模拟式卡拉OK机设计卡拉OK毕业论文.doc

湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）任务书课 题 模拟式卡拉OK机设计 编 号 专 业 电气自动化 设计(论文)任务与要求:任务: 1.电子延时混响器的电路设计 2.混响时间与频率响应间相互矛盾关系及处理办法 3.有源低通滤波器的设计，信噪比与滤波器性能的关系 4.音频功率放大器频率响应的实现措施 要求：设计制作一种使用模拟式延时混响的卡拉OK机，话筒输入灵敏度优于 0.5mv，最大混响时间大于50ms，连续可调。具有音乐和歌声混合功能，混合比例可调，电子延时部分频率响应优于80hz4kc,音频功率放大器部分频率响应优于80hz18kc,音频输出功率大于3W。 设计(论文)依据的原始资料: 【1】湖南铁路科技职业技术学院毕业设计（论文）工作规范（铁路科职院【2007】26号文件） 设计(论文)文件的组成及要求: 论文组成:摘要、目录、正文、总结、致谢、参考文献、指导教师评阅表、评阅教师评阅表、答辩评阅表、专业答辩组提问情况、评定书。 论文要求:观点明确、实事求是、思路清晰、条理清晰、条理清晰，并在论中能准确的表达出自己的设计成果。 参考资料:1施颂生 .无线电接收与音响技术湘潭大学信息工程学院M .2004.32汤韬、彭妙颜等.家庭及歌舞厅卡拉OK（AV）系统 第一版M.广东科技出版社.1993.123段九州.放大电路使用设计手册.辽宁科学技术出版社M.2002.54童诗白、华成英.模拟电子技术基础 第三版M.高等教育出版社.2000.35王荣岳.具有混响效果的卡拉OK的电路J.电子报.1990.第11期6王有志.BBD器件的原理及应用J.电子报.1991.第4期7卢结成、陈力生等. 电子电路实验及应用课题设计M.中国科技大学出版社.2002.78朱良贵.家庭卡拉OK混响与放声系统M .上海科技教育出版社 .1991.49刘琼发、王远冲、李冰清等.组合音响原理与电路分析M.广东科技出版社.1996.110谢自美.电子线路设计、实验、测试 第二版M.华中科技大学出版社.1992.1211胡壁涛等.卡拉OK家用放大器原理与检修M.电子科技大学出版社.2000.2 任务下达时间: 2010年11月3日 毕业设计开始与完成任务日期: 2010年11月03号至2010年01月10号 系部专业教学指导委员会 该毕业设计（论文）选题符合本专业人才培养目标要求，同意下达任务 系部主任审批意见 签字 年 月 日目录第一章 溯源11.1 卡拉OK的起源11.2 卡拉OK的发展11.3 用途及意义2第二章 组成32.1 卡拉OK机的基本组成部分32.2 基本介绍：各组成部分的功能32.2.1 话筒混合放大器32.2.2 带音调控制的线路放大器42.2.3 BBD混响器42.2.4 有源低通滤波器42.3 重点介绍：延时混响器与滤波器42.3.1 延时器与混响器42.3.2 有源低通滤波器12第三章 结构193.1 卡拉OK机电路193.2 卡拉OK机工作原理193.3 功放电路203.1.1 功放电路概述203.1.2 TDA2030简介203.1.3 双电源供电BTL音频功率放大器21第四章 调试244.1 音频功率放大器频率响应的实现措施244.2 混响时间与频率响应间相互矛盾关系及处理办法244.2.1 频率响应的标准和标示244.2.2 令人沮丧的听力测试254.2.3 不可或缺的高次谐波254.2.4 举足轻重的“音头”264.2.5 牵一发而动全身27第五章 结论28致 谢29第1章 溯源1.1 卡拉OK的起源卡拉OK最早是起源于日本，由于日本的风俗，男人如果回家过早的话，会让邻居们看不起，认为天天工作连个应酬都没，每天回家的太早成了旁人笑话的把柄，所以许多日本男人就在下班后聚集在酒吧或茶馆，聊天到很晚才回家，后来慢慢的他们觉得应该找点什么新的消磨时间的项目，就在酒吧里面边喝酒边用上电视机话筒等简单的可以用来唱歌的东西，后来随着科技的发展演变成现在的卡拉OK，后来传入台湾，再由台湾传入中国大陆，有了如今的卡拉OK的景象。1.2 卡拉OK的发展在20世纪六十年代的舞会上，有传统的乐队为人们伴舞。在这一时期已出现了歌手用歌声为人们伴舞的形式。这就是第一次伴奏音乐与歌声分离成为两个独立部分。 20世纪六十年代末期，盒式录音机问世以后，左（L）右（R）立体声磁带可录制两个音源，一路是伴奏音乐，一路是人声歌唱，人们可以用这种磁带学习流行歌曲的演唱。