电子技术综合与应用（下篇共上中下3篇）314

第7章音频功放电路项目7.1问题的提出7.2问题的分析7.3绘制本项目电路原理图7.4设计本项目印制电路板图7.5安装调试本项目电路7.6项目总结

7.1问

题

的

提

出

某一电子厂家获得一份为多媒体电脑配套的小型有源音箱的生产合同。该有源音箱的技术要求如下：

(1)双声道，每声道最大输出功率不小于3 W。

(2)具有音调控制功能。

(3)输出功率(音量)的大小连续可调。

(4)非线性失真：小于10%。

(5)输入阻抗：不小于10 kW。

(6)频率响应：60 Hz～15 kHz。

7.2问

题

的

分

析

一般的音响系统由音源、控制放大系统和扬声器系统等几部分组成。

音源是指声音信号(电信号)的来源，主要有调谐器(收音)、录音卡座、激光唱机、话筒等，给音频放大器提供音频信号。控制放大系统主要包括放大器、均衡器、功率放大器，将由音源送来的音频信号经过处理后输出一个足够大的电信号去推动扬声器。扬声器系统(音箱)的作用就是重现声音。有源音箱是音响系统中的一部分，是控制功率放大器系统和扬声器系统的有机结合体。把控制功率放大器置于扬声器系统(音箱)内，就构成了有源音箱。其作用就是把多媒体电脑中声卡输出的音频电信号，经过功率放大器放大从而推动扬声器进行声音的重现。有源音箱省去功放外壳，节省空间，减少外接线路，特别是功放和音箱达到较好的匹配，而普通音响系统中的很多功能和电路可以通过电脑中的声卡及与之配套的软件来实现，因此具有较高的性价比，在多媒体电脑中得到广泛的应用。有源音箱的功能框图如图7-1所示。图7-1有源音箱的功能框图7.2.1电声基础

一、声音的基本概念

声音是由振动物体产生的，是通过传声媒质作用于人耳引起的主观感受。如说话声、歌声、雷声以及音响设备发出的声音等。

能够产生声音的振动物体或系统称为声源，如乐器、扬声器、耳机等。振动体的振动引起周围的空气不断地压缩和膨胀，并向四周扩散(传播)，这就是声波。图7-2中扬声器和耳朵之间疏密不同的线条，表示空气密度的变化。这种变化是和扬声器纸盆的振动相对应的，当声波传到人的耳朵时，人的耳朵会感受到物体振动的声音。图7-2声音的形成声波的频率就是每秒钟内周期性的振动次数，用符号f表示，单位为赫兹(Hz)。一般正常人耳朵可以听到20 Hz～20 kHz频率范围的声音，频率小于20 Hz的称为次声，频率大于20 kHz的称为超声。我们平时听到的声音有的很高、很尖，有的很低沉，这与声音(波)的频率有关。尖锐的声音频率高，低沉的声音频率低。

声波每秒钟内传播的距离称为声速，也称音速，用c表示，单位为米/秒(m/s)。声音在空气中的传播速度约为340m/s。

声波在一个周期内传播的距离称为波长，用符号λ表示，单位为m。声波的波长、频率、声速三者的关系为

当声速一定时，频率越高，波长越短。

声音在传播的过程中具有反射和折射、绕射、干涉的传播特性。

声音在传播过程中遇到另一种物体(媒介)的界面时会产生反射和折射现象。当声波遇到凹面物体时会形成聚焦；当声波遇到凸面物体时会形成散射；当声波遇到另一物体时会反射，同时还有一部分声波进入这种物体而折射。

当声波遇到障碍物时，会有一部分声波绕过障碍物继续向前传播，而形成绕射现象。绕射的程度取决于声波的波长与障碍物的大小关系。若波长远大于障碍物的线度尺寸，绕射现象非常显著；反之，则绕射现象较弱。因此，对于同一障碍物而言，频率较低的声波容易绕射，频率较高的声波不容易绕射。当声波遇到障碍物的洞孔时也会产生绕射现象，声波的波长远大于洞孔尺寸时，洞孔就好像一个新的点声源，声波从洞孔向各个方向传播，当波长远小于洞孔尺寸时，只能通过洞孔直线传播。当两个频率相同的声波传到空间中同一点时会造成干涉现象。若相位相同，声波增强；若相位相反，则声波减弱。若频率不同，则声波时而增强时而减弱。

上面描述的是有关声音(波)的纯物理特性，人耳对(听到的)声音(波)的感觉与之有关，也有不同。

我们把人耳听到的声音用音量、音调和音色来描述，称为声音的三要素。

音量就是声音的大小(强弱)，是响度的俗称。人耳听到的音量常用声压(级)表示。(产生声音的)振动物体使空气各部分随时间作压缩和膨胀的周期性变化，空气被压缩的地方，气压增加；空气被膨胀的地方，气压减小，于是就在原有的空气压强上附加了一个气压的变化。这种由于声波引起的交变气压称为声压。声压的大小反映了声波的强弱，习惯上讲的声压实际上是指有效声压。在一定时间内，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压，用符号Pe表示。正常人能听到的最弱的声音约为2×10－5 Pa，称为参考声压，用Pr表示。声波振幅大，声压就高，人耳就感觉到音量大、声音响；反之，音量小、声音轻。人耳听到声音的强弱不仅与声源有关，同时也与传播的距离有关(声压会随着传播距离的增加而减弱)。在同一个声源的情况下，距离越远，人耳感觉到的音量越小。

人耳感受到的音量大小并不正比于声压的大小，而是与其对数值成正比。为此，在声学中还常用声压级来描述声波的强弱，用符号Lp表示，单位为分贝(dB)。声压级Lp的定义为

