， 远大于 500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 使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压（有效值）称为输入灵敏度。测量条件与额定功率的测量相同。测量方法是，使 零开始逐渐增大直到 到额定功率值时对应的电压值，此时对应的 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 N， 测量条件同上 。测量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载 交流电压表测量其有效值。 7. 整机效率 %100 2 式中 输 出 的额定功率； 输出额定功率时所消耗的电源功率。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 14 3 实际电路的设计 计过程 设计电路 ： 本题的设计过程为：首先确定整机电路的级数， 再 根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。本题已经给定了电子混响器电路模块，需要设计的电路为话筒放大器，混合前置放大器，音调控制器及功率放大器。根据题意要求，输入信号为 5输出功率的最大值为 1W，因此电路系统的总电压增益 ，由于实际电路中会有损耗，故取，各级增益分配如图 3示。功放级增益 集成功放块决定，取00(40音调控制级在 ，增益应为 1(0但实际电路有可能产生衰减，取 2话放级与混合级一般采用运算放大器 ，但会受到增益带宽积的限制，各级增益不宜太大，取 (0上述分配方案还可以在实验中适当变动。 图 3级电压增益分配图 率放大器的设计 由于采用集成功率放大器，电路设计变得十分简单，只要查阅手册便可得到功放块外围电路的元件值，如图 3示。 其功放级的电压增益440 100 得 200 如果输出波形出现高频自激 (叠加毛刺 )，可以在 脚与 脚之间加 0 15 F 的电容。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 15 图 3率放大器 调控制器（含音量控 制）的设计 音调控制器的电路如图 3示。运算放大器选用单电源供电的四运放 中 为音量控制电位器，其滑臂在最上端时，音响放大器输出最大功率。 转折频率 22 6/2X =400 1 210=40 6/2X = 210 125 能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽略，但也不能太小，否则流过它 们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧至几百千欧。现取 70 32=47则 32) +1(20 8 11 2 F 取标称值 0 01 F，即 32=O 0 b= 1R =3 2R =3 4R 则 31=7413) 20安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 16 a /10=14 1 取标称值 13 21 2 3321490取标称值 510 70 0级间耦合与隔直电容 35=10 F 图 3调控制器 筒放大器的设计 图 3示电路由话筒放大电路组成。其中 A 组 成同相放大器，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大器电路，其放大倍数1 1+11=四运放 频带虽然很窄 (增益为 1 时，带宽为 1但这里放大倍数不高，故能达到 10 频 响要求 。 电路图： 图 3筒放大器 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 17 该电路在 的仿真如图 3示，其中 A 通道为输入端 通道为输出端 40 大倍数为 0/5=8,满足设计框图的要求。 元件参数选用： 电阻： R =10K R =68K R=10K *2 电容： C =10 =1成电路： 混合前置放大器的设计 混合前置放大器的电路由运放 A 组成，这是一个反向加法器电路如图 3出电压表达式为 (元件参数选用： 电阻： R =10K R =39K R =39K R=10k *2 10k 10k 电容： C =10 =10 =10 =10 =10集成元件： 据图 3 5 的增益分配，混合级的输出电压 37 5话筒放大器的输出经 达到了 要求，即 9以取 22。 录音机输出插孔的信号 般为 100经远大于 要求，所以对 进行适当衰减，否则输出会产生失真。 取 00 21=39以使录音机输出经混合级后也达 到 要求。如果要进 行卡拉 唱，可在话放输出端及录音机输出端接两个音量控制电位器别控制声音和音乐的音量。 以上各单位电路的设计值还需要通过实验调整和修改，特别是在进 行整机调试时，由于各 级之间的相互影响，有些参数可能要进行较大变动，待整机调试完成后，再画出整机电路 。 机电路图 整机电路图，如图 3示。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 18 图 3机电路图 用的元器件 1） 内部电路 部电路工作原理 ： 上图为 成功放的内部电路 ,具有集成功放典型电路的结构 ,它由输入级、中西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 19 间级和输出级三部分所组成。其中 差动输入级。 成分压网络，一方面为 供静态偏置电压，另一方面为 成的镜像恒流源提供参考电流。 成两级电压放大器，具有较高的电压增益。 成的 复合管与 成的 复合管共同构成互补对称推挽输出电路。 电平移动电路，给末级功放提供合适的静态偏置。 于输出端和 基极之间，构成很深的直流负反馈，可以稳定静态工作点，提高共模抑制比。此集成功放采用单电源供电方式接成 路形式，也可以采用正负双电源供电方式（脚接负电源）接成 路形式。 （ 2） 各脚排列 观图解释： 图 3观图 双列直插式结构，它共有 14 个外引线，每边有 7 个。靠近散热片一端有贺槽指示的为“ 1”端，“ 1”端为输出端，“ 3”端为公共端，“ 4”、“ 5”端接消振电容，“ 6”脚为放大器的反相输入端，在应用电路中与输出端连成反馈电路，“ 9”脚为放器的同相输入端，在应用电路中为信号输入端，“ 10”脚为纹波抑制，应用电路中接有大电容，“ 12”脚为向外提供电源端，“ 13”脚为自举电路的端点，“ 14”脚为电源。 1）内部电路： 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 20 图 3部电路 图 工作原理： 四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图 3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。由于运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中 。 （ 2）各脚排列解释： 图 3脚连接图 每一组运算放大器有 5 个引出脚，其中“ +”、“ -”为两个信号输入端，“ V+”、“ 正、负电源端，“ 输出端。两个信号输入端中， -）为反相输 入端，表示运放输出端 信号与该输入端的相位相反； +）为同相输入端，表示运放输出端信号与该输入端的相位相同。引出脚的引脚功能 : 1 第一运放器输出端 2 第一运放器反相输入 3 第一运放器同相输入 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 21 4 电源 第二运放器同相输入 6 第二运放器反相输入 7 第二运放器输出端 8 第三运放器输出端 9 第三运放器反相输入 10 第三运放器同相输入 11 接地 12 第四运放器同相输入 13 第四运放器反相输入 14 第四运放器输出端 （ 3）典型原理图 : 图 3型原理 时器 1）内部电路 图 33207 内部原理图 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 22 各引脚的含义： 12345 678 3102 内部原理图 各引脚的含义： 12345678作原理： 压 时钟发生 /驱动电路 概述： 驱动低电压 必须的低输出阻抗 相 时钟发生电路，内部包含 需 产生电路。 接 R、 C 元件可自行振荡，亦可用外时钟输入以输出所需的时钟脉冲，输出脉冲的频率是振荡 (或输入 )脉冲频率的 1/2。 特点：可直接驱动相当于 4096 段的低电压 可自行振荡，亦可用外时钟输入来进行工作， 两相时钟 (占空比 =1/2) ，内含低电压 作所需的 压发生电路，单一电源 (410V) 用途：作为低电压 钟发生 /驱动电路，与比例 207 等低电压 件配套。 3207B 1024 段低压低噪声 路 3207 是 1024 段低电压工作的低噪声 于音频范围使用。调整时钟频率可以改变延迟时间。工作电压为 +5V，可提供最大为 计） 基于音响设备系统的设计与制作 23 的模拟信号的延迟量 （ 2）各脚排列 图 3脚排列图 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 24 4 电路的安装调试 理布局，分局装调 音响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，功放级应远离输入级，每一级的地线尽量接在一起，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、运算放大器、电 解电容等主要零件的引脚和极性，不能接错。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，直到整机安装与调试完成。 路调试技术 电路的调试过程一般是先分级调制，再级联调试，最后整机调试与性能指标测试。 分级调试又分为静态调试与动态调试。静态调试时，将输入端对地短路，用万用表测该级输出端对地的直流电压。话放级、混合级、音调级都是由运算放大器组成的，其静态输出直流电压均为 2，功放级的输出 (路 )也为 2且输出电容 端充电电压也应 为 2。动态调试是指输入端接入规定的信号，用示波器观测该级输出波形，并测量各项性能指标是否满足题目要求，如果相差很大，应检查电路是否接错，元器件数值是否合乎要求，否则是不会出现很大偏差的，因为集成运算放大器内部电路已经确定，主要是外部元件参数的影响。 单级电路调试时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因是布线不太合理，连接线太长，使级间影响较大，阻抗不匹配。如果重新布线还有影响，可在每一级的电源间接入 耦滤波电路 ， R 一般取几十欧， C 一般取几百微法。特别是与功放级进行级联时，由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。常见高频自激现象如图 4示，产生的主要原因是集成块内部电路引起的正反馈，可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级脚与之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 25 叠加的高频毛刺。常见的低频自激现象是 电流表有规则地左右摆动，或示波器上的输出波形上下抖动。产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈。可以通过接入耦滤波电路消除。为满足整机电路指标要求，可以适当修改单元电路 的技术指标。设计整机实验电路图，与单元电路设计值相比较，有些参数进行了较大的调整。 图 4常见高频 自 激现象 机功能试听 用 8 /4W 的扬声器代替负载电阻 行以下功能试听。 话筒扩音 将低阻话筒接话筒放大器的输入端。应注意，扬声器的方向与话筒方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输入后，会产生自激啸叫。讲话时，扬声器传出的声音应清晰，改变音量电位器，可控制声音大小。 电子混响效果 将电子混响器模块接话筒放大器的输出。用手轻拍话筒一次，扬声器发出多次重复的声音，微调时钟 频率，可以改变混响延时时间。 音乐欣赏 将录音机输出的音乐信号，接人混合前置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调发生明显变化。 卡拉 唱 录音机输出卡拉 带歌曲，手握话筒伴随歌曲歌唱，适当控制话筒放大器与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱声音量与音乐声音量之间的比例，调节混响延时时间可修饰、改善唱歌的声 音。 西安培华学院本科毕业论文（设计） 基于音响设备系统的设计与制作 26 结 论 我的这个题目属于一个低频电子线路设计，主要运用模拟电路的相关知识。 在查阅了很多关于音响放大方面的书，最后又在指导老师的帮助 下，经过认真的思考，确定了最终的方案。通过这次毕业设计，使我意识到要把一个设计做好，首先要有系统化思维，再者就是有模块 化思维，尽量使每一个模块在实现功能的基础上简单。然而要想进一步 了解我们现在使用的音响就需要知道：高级的音响设备中都是把全频带的音响信号按照频率的高低分成几个频段 ,然后把每一频段送往对应频段的扬声器以获得失真小的音响效果 。 有两种方法 :第一种是在功率放大器后面通过电抗元件组成分频器 ,把功率输出信号分成几个频带送到不同频率的扬声器 ;第二种是在功率放大器面前用 源滤波器进行分频 ,然后送到专用的功 率放大器放大 ,再送到相应频带的扬声器 。 两者比较起来前者少用一个功率放大器 ,但分频器电路通过的电流过大 ,需要有通过大电流的电感元件 ,有一定的功率耗损 ,与喇叭不易匹配 。 电子分频器要多用一个功率放大器 ,因为它是小功率分频可采用 波器 ,损耗小 ,易于获得较陡的分频特性 ,功率放大器与喇叭易于匹配 ,所以采用第二种比较好 通过这次毕业设计，我了解了音响放大器内部电器的工作原理，熟悉了其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法，并掌握音响放大器的设计方法与小型电子线路系统的装调技术。由于自己的在电子设计方