当人们学会唱这首歌以后，人们就会关掉人声这路通道，而通过话筒亲自演唱这首歌曲。这种娱乐活动首先在日本流行起来，日本人将此称为KARAOKE娱乐游戏，KARA是日本语“空”的意思，OKE是英文交响乐的缩写。所以说KARAOKE游戏是日本人发明的。 这种KARAOKE游戏在日本迅速流行起来，在社会上引起很大风波。在一些酒吧、咖啡厅、歌舞厅，老板就辞掉了原来的乐队，而采用一套音响设备。这样就受到大批电声乐队的不满，他们向娱乐圈和KARAOKE生产厂家提出抗议。但是在按经济规律办事的日本，这些都是无济于事的。这些乐队只好转业到广告业和电视剧制作业中去了。 20世纪七十年代初期，录像机出现以后，用图像画面来解释歌曲的意境，形成了听觉视觉并举的综合艺术系统，并且有字幕的提示（利用歌词镶边、变色的方法）。 20世纪七十年代末期，激光影碟机问世以后，这种设备都是数字电路，所以它的音频信号和视频信号要比录音机和录像机有很大的提高。 影碟机和影碟的特点是频率响应宽，噪声低，失真度小，使音频和视频都达到了专业级的水准。 20世纪八十年代末期，中国才出现了歌舞厅。KARAOKE闯入中国的时间较晚，但是发展却很迅速。1988年，北京出现了歌舞厅。当时，有些饭店、酒楼，餐厅，白天进行餐饮营业，晚上，邀请专业艺术团体乐队，音响、歌手为客人演唱。1989年，北京出现了KARAOKE歌舞厅，1990年便发展为100家，1991年又发展为200家，1992年发展为400家。到1993年已发展为600家，直至1994年，歌厅、舞厅、KARAOKE厅、多功能厅，已达到800家。加上各单位，各系统对内开放的歌舞厅，北京共有千余家。 KARAOKE包间起源于日本。在日本，有些中老年人，怀念自己青春时的美好时光，通过演唱旧时的歌曲，舒发怀旧的情感，但又不便于在众人面前演唱，特为他们开辟了小型的KARAOKE包厢，使之如愿。这种形式很快在日本流行起来，1991年，开始传入中国。但在中国多为包间的形式。 1992年，有些歌舞厅加装了摄像系统。用编辑机可把自己演唱的镜头投放在屏幕上。也可将它投影在屏幕的各种不同位置上。目前，北京不少歌舞厅可把客人演唱的歌曲，制成录音磁带和录像带，提供给演唱者。 2008年，中国生产出了世界上最小的便携式卡拉OK机恋歌派，比日本号称世界最小的儿童便携式卡拉OK机“HiKara” 还要小。恋歌派是一款集听歌、看电影、唱歌、练歌、学歌、拍照等多种功能于一体的随身唱数码产品。随着社会的发展进步，K歌已经不再需要走进歌舞厅、KTV包房了，恋歌派就达到了随时随地K歌的效果。可能很多人对这种全新的K歌产品（方式）还不了解，所以目前普及的不是很完整，暂时还只限于广东珠三角地区。1.3 用途及意义毫无疑问，卡拉OK现在已经成为了人们空暇时间供消遣娱乐的一个重要组成部分。它的作用不止是练唱歌曲这么简单，而是已经成为了大众加深友谊，结识朋友的一种有效途径。第二章 组成2.1 卡拉OK机的基本组成部分卡拉OK机全机由话筒混合放大器、带音调控制的线路放大器和BBD混响器有源低通滤波器四大部分组成 ，其方框图参见图1.1。图1.1 卡拉机方框图2.2 基本介绍：各组成部分的功能2.2.1 话筒混合放大器该部分电路的作用是：两路话筒输入分别设置电平控制器，各路话筒信号混合后经BG1和BG2两个前置放大器放大后，分为两路，一路为直接声，经阻容耦合直接送到BG3组成的音调控制电路；与此同时，从A点得到的信号分出另一路作为“混响声”送往BBD混响器。2.2.2 带音调控制的线路放大器带音调控制电路接受到来自A的信号后，分成左右两路，分别与来自其他信号源（如影碟机）的立体声音伴奏信号混合，然后一起输出送往功放。2.2.3 BBD混响器这部分电路的作用是将A点送来的放大了话筒信号做延时处理，到达B点后兵分两路，一路经由W3调节混响电平，同直接声混合，再经BG3放大后输出。另一路送到BG4再次进入BBD电路，从而获得重复延时、并逐渐衰减的混响效果。2.2.4 有源低通滤波器有源低通滤波器未在该方框图中表示出来，我们将在下一节仔细讨论。其功能概括为滤除延迟信号中的时钟脉冲残余成分和其他高次谐波成分，以保证延迟信号的失真最小和噪声最低。2.3 重点介绍：延时混响器与滤波器2.3.1 延时器与混响器延时器与混响器是模拟室内声场声音信号特性的专用设备。在演唱过程中，延时器和混响器可以在模拟的艺术声场中传递时间、空间、方位、距离等重要信息，并且可以制作某些特殊效果。延时器与混响器工作性质属于心理声学范畴，其调控技巧属于音响美学范畴。