其中Pe为待测声压。此外，人耳对不同频率的声音感觉到的响度(音量)也不同。一般来说，人的听觉在3000～4000 Hz之间最灵敏，为了正确地表示人耳听到声音的响度与声音频率的客观规律，可用等响曲线表示，如图7-3所示。图7-3中水平坐标为频率，对应的频率是20～15 000 Hz，纵坐标为声压级，对应的声压级为0～140 dB。图7-3等响曲线等响曲线反映的一个基本规律是人耳对3000～4000 Hz频率范围内的声音响度感觉最敏感。另一个基本规律是声压级越高，等响曲线越平坦，声压级不同，等响曲线有较大差别，特别是在低频段。这个规律在音响技术中具有实际的指导意义。这说明低于或高于原始声音的声压级重放声音，则会改变原始声音各个频率成分的相对响度关系，产生音色失真。所以，在放音时，特别是小音量放音时，为了不改变音色，就应借助等响曲线揭示的听觉特性进行频率补偿，这就是等响度控制电路。音调又称音高，由基音频率的高低决定。基频越高，音调越高。音调的单位是美，频率为1000 Hz、声压级为40 dB的纯音所产生的音调定义为1美。

音调与频率的对数值成正比，这一关系在音乐中获得应用。目前世界上通用的十二平分律等程音阶是按照基波频率的对数值取等分而确定的。声音基波每增加一个倍频程，音乐上称为提高一个“八度音”。

音色是反映声音品质的，不同物体发出的声音，音色是不同的。两个发声体即使发出的声音音调相同，响度也相同，但人耳仍能分辨出来，就是因为它们的音色不同。音色主要取决于声波的谐波成分。另外，音色还与声音的响度、音调、持续时间、建立过程及衰变过程等因素有关。二、立体声

1．人耳听觉中的立体感

1)人耳听觉的方向感

人的耳朵长在头部两侧，从一个耳朵送到大脑的声感和从另一个耳朵送来的声感是相互独立的，两者分别通过不同的神经传入大脑。当声波传到人的两耳时具有强度差(声压级差)、时间差(相位差)和音色差。这些差别作用于人耳的神经系统，使神经系统对声音传来的方向做出心理判断。人耳辨别声源的原理，如图7-4所示。图7-4人耳辨别声音方向图在20 Hz～20 kHz的音频信号中，人们对于不同的频率，双耳的响应是不同的。为此把小于150 Hz的音频定为低频信号区，150～500 Hz之间的音频定为中低频信号区，500～5000 Hz之间的音频定为中高频信号区，高于5000 Hz的称为高频信号区。

我们两只耳朵的间距大约在18 cm，对于频率为2000 Hz以上的声波遇到人头这个障碍物时，会产生反射，使离声源较远的那只耳朵无法听到2000 Hz以上的声音。对于频率在200～2000 Hz之间的中低频、中高频声波，由于其波长大于18 cm，声波可以通过绕射到达远离声源的那只耳朵，因此，高频定位主要依据强度差，低频和中频主要依靠双耳间产生的时间差来判断声源的方位。

综上所述，我们根据两只耳朵得到声波的频率成分不同、声压不同和相位不同，来判断声源的方向和位置。另外，人耳听觉的方向感，还与人的心理因素、视觉等有关。

2)立体声

自然界中所发出的声音，如轰隆隆的雷声、呼啸奔驰的火车声、乐队演奏的乐曲声等，都存在于人类生活的立体空间中。它们的方位和传播的特性都具有立体性质，而人类又具有感觉这些声音立体特性的本能。所以，当直接听到这些声音时，除了能感受到声音的强度、音调和音色以外，还能感受到这些声音的方位和层次。这种具有方位、层次等空间分布特性的声音，就称为立体声。

3)双声道立体声

双声道立体声广播中，发送端同时发送含有左(L)、右(R)两个声道的信号，而接收端经处理后，将左(L)、右(R)信号用两个声道的扩音系统对双声道立体声实现重放。

我们可以做这样一个实验，如图7-5所示。

SP1、SP2为两个扬声器，要求它们能放出同一个声音信号。我们可以发现，当SP1、SP2的声压级相同时，声音到达人的两耳时间分别对应相等，则聆听者感到声音不是分别来自SP1、SP2，而是觉得声音是从SP1、SP2的中间，即人的上前方发出的；当SP1的声强比SP2的声强大，声象感将由中间向SP1移动，当SP1的声强比SP2的声强大15dB以上时，感觉到的声源固定在SP1处；反之相反。如果SP1、SP2的声强相等，而将SP2向后移动到SP2′处，我们同样会发现声象由中间向SP1移动；当SP2后退到更远的地方时，我们会更加明显地感觉到声象位于SP1处了。图7-5立体声原理实验

实验证明，用两个扬声器放音时，分别改变左、右两个扬声器的放声强度和相位差，人便可以本能地在两只扬声器之间的不同位置构造出一个不同的“声源”。两只扬声器放出的声音使人感到时间与声强差，从而产生立体声效果，人犹如身临其境般地欣赏优美动听的乐曲。

双声道立体声重放系统中除必须具有两个彼此独立的声道外，每条声道的增益和频率特性也必须相同。因为声道的任何不平衡，都会明显地影响立体声效果，所以，调整时要使两个声道的参数同时变化，以确保平衡。

4)环绕声

当人们到音乐厅欣赏音乐时，除了从舞台上直接听到演奏声之外，还可以听到周围墙壁反射的混响声。然而利用普通立体声重放系统来播放音乐时，所能感受到的“声象”仅为“点声源”，至多为“面声源”，这样就失去了音乐厅里那种“立体声”的感觉。

环绕立体声是近年来迅速发展起来的一种新型立体声系统，它能够产生类似立体空间形式的“声象”，使音乐声具有回旋的、缭绕的、扩展的、有真正“立体效应”的特殊韵味，聆听者产生类似于身在音乐厅之中，有身临其境之感觉。这种立体声称为环绕立体声，能产生环绕立体声的装置则称为环绕立体声系统。

5)立体声系统的几个技术指标

(1)声象舞台。声象舞台就是能够将各种乐器形成的反射声进行混响，混响声并不是来自一个方向，而是展开成一个很宽的角度，形成身临其境的感觉。

(2)音乐信号的组成。直达声：直达声即音乐厅中乐器演奏直接到达听众席的声音，要求传播的时间为40～50 ms。

近次反射声：近次反射声也称反射声，一般反射声到达听众席的时间比直达声稍稍滞后，它对直达声有加重、加宽的作用，故又称有用声，反射声传播时间约为20～50 ms。

混响声：音乐厅内的墙壁、顶棚等对声音信号多次反射而到达听众席的声音称为混响声。声音每次入射、反射，墙面都要吸收一部分声音功率，故混响声的程度在一段时间内是逐渐减小的。一般规定，从声源停止发声到室内的声能密度下降60dB所需的时间，称为混响时间，约为1.8～2.2 s。混响声建立有一个过程，即从乐器发声，产生混响到达到最大值，需要一定时间，约为20～50 ms，它对听音的真实感有重要作用。7.2.2功率放大电路