可以这样说，延时器和混响器是炮制艺术声场必不可少的主要设备。正因为如此，延时器与混响器的使用就比其它声处理设备复杂和灵活多变。为了对延时器与混响器的工作性质有所了解，有必要先谈谈室内声场，介绍室内声学的基本概念和与人的听觉的关系，以便于理解后面叙述的工作原理和调控技巧。一、室内声场中的声音 无论教学、音乐厅、剧场，还是大型演播室乃至小型录音室，凡是室内听音环境中，所存在的声能量都是由三部分声音组合成的。他们分别为直达声（或称为没有受到干扰的原始声）、早期反向声（或称为邻近表面最初反射声）和混响声（或称为滞后扩散反射声）。这是从几何声学角度，运用假想直线表示声传播走向和路径的假定声线方式（图2.1）。图2.1 直达声其实，声音并不是走直线的。在经过1020ms时间间隔之后，从邻近表面来的早期反射声到达听音点，这是第一次反射声。再晚一点时间之后到达听音点的是第二次反射声。然后是第三次反射声（图2.2）。或许还会有从其它邻近反射面反射来的声音，我们称这部分声音为早期反射声，通常早期反射声在35ms内就完成了。在早期反射声之后2050ms左右的时间为混响进入时间。随着时间的推延，声波辐射到无数的反射面上，出现越来越多的反射声。这时反射声变得非常绸密，几乎彼此重叠而分不清各自的成分，我们把这部分乱七八糟、无法分辨的滞后反射声，称为混响声（图2.3）。图2.2 第二、三次反射声图2.3 混响声有一条从左至右的曲线，这条曲线是混响建立到截止的全过程。当混响从进入到稳定状态，即最大值后，逐渐衰减直到消失为零，这个过程称为混响过程，但这不是我们平常所说的混响时间。从统计声学的理论角度来说，混响时间的表征房间声学特性的客观参量。它的测量办法是从声压最大值开始，衰减60dB时所用时间长度的多少来表明混响时间的。那么，在T60之后还有一段混响时间为什么不包括在内呢？因为T60这段曲线比较陡，而T60后面的曲线比较平，这样计算说不准确了。图2.4 声源声压级下降60dB所需的时间此外，曲线画法与以往表示混响声的画法有所不同。这是因为，真正的室内混响并不是在早期反射声后先出现一段时间空白才突然出现的。混响的建立是在无规则声扩散中渐进的，通过这条曲线可以表示混响的建立、保持和衰落过程。室内声场中的直达声、早期反射声、混响声中任何一部分声音都有自身的作用及对整个声场构成不同的影响。这说是我们下面要讨论的问题。 二、室内声场与听觉 1、人耳对声音方位、距离高度的感知正常人的双耳对声场中的声音有感知和判断作用。这包括了生理和心理的两重反映。首先是对声源有横向定位（水平定位）的感知和判断能力。例如，人对低频声源的左、中、右定位感知，主要是依靠声音到达两耳的强度差判断的；而且人对声源的距离定位（纵向定位）也有感知和判断能力。这主要依靠直达声和近次反射声及混响声的感知比例来判断。例如，直达声强，反射声和混响声弱，在直达声比例大时即可判断为距离近；而直达声比例小时，清晰度明显降低，就可判断为距离远。再次，人对声音的高度定位（仰角定位），在一定范围内也有判断作用。高度定位是运用两耳听觉的频谱差下意识地判断出的。例如，由于抑角的不同，对人耳即感知不同的频响特性曲线，在与正前方听到的音色印象作比较后就可确定仰角。一般人耳可判断100至200高度的声音位置。2、哈斯（HAAS）效应与声音定位 哈斯是德国科学家，他于1930年发表了一篇“领先效应”的文章。通过这个公认的理论，可以说明人是怎样感知声源位置的。首先，在35ms内，人的听觉由于大脑抑制作用是不能判别时间差的。因此，在直达声与早期反射声分别到达人耳后，人不能感知几个分立的声音，而是只感知为一个声音。由于这种瞬时融和效应，直达声与早期反射声的叠加，使人感觉到声音得到了加强，并且声音清楚。而当两个声音的时间差超过35ms50ms时，情况就不同了。人耳虽不能把两个声音分辨开，但已经可以感觉到。当时间差大于50ms后，人就能感到明显的回声效果了。如图3a所示，在听音者的前方，水平放置的两只扬声器以听音者为中轴线，当扬声器L与R同时以同一频率、同一响度放音时，听者者会产生幻象声源位置，感到声音在中间位置。如果如图3b所示，此时将一侧扬声器的声音用延时器给以大于35ms的延时，听音者会感到声象位置偏向播放直达声一侧的扬声器。这种效应即为领先效应。换句话说，由于听觉的先入为主的感知作用，使听音者双耳产生的幻象声源位置偏离中心声象位置，而判断为声音来自直达声扬声器一方。当然，如果两只扬声器没有时间差而出现声音强度差时，听音者还会产生幻象声源的偏移，如图3c所示，声象位置会偏向声音响的扬声器一侧，这种由于幅差造成的人对声音的心理感应，也可以说是对比效应使之强音量一侧扬声器占有领先地位。3、声场中各种变量特性与作用除消音室外，所有室内听音环境中，在直达声之后都有4个变量，在延迟一段很短的时间之后，有一个或几个早期反射声，在早期反射声之后是混响的进入时间，随后是密集的滞后反射混响声，在一定时间（若干秒）后混响声消失。为了模拟这一自然声场的状态，在录音制作中要使用人工延时器和混响器来产生这些变量。因此，有必要将声场中各种变量成分的特性与作用作进一步介绍。 （1）直达声的作用直达声主要决定声音的清晰度。它对人的听觉有领先效应（哈斯效应），直达声的长度和声源传播时间长度相同，它的频率响应特性由于没有受到干扰而与声源频率响应特性相同，直达声是判断声源集团和声源宽度的重要依据。 （2）延迟时间的作用早期反射声之间的延迟时间的长短决定早期反射声的密度，也是室内声场房间大小的重要标志。延迟时间决定早期反射声的进入，房间大，首次反射声就来得晚，房间小，首反射声就来得早。延迟时间过长时会造成回声，影响声场清晰度。 （3）早期反射声的作用早期反射声的方位不是声源的方位，它取决于反射面。反射声的频谱因受反射右吸收作用影响，其频率响应特性有所改变。反射声可以传递空间信息，可以给人距离感。早期反射声成为声源的一部分，可以使声源的声音更加柔和。 （4）混响进入时间的作用混响进入时间即空间信息，它控制着混响声在声场中进入的速度，混响进入时间的长短与混响时间的长短成正比。混响进入时间长，混响时间也长。混响进入时间短，混响时间也短。 （5）混响声的作用混响声可以加强声源的响度，可以改变声源的主观音质，它可以给声音温暖感，也可以使声音丰满或明亮。混响声比例的大小有助于听者判断声源的距离。若混声比例太大或混响时间过长，将会干扰声源的清晰度，使声音混浊不清。对录音工艺来说，声音的构成主要靠以上各种变量的组合建立艺术声场。从某种意义上说，一部录音作品的好坏，全靠总体音响的框架支撑着。就一部音乐作品来说，即使演唱演奏得再好，音色调整得再好，若音响结构上制作不出层次来，也是不能被听众接受的。在处理直达声、早期反射声、混响声这三种声能，以及前面提到的各种声学效应的关系上，由于录音方式不同，工作程序也就不同。同期制式录音，是利用演播室或录音棚内自然声场的声学条件来解决这些关系的。也就是说，同期制式录音，力争完美地反映出自然的艺术声场，而多轨录音完全是使用延时器和混响器，模拟艺术声场人工制作出来的。三、延时器与混响器一般工作原理 1、延时器一般工作原理延时器系统方块。在数字式延时器内，音频信号首先通过低频滤波器进入编码电路进行A/B转换，如图5所示。音频信号要经过等幅脉冲信号采样，形成等间隔的调幅脉冲信号组成的幅度包络线。在变换成采样模拟信号后，经过缓冲存贮器将信息存贮备用，而后进入移位寄存器，得到所需的延时量。在获得延迟量后，信号经译码器进行解码，D/A转换后复原成模拟音频信号。在输出前，还要经过低频滤波器，以清除混在音频信号中的调制噪声。由于全数字化的原因，延时器的信噪比是很好的，信噪比S/N=20Log2n，式中n是比特数。从上式可知，每增加一个比特，可使信噪比提高6dB，即10bit为60dB，16bit为96dB。目前已发展到18bit，其动态指标是可想而知的。2、混响器种类及工作原理混响器可分为四种类型：钢板式混响器，金箔式混响器，弹簧式混响器，数字式混响器。这几种混响器的工作原理各不相同，但在录音工艺中的作用大体上是一样的。（1）数字式混响器工作原理数字式混响器的演算理论，早在六十所代就已经建立了。由于硬件的原因，直至八十年代才逐渐使数字混响器在技术指标、工作性能、自动化程度上有了长足的进步。数字式混响器的工作原理。它完全采用数字方法处理信号，采样随同延迟一起插入循环存贮器，每一延迟的采样乘以代表其反射声幅度的系数，把反射声加在一起获得混响，然后送回存贮器，并用2的乘幂指数作乘法运算。莱克斯康（LEXICON）数字混响器，已经打破了以往数字混响器的“预延时模拟混响平均衰减衰减时间可调”这种模式，而效仿自然混响的特点，以数字技术模仿出新的、没有渲染、但又可变化的声音。真正的房间混响，并不是在激励声后先出现一段时间上的空白延迟才进入大密度混响的，而是渐进的，扩散是无规则的。480L的预延时间正是根据这个理论，设计了一种扩散极不规则的组合，延时根据不同房间的大小、形状、扩散而定出混响的形状，从强弱与形状对比的变化、混响的长短，来反映和追求自然声场。可见数字混响器的研究已进入更深的层次。