如前所述，音响系统由音源、控制放大系统和扬声器系统等几部分组成。一套音响系统要实现高保真的效果，必须每个单元环节都具有很好的性能。如果系统中只强调某个、某几个单元的技术指标，则系统整体的技术指标不会很好。

有源音箱的音频信号来自于电脑中的声卡，配合声卡及相应的程序通过电脑操作就可以对音频信号进行处理，如立体声声道的平衡、频率均衡、音量、混响等。因此，就本项目而言，有源音箱主要需要考虑的问题就是对来自于电脑中声卡的音频信号进行功率放大(根据项目要求增加低音或高音提升电路)，并通过功率放大电路推动扬声器重现声音。

1．功率放大电路的技术指标

功率放大电路的性能好坏是用一系列的指标来表示的，表征其性能的主要指标如下：

(1)频率响应。频率响应反映了功率放大器对各种频率信号放大的能力，它是指功率放大器的增益(dB)与输入信号的频率(f)的关系，一般品质较高的功率放大器其频率响应范围应在20 Hz～20 kHz，通带不平度 ±1 dB。

(2)信噪比。信噪比是指信号电平与噪声电平的比率，用S/N表示，S为信号电平，N为噪声电平。信噪比越高说明放大器的噪声越低，对于功率放大器的信噪比一般要求在60 dB以上。

(3)失真。功率放大器的失真种类很多，主要有谐波失真、交叉失真、瞬态失真、相位失真及开关失真等，一般要求功率放大器总的失真应小于0.3%。

(4)动态范围。动态范围表示功率放大器中可能出现的最高电压与最低电压之比，用分贝表示。一般动态范围受到放大器输出功率等方面的影响，高保真音响功率放大器的动态范围在85～100dB。

(5)输出功率。常见的输出功率有额定输出功率、最大输出功率、不失真输出功率。国际电工委员会规定高保真功率放大器的输出功率的指标为：总谐波失真≤0.5%，频率范

围达到40 Hz～16 kHz，每个声道的额定输出功率≥10 W，额定输出功率是0.8倍最大输出功率。

(6)阻尼系数。阻尼系数是表达功率放大器内阻的指标，它与扬声器阻抗成正比，与功率放大器输出阻抗成反比。通常阻尼系数越大，扬声器的失真就越小。一般功率放大器的阻尼系数不小于10。

上述技术指标仅对功率放大电路而言，与本项目提出的指标相比较，可以得出本项目的指标要求是不高的，甚至是低的。本项目可以选择相应的集成音频功率放大器来承担这一工作。

2．集成功率放大器的选择及应用电路

集成功率放大器的选择首要考虑的就是满足最大输出功率的要求，然后再考虑其他的性能指标是否满足要求。

本项目中选择TDA1521A集成音频功率放大器。TDA1521A有以下主要特性：双声道功率放大器；构成功率放大电路仅需要少量的外围元件(这一特点很适合作为有源音箱的功率放大电路)；低偏置电压；具有很好的声道间增益平衡；具有短路保护和热保护功能。其主要技术指标如下：

(1)电源电压范围：±7.5～±21 V。

(2)输出功率：(THD=0.5%，电源电压为 ±12 V)6 W。

(3)电压增益：30 dB。

(4)声道增益平衡：0.2 dB。

(5)声道隔离度：70 dB。

(6)噪声电压：70 μV。

TDA1521A的管脚排列如图7-6所示。

TDA1521A的典型应用电路如图7-7所示。图7-6TDA1521管脚排列图7-7TDA1521A的典型应用电路

3．音调控制电路

音调控制电路的功能是根据需要按一定规律控制调节音响放大器的频率响应，更好地满足人耳的听觉特性及个人的喜好。一般音调控制器只对低(频)音和高(频)音信号的增益进行提升或衰减，而中(频)音信号的增益不变。音调控制器电路的结构形式很多，常用的典型电路如图7-8所示。

图7-8所示电路中，C1、C2、RP1用于对低频信号的控制；C3、R4、RP2用于对高频信号的控制。因此，C1、C2的电容容量较大，对高频信号其容抗较小，可视作短路；而C3的容量较小，对低频信号可视作开路。图7-8低音控制电路对低频信号而言，C3相当于开路，如图7-9所示。当电位器RP1中间的滑动臂左移，由运放构成的放大电路的增益越大；当滑动臂处于最左边位置(如图7-10所示)时，由运放构成的放大电路的增益最大，从而使低频信号得以提升；同理，当电位器RP1滑动臂处于最右边位置(如图7-11所示)时，由运放构成的放大电路的增益最小，从而使低频信号得以衰减；当电位器RP1滑动臂处于中间位置(如图7-9所示)时，对低频信号不衰减也不提升。

图7-9低频信号等效电路图7-10低音提升最大时的等效电路图7-11低音提升最小时的等效电路

对高频信号而言，C1、C2相当于短路(如图7-12所示)。把R1、R2、R3从星形连接等效为三角形连接，电路可进一步等效为图7-13所示的电路。当电位器RP2中间的滑动臂处于最左边位置时，电路可等效为图7-14所示的电路。由运放构成的放大电路的增益最大，从而使高频信号得以提升；当电位器RP2滑动臂处于最右边位置时，电路可以等效为图7-15所示的电路，由运放构成的放大电路的增益最小，从而使高频信号得以衰减；当电位器RP1滑动臂处于中间位置时，对高频信号不衰减也不提升。图7-12高频信号等效电路

图7-13星形连接等效为三角形连接后的电路图7-14高音提升最大时的等效电路图7-15高音提升最小时的等效电路音调控制电路中的运放可采用NE5532双集成运算放大器。