（2）数字混响器的功能就数字混响器的功能而言，远胜其它种类的混响系统。数字混响器可以单路输入信号，经信息处理后分成四个独立的音频信号输出，也可以分成两对双声道，立体声输出或四声道输出。 若只当延时器使用时，它可以同时送出中个不同的延迟量。在数字屏显示器上，可方便地读出电平、工作状态、时间数据、波形响应等。在驳接方式上也更多元化了。就莱克斯康混响器而言，背板上除了两路主输入和四路输出外，还有三路MIDI接口、数码录音接口、计算机接口，并有两路遥控接口。在前面板上还设有程序存储盒，磁盘起用，带走都方便。 （3）模拟混响器的工作原理模拟电子混响器的基本工件原理：它是由延时器与衰减网络构成的，输入信号经延时秒输出后又经衰减网络送至延时器输入端，如此循环往复。由于反馈系数G1，电路工作稳定，经过n时间后，输出端将出现一系列逐步衰变的混响特性。模拟式延时混响器主要是指采用BBD器件组成的延时混响器。BBD是Bucket Brigade Device的缩写，学名称“斗链式电荷耦合型音频延时线”，简称“斗链器件”。由于它具有价格低廉、电路简单及效果显著等特点，因此，中、低档的电子模拟延时混响器多数都采用BBD器件，并且它还越来越多地应用在卡拉OK机、电子乐器及其他音响系统中。其基本结构如图2.5（a）所示，等效电路如图2.5（b）所示。图2.5 BBD基本结构及等效电路图BBD内部集成了由场效应管构成的一系列高速电子开关和与之一一对应的MOS电容。这些电子开关在外加时钟脉冲（由时钟发生器产生）的统一控制下，交替的接通或断开。时钟脉冲以二相方式连接（两个反相的时钟脉冲），即CP1控制一系列奇数电子开关，CP2控制一系列偶数电子开关。在第一时钟脉冲有效时对输入信号取样并保持，在第二脉冲有效时将保持的信号（电荷）瞬时传递给下一个MOS电容。随着两时钟脉冲的不断交替，信号电荷逐级向后储存和转移。最后，在输出端出现已被延迟的输入信号。可见BBD的基本功能是电荷储存和转移。它不同于其他半导体器件，不是以电流或电压作为信号，而是以电荷作为信号。电荷存储是由一系列高精度MOS电容作为存储器，电荷转移则由一系列的高速开关逐级传递。因此，BBD也可视作一个模拟移位寄存器。2.3.2 有源低通滤波器一、 低通滤波器的主要技术指标（1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图3所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。（2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同，见图3。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。图3 LPF的幅频特性曲线二、 简单一阶低通有源滤波器 一阶低通滤波器的电路如图4所示，其幅频特性见图5，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。 图4 一阶LPF 图5 一阶LPF的幅频特性曲线当f = 0时，电容器可视为开路，通带内的增益为 一阶低通滤波器的传递函数如下 ， 其中 该传递函数式的样子与一节RC低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益Avp这一项。三、 简单二阶低通有源滤波器 为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图6所示，幅频特性曲线如图7所示。 图6 二阶LPF 图7 二阶LPF的幅频特性曲线 （1）通带增益 当f = 0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为 （2）二阶低通有源滤波器传递函数根据图8-2.06可以写出 通常有 ，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数 (3)通带截止频率 将s换成j，令02f0=1/(RC)可得 当f=fp 时，上式分母的模 解得截止频率： 与理想的二阶波特图相比，在超过f0以后，幅频特性以-40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率fpf0之间幅频特性下降的还不够快。四、 二阶压控型低通有源滤波器（1）二阶压控型LPF二阶压控型低通有源滤波器如图8所示。其中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端。显然，C1的改接不影响通带增益。 图8 二阶压控型LPF 图9 二阶压控型LPF的幅频特性（2）二阶压控型LPF的传递函数 对于节点N，可以列出下列方程 联立求解以上三式，可得LPF的传递函数 上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。（3）频率响应由传递函数可以写出频率响应的表达式 当f=f0时，上式可以化简为 定义有源滤波器的品质因数Q值为f=f0时的电压放大倍数的模与通带增益之比 以上两式表明，当2Avp1，在f=f0处的电压增益将大于Avp，幅频特性在f=f0处将抬高，具体请参阅图9。当Avp3时，Q=，有源滤波器自激。由于将C1接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。五、 二阶反相型低通有源滤波器二阶反相型LPF如图8-2.10所示，它是在反相比例积分器的输入端再加一节RC低通电路而构成。二阶反相型LPF的改进电路如图8-2.11所示。 图10 反相型二阶LPF 图11 多路反馈反相型二阶LPF由图11可知 对于节点N，可以列出下列方程 传递函数为 频率响应为 以上各式中第3章 结构3.1 卡拉OK机电路本次设计的卡拉OK机如图3.1所示：图3.1 卡拉OK机电路图3.2 卡拉OK机工作原理根据电路图可见，全机由话筒混合放大器（BG1）、带音调控制的线路放大器（BG2、BG3）和BBD混响器（BG4、BG5、BG6、IC1和IC2）三大部分组成。两路话筒输入（MIC1、MIC2）分别设置电平控制W1和W2,两路话筒信号混合后经BG1和BG2放大，分为两路，一路为直接声，直接送到BG3组成的音调控制电路，再分为左、右两路，与来自其他信号源（如录音机、录像机或影碟机）的立体声音乐伴奏信号Lin和Rin混合，然后一起输出送往功放。于此同时，分出的另一路信号作为“混响声”。这个信号经BBD延时器做延时处理，处理完毕后又分成两路，一路经由W3调节混响电平，同直接声信号混合，再经BG3放大吧输出。另一路送到BG4再次进入BBD电路，从而获得重复延时，并逐渐衰减的混响效果。图中各位器的功能如下：W1、W2为话筒音量控制；W4为低音控制；W5为高音控制；W3为混响电平控制；W6为混响平衡调节（平衡时开关噪声最小）。下面把BBD延时混响电路的结构及原理作进一步说明。由MN3207和MN3102两块IC组成BBD延时混响器，图中IC2组成时钟振荡器，器频率由接在IC2的5、6、7脚上的阻容元件的时间常数决定。IC1为BBD器件，3脚位信号输入端，7、8为延迟信号输出端，BG4、BG5、BG6为三级有源低通滤波器。BG5和BG6可滤除延迟信号中的池中脉冲残余成分和其他高次谐波成分；BG4可将主声道信号中的高、中频成分滤除，以确保延迟信号的失真是最小和噪声最低。主声道信号（即话筒演唱的直达声信号）放大后输入，经C1和R1送到后级输出。还有一部分主声道信号则经C2送入有源低通滤波器（BG4）后，在送往MN3207的3脚进行延时处理。延迟声信号有7、8输出后，经W6送入BG5和C3反馈到BG4和IC1再延时，形成一串逐渐衰减的延时声，以模拟回音效果，达到混响的目的。通过W3调整混入主声道的混响声的幅度，即可调整混响深度。3.3 功放电路 3.1.1 功放电路概述 在电子产品飞速发展的今天，分立元件组成的电子产品似乎已经逐渐被淘汰出局了，为了紧跟时代的步伐，我决定在功放电路部分使用集成器件，综合各方面性能指标，最终决定使用TDA2030集成块担当这一重任。下面我们先具体了解该集成块的构造及性能。 3.1.2 TDA2030简介 TDA 2030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TDA 2030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TDA 2030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TDA 2030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。