NE5532集成运算放大器有“运放皇”的美名，其主要性能如下：

(1)小信号带宽达10 MHz。

(2)较大的驱动能力负载为600 Ω，电压可达10 V。

(3)低噪声电压，典型值为5nV/。

(4)直流电压放大倍数为50000。

(5) 10 Hz时交流电压放大倍数为2200。

(6)压摆率达9 V/μs。

(7)电源电压范围宽，为 ±3～±15 V。

(8)内部集成了频率补偿。

NE5532型运放有脚标准双列直插形式，其管脚排列见图7-16。

音调控制器电路及参数见图7-17。因为本项目是双声道立体声电路，这样的电路有两个。电路中的电位器RP1、RP2应采用双联电位器。

在音调控制电路的输出与地之间接入4.7 k的双联电位器，其滑动臂接至功率放大电路的输入端就可以实现音量控制了。图7-16NE5532管脚排列

图7-17音调控制器电路及参数

4．电源电路

功率放大电路性能的优劣除与放大电路本身性能有关外，还与其供电的直流电源有很大的关系。

一般功率放大电路要求直流电源的噪声要小，以减小扬声器的静态噪声；瞬时能提供较大的电流，在放音时提供瞬间的低频(低音)大电流。所以，功率放大电路的电源一般不采用稳压电路，仅用整流、滤波就可以了。滤波电容的容量要足够大，同时须加一些小电容进行高频滤波。在本项目中还有音调控制电路也需用到直流电源，最好采用直流稳压以后给其供电，具体电路如图7-18所示。图7-18电源电路7.2.3扬声器与音箱的基础知识

功率放大器把音频信号放大后必须通过扬声器才能发出声音。扬声器与音箱是音响系统中最重要的组成部分之一，是把音频电信号有效地转换成相应的声音，并把它辐射到媒质中去的一种电声换能器件，其作用是实现声音的重放。

1．扬声器的基础知识

扬声器的种类较多，按结构和换能方式来分，常用的有电动式扬声器、压电陶瓷式扬声器、电容式扬声器及电磁式扬声器等。其中，电动式扬声器的电声性能最好，在音响设备中应用最广泛。按扬声器的工作频率范围来分，可分为高频扬声器、中频扬声器、低频扬声器及全频扬声器。高频扬声器的工作频率范围一般为4 kHz～20 kHz，中频扬声器的工作频率范围一般为500 Hz～6 kHz，而低频扬声器的工作频率范围为20～800 Hz。全频扬声器的工作频率范围为20 Hz～20 kHz，能够覆盖高、中、低整个频段。按扬声器的振动膜(盆)制作材料的不同可分为纸盆、碳纤维盆、PP盆、玻璃纤维盆、防弹布盆、钛膜及丝绸膜扬声器。纸盆扬声器是采用纸材料制作振动膜的扬声器，其优点是灵敏度较高，工作频率较高，工作效率较高，重放的音质较好。缺点是承受功率小，纸盆容易受潮，目前应用在少数高档扬声器中。碳纤维扬声器采用碳纤维制作扬声器的振动盆，材质较硬，重放中、低频效果较好。PP盆扬声器采用石墨强化聚丙烯材料制作，特点是重放频率范围较宽。玻璃纤维扬声器其性能与碳纤维扬声器的特性基本相同。防弹布盆扬声器是采用高强度防弹纤维制造的，其主要特点是重放动态音频信号时非线性失真较小。钛膜扬声器采用金属钛作为扬声器的振动膜，一般用于高音扬声器，重放声较为纤细，有一定的金属感。丝绸膜扬声器是采用天然丝质编织的振动膜，一般也用于高音扬声器，特点是重放声细腻、柔和。按扬声器振动膜边缘使用的不同材料来分，可分为纸边、布边、橡皮边及泡沫边。目前常用的材料为高泡沫边，它具有很好的柔性和弹性。

电动式扬声器的基本构造如图7-19所示，它主要由磁路系统、振动系统和辅助装置三大部分组成。图7-19电动式扬声器的基本构造

磁路系统包括永久磁铁、导磁夹板和圆形心柱。磁路系统的作用是产生扬声器正常工作所必需的永久磁场，磁场越强，扬声器的灵敏度越高。

振动系统包括纸盆振动膜、音圈和音圈支架。它的作用是当音频电流通过音圈时产生磁场，与磁路系统产生的磁场相互作用，带动振动膜产生振动，压缩周围的空气，把声音传播出去。

辅助装置包括盆架及其他辅助材料。盆架是保证纸盆能正常运动的一个重要支承件，要求它本身必须具有很高的强度和刚性，常用钢板冲压成型或用铸铝等方式制造。电动式扬声器的发声原理如图7-20所示。由于扬声器的振动膜和音圈粘贴在一起，置于磁路系统的磁隙中，当扬声器的音圈内有电流通过时，便产生交变的磁场，永久磁铁同时也产生一个大小和方向不变的恒定磁场。由于音圈产生磁场的大小和方向随音频电流的变化不断地在改变，这样两个磁场的相互作用使音圈作震颤运动，由于音圈和振动膜相连，从而带动振动膜产生振动，振动膜振动引起周围空气的压缩，传到人的耳中，使人们听到原来的声音。纸盆的振动周期与输入电流的周期相等，振动幅度与输入的音频信号电流强弱有关。音频电流越大，纸盆的振幅也越大，发出的声音就越响。图7-20电动式扬声器的发声原理扬声器是音响系统中的重要部件。它的主要技术指标如下：

(1)标称尺寸。标称尺寸是指扬声器盆架的最大口径，其口径大小与扬声器的性能有一定的关系。一般来说，口径越大，扬声器所能承受的功率越大，输出功率也越大，其低频响应也越好。应注意的是口径小的扬声器，其高频特性不一定好。

(2)声压频率特性。声压频率特性是指扬声器在输入信号大小不变时，其输出的声压级随输入信号频率变化而变化的特性。如图7-21所示，图中给出了三种声压频率特性曲线。图7-21声音频率特性曲线