输出功率：10 20W（额定功率）；频率响应：20Hz 100kHz（3dB）谐波失真：1 (10W,30Hz20kHz）；输出阻抗：0.16;输入灵敏度：600mV（1000Hz，额定输出时）3.1.3 双电源供电BTL音频功率放大器电路图如下（在此仅以左声为例，右声道电路与此相同）：图3.1 功放电路原理图图3.2 BTL电路工作原理：用两块TDA2030组成如图3.2所示的BTL功放电路，TDA 2030（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。TAD 2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA 2030（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TDA 2030（1）与TDA 2030（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/ R2 U02U01R9/ R5 R9R5 U02U01 因此在扬声器上得到的交流电压应为： Vo U01-（ -U02） 2U01 2U02BTL功放电路能把单路功放的输出功率（PMONO）扩展4倍，但实际上却受到集成电路本身功耗和最大输出电流的限制，该电路若在VS14V工作时，PO28W。若在VS16V或18V（TDA 2030A）工作时，输出功率会增加，但调试中应密切注视两块电路输出端（脚 ）的直流电平，它们对地的电平都近似为零。 BTL功放电路为了保护扬声器，避免烧坏，通常要在扬声器回路中串联快速熔断丝。第4章 调试4.1 音频功率放大器频率响应的实现措施频率响应也称为“频率特性”，是放大器的一个重要指标。它描述了放大器对于不同频率电信号放大率的均匀度。 功率放大器是由许多元件和部件构成的电路形式，这些元件和部件有的本身就是电抗元件，有的虽然不是电抗元件但实际上却多少具有电抗成分。从电路分析来看，电抗（包括容抗和感抗）的存在，会使放大器对于信号的不同频率呈现不同的放大能力，这样的结果当然是我们不希望出现的，它是一种失真，频率上的失真。 理想的放大器是不应当存在失真的，包括上面所说的频率失真。它应当从直流（0Hz）一直到微米波、纳米波，以至于无限高的高频率都能够实现相同的放大。然而这样的放大器仅仅存在于我们的抽象思维中，作为实物它从一开始就没有出现过，将来可能也不会被制造出来。4.2 混响时间与频率响应间相互矛盾关系及处理办法4.2.1 频率响应的标准和标示我们所接触到的都只能是“实际放大器”，它的放大倍数只能保证在一个频率范围内有比较均匀地放大，这个“频率范围”又被称为“通频带”。按照电子电路分析的通常判断方法，在通频带的两端，放大倍数下降到了中间频段的0.707倍（即-3dB），低于这个倍数以外的频率部分，我们可以认为不是有效的放大。 然而对于功率放大器来说，-3dB的不均匀度太粗糙了，所以制定的扩音机标准中都作了压缩，国家标准GB/T14200-1993规定了高保真音频放大器的有效频率范围的最低要求为： 40Hz16000Hz（相对于1000Hz的容差在1.5dB之内） 看来还真是个“最低要求”，门槛很低，按照现在许多厂家的技术能力可以轻易地迈过去。可是达到了这个“国家标准”，就能算是台好功放？ 按国际电工委员会的规定，高保真功率放大器的频率响应为20Hz20kHz（1.5dB） 。一些国际著名品牌的放大器，它们所给出的指标是20Hz20kHz（-0.2dB） 这个指标向我们表达的是，到了20kHz以上频率的时候，放大倍数只下降了0.2dB的容差，频率响应的上限有可能到达22kHz。 有关功率放大器的频率范围，有很多种标示法，区别都在于括号里的“容差”，很多厂家把容差标得比较大，比如20Hz30kHz（-3dB），看上去好像频率响应指标挺高的，其实这个指标所反映的实际水平，很可能还不如一台标有20Hz20kHz（-0.5dB）的产品。还有一些厂家，干脆就没有括号里的内容，直接标上20Hz40kHz，对于懂行的人来说，像这样的指标可以说没有什么意义，标不标都一样，但是在商场挂上这么一个标牌，它的“小聪明”还真的可能起到作用，普通消费者容易这样认为：这是一台高频特性不错的功率放大器。 4.2.2 令人沮丧的听力测试高档的晶体管功率放大器，它们的频率范围有的标出了10Hz100kHz（0.5dB）。 然而人类听音的频率范围是20Hz20kHz，就是说低于20Hz或者超过20kHz的声音我们是听不见的。超出这个范围的声音，低端的次声波，我们还有可能通过其他方式感受到，比如说触觉，但是对于高端的超声波，确实无法感受到。 