(3)频率范围。频率范围是指扬声器在重放时所能够达到的频率范围，它是扬声器较为重要的一个指标。扬声器的频率范围越宽，它重放声音的频率范围就越宽。

(4)标称功率。标称功率是指扬声器在长时间连续工作条件下允许输入的功率，它也是扬声器在一段时间内所消耗能量的平均值，标称功率的单位用瓦(W)表示。

(5)标称阻抗。扬声器的标称阻抗是扬声器输入电压U和流过音圈的信号电流I之比。它是频率的函数，随输入信号的频率而变。它的典型阻抗特性曲线如图7-22所示，当信号频率接近扬声器的机械振动频率时，即谐振峰f0处，阻抗达到最大值；在反谐振峰(一般在200～400 Hz)处，阻抗达到最小值；高频段由于音圈感抗增大，阻抗Z又逐渐增大。为了使扬声器与功率放大器匹配，通常把反谐振峰点的阻抗称为扬声器的额定阻抗。常见的扬声器阻抗有4 Ω、8 Ω、16 Ω。

图7-22电动式扬声器的阻抗特性曲线

(6)效率和灵敏度。扬声器的效率是指扬声器的输出声功率和输入电功率之比。一般扬声器的效率是用一定的输入电功率条件下，离扬声器一定距离的轴向声音强度表示。灵敏度是评价扬声器电-声转换效率的一个技术指标，定义为声压Pe与电压U之比。一般为输入1 W的电功率时，在扬声器正面轴向1 m处所测得的平均声压的大小。一般扬声器的灵敏度应大于80 dB。

(7)指向的特性。指向的特性是指扬声器在空间各个方向辐射的声压分布情况，如图7-23所示。从图7-23中可以看出，当扬声器的工作频率越高时，指向特性越窄。扬声器的指向特性还与扬声器的振动膜直径大小有关，振动膜直径大的扬声器比振动膜直径小的扬声器指向特性窄。图7-23扬声器的指向特性

(8)失真。失真主要指的是谐波失真，扬声器放声时出现信号频率的高次谐波，称为谐波失真，它是由于支撑系统的非线性变形或磁隙中磁场分布不均匀形成的。当振动系统的振动结果与原音声波的形状不完全吻合时，产生的纯音与谐音的频率相加减，使放音时出现原音中所没有的新频率成分而产生失真。一般要求失真度小于7%(谐波总成分与基波相比)。

2．音箱的基础知识

音箱又称扬声器箱。它是由扬声器和箱体等组成。如果两个或两个以上不同频率的扬声器构成扬声器组，则还需配上相应的分频器(无源分频器)，把(高、中、低音)扬声器组装在专门设计的箱体内，并经过分频电路将(高、中、低)音频信号(分别)送至相应的扬声器进行重放。

音箱的种类较多，按其分频的方式分主要有单扬声器音箱、二分频音箱、三分频音箱、四分频音箱、多分频音箱、超低音音箱(低音炮)等。音箱按其构造分类有闭箱、倒相箱、空纸盆箱(无源辐射箱)、迷宫箱、二级倒相箱、前号筒箱、后号筒箱、箱式低音炮、管式低音炮、加载式、传输线式、管道式等形式。设置音箱的目的有两个，一是因为频率在1～200 Hz以下的低音无方向性，振膜前后方的声波呈反相状态，会引起低音声短路，致使低频声压大跌，因此需用音箱隔离前后声波；二是单个扬声器的频响范围有限，为拓宽频响，需用2只以上扬声器分别工作在不同的频段，以达到对高低音向两端延伸的要求，防止声短路问题，但背辐射声波的能量没有利用起来。为改善这一弱点，人们又发明了以上形式的音箱，在防止低音声短路的前提下，充分利用背辐射声波的能量，提高电声转换效率，拓宽低频响应。

音箱的几种箱体结构如图7-24所示。图7-24音箱的结构

3．扬声器和音箱的选择

在有源音箱中，扬声器和箱体在材料成本中占的比例较大。如何选择扬声器和音箱，关键要看成本控制的情况。在成本控制内，追求好的性能。

本项目的有源音箱的技术指标并不高，可以采用全频率功率为3 W左右的扬声器(一般而言，为了确保音箱不失真地重现声音，功率放大器的输出功率要略大于扬声器的功率)。若用户有更高的要求，可以采用双单元二分频设计，一个较小的扬声器负责中高音的输出，而另一个较大的扬声器负责中低音的输出，高音单元采用质量较好的丝膜和成本较低的PV膜等软球顶，低音单元采用纸盆或羊毛编织盆。

音箱的箱体可采用木质倒相式结构。低档塑料音箱因其箱体单薄，无法克服谐振，故无音质可言。木质音箱降低了箱体谐振所造成的音染，音质普遍好于塑料音箱。

音箱的声音重现效果与音箱所处的空间环境、位置摆放及环境内的物品大小、形状、材料等都有关系。此外，人对声音的感觉、喜好因人而异，没有绝对的评判标准。对这些问题在本项目中不再探讨。

7.3绘制本项目电路原理图

根据上述分析，用Protel软件绘制完整的电路原理图。

7.4设计本项目印制电路板图

根据本项目原理图，设计印制电路板图。在设计印制电路板时要注意电源线、地线、功率放大电路输出的铜箔导线必须加粗，以便导线能通过足够大的电流。采用接插件连接方式，则也要考虑接插件通过电流的能力。同时要注意电路元器件和导线的布局，良好的布局对减小电路的噪声、提高电路的性能有很好的作用。功率放大集成电路需要采用足够散热能力的散热器，在设计印制电路板时应加以考虑。

7.5安装调试本项目电路

7.5.1安装本项目电路

根据原理图及元件排列图(元件排列图可以通过彩色打印机把PCB图包含顶层、底层、综合层及丝网层一起打印出来而得到)安装电路。注意了解前面项目中所述的有关元器件安装、焊接等相关内容，并参照电路安装。经检查安装无误以后，接通电源，进入电路的调试阶段。7.5.2调试本项目电路