那么功率放大器的研制者和使用者为什么如此在意要把它做得那么高呢？ 一些发烧友认为，不排除个别人在听力上的特异性，他们能够到这种声音，的确有人声称能够听到30kHz的声音（无法验证）。许多人认为自己听力非常好，对于自己能够听到20kHz的声音这一点深信不疑。 其实在听力这个问题上，如果经过实际测试（纯音），可能大多数人会受到一定的“打击”，原来，自己的听力远远达不到20kHz！ 在一个合适的音量（比如80dB）下面，用信号发生器连续调变声频信号的频率，由低向高，声音越来越尖，越来越不容易听见，你可能会发现，还没有到20kHz，甚至刚刚上升到15kHz就已经什么也听不见了，不要不以为然，也许你就是这样的，不完全是因为年龄因素。听力过早地出现减退，对于长期在噪声环境里工作或生活，对于那些经常去迪斯科舞厅、吵闹的酒吧等等环境的们，可能尤其如此。 但是请不要沮丧，在这里我要说明的是，即使你的听力只能达到15kHz，一台频率响应上限为100kHx的功率放大器，对于你来说也仍然是非常有意义的。 4.2.3 不可或缺的高次谐波 我们知道声音的三要素是：音高，音色和响度。 其中“音色”（Timebre）对应于电信号的“波形”。 物理学告诉我们，满足一定条件的周期函数，可以通过“傅里叶分析”，表达成为三角函数的级数。乐音的波形是周期函数，可以分解成为n种不同频率的正弦波，其中最低频率的那一个称之为“基波”（基频），其余的频率通常为基频的整数倍，它们都被称之为“谐波”，依次为二次谐波、三次谐波n次谐波。 举一个比较特殊的例子：在电子电路的实验中，经常用到方波，这种波形经过傅里叶变换以后可以得到1、3、5、7次谐波，再以它的基频是人耳比较敏感的4kHz为例，那么它的7次谐波就是28kHz，远远地超出20kHz，对于频率响应的上限只能达到20kHz的放大器，它所能输出的波形只能是一个被严重“倒角”的方波，从听感上和一个没有被“倒角”方波差别就比较大了。 除了方波以外，还有其他一些波形的频谱更为复杂，比如锯齿波分量从1到8；又比如矩形脉冲高达9个分量！ 您也许会说，我们用音响是为了听音乐，不是为了听一个信号发生器产生的音响效果。乐器能够发出方波、三角波或者脉冲的声音来吗？当然，我们从单个乐器的声音分析中是见不到上述规范化的波形，但是当这些乐器在现场演奏的时候，以及我们周围的声音世界就包含有比这些特殊波形更为复杂的频谱。使用方波只是为了测试和对比的方便，它可以很直观地反映出放大器对瞬态信号的反应速度。 作为高保真音响的目的，就是要让系统发出来的声音，听上去尽可能真实地还原包括乐器演奏在内的各种声音效果，所以理所应当去重视那些虽然不能直接被听见，但是对波形又能构成较大影响的高次谐波成分。 一个频率失真的音响系统，完全有可能造成高次谐波的丢失，从而导致电信号的波形发生改变。 对于不同的音响产品来说，由于放大器和音箱的原因，谐波成分都有不同程度的损失，造成了波形的变化。波形的这些并不算微小的变化造成了“冷”、“暖”或者“中性”的音色趋向。 由于缺少频率在20kHz以上的声音，也往往使得我们一下就能听出来，我们是在欣赏音乐会呢，还是在聆听从一套音响发出的动静？ 在追求高保真音响效果的路途上，数码录音技术已经走在了前头，频率响应已经达到100kHz，而我们的功率放大器却基本停留在20kHz（-0.5dB）的水平上裹足不前，并且还有好多机型实际上达不到这个水平。 4.2.4 举足轻重的“音头” 科学家在对乐器的声学研究中，测试出了不同乐器的声音频谱，从这些频谱来看，很少有超过18kHz的。仅从这一点看，追求超过20kHz的频率响应似乎就缺少依据。 但应当指出的是，乐器声的频谱分析是在实验室条件下，建立在乐器持续稳定地发出声音的基础之上，这与实际演奏的情况并不完全相同。 音色不令取决于频谱，因为实际的音乐声并不是保持稳定不变的。事实上它的频率和强度都在时刻不停地变化，如果从动态的方式去观察，音乐的演奏过程会有许多强烈变化的、次数非常高的谐波分量。比如说每一个声音都有开始和结束，有一个建立和消失的过程，我们称之为“音头”和“音尾”，这个过程对于音色的形成占有相当重要的地位。 如果对一段乐器的录音“掐头去尾”，很可能放出来的声音就很难听出是哪一种乐器。 我们知道管乐器是用嘴来吹的，不同的吹气方式，就有不同的音头，但是不管用哪一种方式来吹奏，它们都有着比乐器持续发音的频谱复杂得多的瞬态过程。 弦乐器的音头也不简单，主要是富含高次谐波的“擦弦声”构成；另外