电路的调试分如下三部分进行。

1．直流稳压电源部分的调试与检测

一般只要测量整流滤波后的电压及稳压器后的电压是否正常即可。不正常则需排除故障，如果电路正确、安装无误则不需要调试。

2．功率放大器输出的检查

在电路输入端不加音频输入信号的情况下，用万用表检测功率放大器的两个输出端的直流电压，正常情况下，其值应接近于0 V，否则须检查电路，找出故障原因。

3．完整电路的检测

(1)功率放大器的输出与扬声器连接。

(2)调整电位器RP1、RP2至中间位置，音量电位器调至音量最小位置，接通音源(如声卡的音频输出或MP3、MP4的音频输出)，接通功放电源。缓慢调整音量电位器，扬声器的声音应增加而不失真。在音量适中的情况下，调整RP1低音部分应有明显的提升或衰减；调整RP2高音部分应有明显的提升或衰减。

对于本项目中具体的技术指标不再作定量的检测。

7.6项目总结

项目总结内容包括：

(1)项目名称。

(2)项目的要求，主要技术指标的分析。

(3)项目系统框图。

(4)电路的选择、元器件选择、元器件参数确定的过程简述。

(5)电路的安装调试过程简述，包括使用的设备、工具，调试的步骤，测试的数据、波形、结果分析，调试过程中出现的问题，解决的方法。

(6)在项目教学过程中学习体会。同时，总结中附上电路原理图、印制电路板图、元器件清单。

(7)自我评价。

(8)学生互评。

(9)教师评价。第8章线圈绕线机计数器项目8.1问题的提出8.2问题的分析8.3本项目电路8.4绘制本项目电路原理图8.5印制电路板的绘制8.6安装调试本项目电路8.7项目总结

8.1问

题

的

提

出

小型变压器线圈、小型电机线圈、电感线圈在绕线时需要绕线机对线圈的匝数进行计数。常用的线圈计数器采用机械方式进行计数和显示，不直观也不准确。可以通过数字电路技术对线圈的匝数进行计数并通过LED数码管显示计数值。根据要求，这样的计数器应具有如下功能：

(1)提供一个工作稳定、频率可变的脉冲产生电路，其脉冲的产生与绕线机转轴转过的圈数相关，每转过一圈产生一个脉冲。

(2)能对计数脉冲进行计数，并可根据转轴的转动方向加1计数或减1计数，通过7段数码管显示计数值。

(3)可预置计数初值。

8.2问

题

的

分析

本项目的电路由传感器电路(计数脉冲产生电路)、计数电路、预置电路、译码与显示电路、报警和控制等电路组成。本项目电路的功能框图见图8-1。图8-1本项目电路功能框图8.2.1霍尔元件的分析

1．霍尔元件传感器(脉冲产生电路)

在本项目的电路中采用霍尔元件作为传感器，绕线机每转一圈产生一个脉冲。

霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，霍尔器件可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高，线性度好；霍尔开关器件无触点，无磨损，输出波形清晰，无抖动，无回跳，位置重复精度高；取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55～150℃。

按照霍尔器件的功能，可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质，可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作为被检测信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

2．霍尔效应

在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图8-2中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德·

霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。图8-2霍尔效应示意图霍尔效应的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称做霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。

在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压VH，C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件(又称霍尔片)。霍尔器件是用半导体材料制成的一种薄片，它是一种磁敏感器件，当它处于磁场中时，会产生电动势。在垂直磁场平面方向上施加外磁场，再沿平面上加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电动势，霍尔电动势的大小和外磁场以及电流大小成正比。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类。前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大；后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯

片上。

霍尔集成电路分为霍尔线性电路和霍尔开关电路。霍尔线性电路由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性见图8-3。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场强度的检测。图8-3霍尔线性电路的功能框图和输出特性霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP -BRP = BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框图见图8-4，图8-4(a)表示集电极开路(OC)输出，图8-4(b)表示双输出。它们的输出特性见图8-5。图8-5(a)表示普通霍尔开关，图8-5(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。图8-4霍尔开关电路的功能框图图8-5霍尔开关电路的输出特性一般规定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。

锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。本项目采用A44E型霍尔开关器件，引脚(1)接电源(电压为4.5～24 V)，引脚(2)接地线，引脚(3)为数字信号输出端，接计数电路脉冲输入端。

A44E集成霍尔开关由稳压器A、霍尔电动势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成，如图8-6(a)所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。图8-6集成开关型霍尔传感器功能框图及输出特性在输入端，输入电压VCC经稳压器稳压后加在霍尔电动势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点(即BOP)时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开。当施加的磁场达到释放点(即BRP)时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关。这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。

BOP与BRP的差值一定，此差值BH = BOP-BRP，称为磁滞，在此差值内，VO保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一。集成霍尔开关传感器输出特性如图8-6(b)所示。图8-7(a)为霍尔开关的外形图。霍尔开关的磁钢为直径D=6.004mm、厚度L=3.032mm的钕铁硼磁钢，电源用直流，霍尔开关输出由四位半直流数字电压表指示，磁感应强度B由95A型集成线性霍尔元件测量。测量时1、2两端加+12 V直流电压，在输出端3与1之间接一个2kW 的负载电阻，如图8-7(b)所示。图8-7集成霍尔开关的外形及接线

1)输出特性

霍尔传感器的主要特性之一是它的输出特性，即输入磁感应强度B与输出电压VO之间的关系。测量所得数据见表8-1。

从表中数据可见，A44E集成霍尔开关是单稳态型。由测量数据作出的特性曲线如图8-6(b)所示。表8-1霍尔元件的输出特性

2)磁输入特性

霍尔传感器的另一主要特性是磁输入特性。其磁输入有三种基本情况：单极磁场、双极磁场和交变磁场。A44E集成霍尔开关的磁输入为单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和集成霍尔开关之间的距离。测量时，将磁铁固定，移动集成霍尔开关，并且使移动方向在磁铁与霍尔开关的轴心线方向上。实验显示，当磁铁和霍尔开关移近到一定位置时，霍尔开关接通。二者移开一定距离后，霍尔开关断开。若设两者之间的距离为r，则测得r=4 mm时，霍尔开关导通，此时B=16.9mT；而r=5 mm时，霍尔开关断开，测得B=3.2mT。可见导通点与释放点间的距离为1 mm，这是用直径只有D=4.0 mm的钕铁硼强磁材料做成磁铁测量的结果。其他形状和大小磁铁的测量结果略有不同，详见表8-2。表8-2霍尔元件的输入特性

由霍尔元件组成的电路，可以进行磁场强度测量。当霍尔元件放在磁场强度大的地方，则输出低电平；当磁场小或撤销磁场时，霍尔元件输出高电平。

在本项目中将一块小的永久磁铁安置在与绕线机转轴刚性连接的转盘上，转轴转动时磁铁也随之转动，霍尔元件放置在绕线机的固定端(不转动)，并能感受到磁铁磁性的位置。这样，转轴转一圈，线圈绕一圈，霍尔元件产生一个脉冲。8.2.2计数器

计数器是数字电路系统中应用最多的时序电路，它是一种对输入计数脉冲CP个数进行计数，并能记忆的数字装置。计数器是对脉冲信号进行计数的，所谓脉冲信号是指在短暂的时间间隔内作用于电路的电压或电流。广义地讲，凡是不连续出现的电压或电流都称为脉冲信号。从信号波形来说，除了正弦波和若干个正弦分量合成的连续波以外，都可以称为脉冲波。常见的脉冲信号波形如图8-8所示。图8-8几种常见的脉冲信号波形处理脉冲信号的电路称为脉冲电路。脉冲电路主要研究脉冲的产生、变换、整形等问题，着重分析输入、输出波形的形状、幅度及频率等。在工程应用中，脉冲产生电路一般都是由传感器电路表现出来的。如霍尔元件组成的传感器电路，红外对管元件组成的传感器电路，另外，常见的脉冲产生电路还有555振荡电路。脉冲产生电路产生的波形有时是不规则的，需要加一级整形电路把不规则的波形转换成一定宽度和幅度的脉冲，以便脉冲信号能被计数电路所识别。典型的整形电路有施密特触发器、单稳态触发器。用门电路可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，也可用555定时器构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

计数器按计数脉冲引入方式，分为同步和异步计数器；按进位制，分为二进制、十进制和N进制计数器；按逻辑功能，分为加法、减法和可逆计数器；按集成度，分为小规模与中规模集成计数器。异步计数器：

异步二进制计数器在做“加1或减1”计数时，是采取从低位到高位逐位进位或借位的方式工作的。因此，各个触发器不是同时翻转的。这类电路的特点是CP信号只作用于第一级，由前级为后级提供驱动状态变化的信号。如图8-9所示，第一级输出信号Q0或其反相输出的上升沿或下降沿滞后于CP的上升沿(传输延迟时间)。以这种信号作为后级的驱动信号，使第二级的输出信号相对于CP的延迟时间为两级电路的延迟时间。由于触发器的输出信号相对于初始的CP的延迟时间随级数增加而累加，故各级的输出信号不是同步信号，因而叫做异步计数器。图8-93位二进制异步加法计数器同步计数器：

所有触发器的时钟控制端均由计数脉冲CP输入，CP的每一个触发沿都会使所有的触发器状态更新。应控制触发器的输入端，可将触发器接成T触发器。当低位不向高位进位时，令高位触发器的T=0，触发器状态保持不变；当低位向高位进位时，令高位触发器的T=1，触发器翻转，计数加1。二进制异步加计数器：

1)电路结构

以3位二进制异步加法计数器为例，如图8-9所示，该电路由3个上升沿触发的D触发器组成，具有以下特点：每个D触发器输入端接该触发器Q端信号，因而Qn+1=Qn，即各D触发器均处于计数状态；计数脉冲加到最低位触发器的CP端，每个触发器的Q端信号接到相邻高位的CP端。

2)原理分析

假设各触发器均处于0态，根据电路结构特点以及D触发器的工作特性，不难得到其状态图和时序图，它们分别如图8-10和图8-11所示。其中虚线是考虑触发器的传输延迟时间tpd后的波形。图8-10状态图

图8-11时序图由状态图可以清楚地看到，从初始状态000(由清零脉冲所置)开始，每输入一个计数脉冲，计数器的状态按二进制递增(加1)，输入第8个计数脉冲后，计数器又回到000状态。因此它是八进制加计数器，也称模8(M=8)加计数器。

从时序图可以清楚地看到，Q0、Q1、Q2的周期分别是计数脉冲(CP)周期的2倍、4倍、8倍，也就是说，Q0、Q1、Q2分别对CP波形进行了二分频、四分频、八分频，因而计数器也可作为分频器。需要说明的是，由图8-11中的虚线波形可知，在考虑各触发器的传输延迟时间tpd时,对于一个n位的二进制异步计数器来说，从一个计数脉冲(设为上升沿起作用)到来，到n个触发器都翻转稳定，需要经历的最长时间是ntpd，为保证计数器的状态能正确反映计数脉冲的个数，下一个计数脉冲(上升沿)必须在ntpd后到来，因此计数脉冲的最小周期Tmin = ntpd。二进制异步减计数器：

图8-12是3位二进制异步减计数器的电路图和状态图。从初态000开始，在第一个计数脉冲作用后，触发器FF0由0翻转为1(Q0的借位信号)，此上升沿使FF1也由0翻转为1(Q1的借位信号)，这个上升沿又使FF2由0翻转为1，即计数器由000变成了111状态。在这一过程中，Q0向Q1进行了借位，Q1向Q2进行了借位。此后，每输入1个计数脉冲，计数器的状态按二进制递减(减1)。输入第8个计数脉冲后，计数器又回到000状态，完成一次循环。因此，该计数器是八进制(模8)异步减计数器，它同样具有分频作用。图8-123位二进制异步减法计数器综上所述，可对二进制异步计数器归纳出以下两点：

(1) n位二进制异步计数器由n个处于计数工作状态(对于D触发器，使Di = ；对于JK触发器，使Ji = Ki =1)的触发器组成。各触发器之间的连接方式由加、减计数方式及触发器的触发方式决定。对于加计数器，若用上升沿触发的触发器组成，则应将低位触发器的端与相邻高一位触发器的时钟脉冲输入端相连(即进位信号应从触发器的端引出)；若用下降沿触发的触发器组成，则应将低位触发器的Q端与相邻高一位触发器的时钟脉冲输入端连接。对于减计数器，各触发器的连接方式则相反。

(2)在二进制异步计数器中，高位触发器的状态翻转必须在低一位触发器产生进位信号(加计数)或借位信号(减计数)之后才能实现，故又称这种类型的计数器为串行计数器。也正因为如此，异步计数器的工作速度较低。二进制同步计数器：

为了提高计数速度，可采用同步计数器，其特点是：计数脉冲同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，当计数脉冲到来时，各触发器同时被触发，应该翻转的触发器是同时翻转的，没有各级延迟时间的积累问题。同步计数器也可称为并行计数器。

二进制同步加计数器：

图8-13所示是用JK触发器(已令J=K)组成的4位二进制(M=16)同步加计数器。图8-13二进制同步加计数器由图可见，各位触发器的时钟脉冲输入端接同一计数脉冲CP，各触发器的驱动方程分别为J0=K0=1，J1=K1=Q0、J2=K2=Q0Q1、J3=K3=Q0Q1Q2。

根据同步时序电路的分析方法，可得到该电路的状态表，如表8-3所示。设从初态0000开始，因为J0=K0=1，所以每输入一个计数脉冲CP，最低位触发器FF0就翻转一次，其他位的触发器FFi仅在Ji=Ki=Qi－1Qi－2…Q0=1的条件下，在CP下降沿到来时才翻转。表8-3二进制同步加计数器状态表

图8-14是图8-13所示电路的时序图，其中虚线是考虑触发器的传输延迟时间tpd后的波形。由图8-14可知，在同步计数器中，由于计数脉冲CP同时作用于各个触发器，所有触发器的翻转是同时进行的，都比计数脉冲CP的作用时间滞后一个tpd，因此其工作速度一般要比异步计数器高。图8-14二进制同步加计数器时序图应当指出的是，同步计数器的电路结构较异步计数器复杂，需要增加一些输入控制电路，因而其工作速度也要受这些控制电路的传输延迟时间的限制。如果将图8-13电路中触发器FF1、FF2和FF3的驱动信号分别改为

即可构成4位二进制同步减计数器。二进制同步可逆计数器：

在实际应用中，有时要求一个计数器既能作加计数又能作减计数。同时兼有加和减两种计数功能的计数器称为可逆计数器。

4位二进制同步可逆计数器如图8-15所示，它是在前面介绍的4位二进制同步加和减计数器的基础上，增加一个控制电路构成的。由图8-15可知，各触发器的驱动方程分别为图8-154位二进制同步可逆计数器当加/减控制信号x=1时，FF1～FF3中的各J、K端分别与低位各触发器的Q端接通，进行加计数；当x=0时，各J、K端分别与低位各触发器的端接通，进行减计数，实现了可逆计数器的功能。

二进制计数器具有电路结构简单、运算方便等特点，但是日常生活中我们所接触的大部分都是十进制数，特别是当二进制数的位数较多时，阅读非常困难，这就有必要讨论一下十进制计数器。在十进制计数体制中，每位数都可能是0，1，2，…，9十个数码中的任意一个，且“逢十进一”。根据计数器的构成原理，必须由四个触发器的状态来表示一位十进制数的四位二进制编码，而四位编码总共有十六个状态，所以必须去掉其中的六个状态，至于去掉哪六个状态，可有不同的选择。这里考虑去掉1010～1111这六个状态，即采用8421BCD码的编码方式来表示一位十进制数。

8421BCD码异步十进制加计数器：

用JK主从触发器组成的一位异步十进制加计数器如图8-16(a)所示。图8-168421BCD码异步十进制加计数器(a)逻辑图；(b)工作波形

1)电路结构

由四个JK主从触发器组成，其中FF0始终处于计数状态。Q0同时触发FF1和FF3，Q3反馈到J1，Q2Q1作为J3端信号。

2)工作原理

(1)工作波形分析法：由逻辑图可知，在FF3翻转以前，即从状态0000到0111为止，各触发器翻转情况与异步二进制递增计数器相同。第八个脉冲输入后，四个触发器状态为1000，此时Q3=0，下一个FF0来的负阶跃电压不能使FF1翻转。因而在第十个脉冲输入后，触发器状态由1001变为0000，而不是1010，从而使四个触发器跳过1010～1111这六个状态而复位到原始状态0000，其工作波形如图8-16(b)所示。

当第十个脉冲作用后，产生进位输出信号C0=Q3Q0。

(2)状态方程分析法：首先列出各触发器驱动方程：触发器在异步方式工作时，若有CP触发沿输入，其状态由特征方程确定，否则维持原态不变。这时触发器的特征方程可变为Qn+1=(JQn+KQn)CP↓+QnCP↓，其中CP↓=1表示有CP触发沿加入，CP=0表示没有CP触发沿加入，所以可以写出以下状态方程：

根据以上状态方程，即可列出计数器的状态转移表，如表8-4所示。表8-4异步十进制加计数器状态转移表

以上两种方法均表明该逻辑电路具有8421码异步十进制递增计数的功能。

8421码同步十进制加计数器：

1)电路结构

电路结构如图8-17所示，它由四个主从JK触发器组成，各触发器共用同一个计数脉冲，是同步时序逻辑电路。图8-178421码同步十进制加计数器

2)工作原理

各触发器方程如下：将驱动方程代入JK触发器特征方程，得状态转移方程：由于各触发器共用同一个时钟脉冲，故上式中的CP↓可忽略不写。

设计数器状态为Q3Q2Q1Q0=0000，根据状态方程可列出状态转移真值表，该表与表8-5相同(不包括CP部分)，所以该电路是8421码十进制递增计数器。表8-5几种集成计数器

常用集成计数器电路介绍：

所谓集成计数器，就是把时序电路组成的计数器集成到一块芯片里去，由于它具有体积小、功耗低、功能灵活等优点，因此在一些简单的小型数字系统中被广泛应用。集成计数器的类型很多，表8-5列举了若干集成计数器产品。下面介绍几个较典型产品的功能和应用。

1) 74161

74161是4位二进制同步加计数器。图8-18(a)、(b)分别是它的逻辑电路图和引脚图，其中RD是异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输入端，EP和ET是计数使能端，RCO=ETQAQBQCQD是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。图8-1874161的逻辑电路图和引脚图表8-6是74161的功能表。由表可知，74161具有以下功能：

(1)异步清零。当RD

=0时，不管其他输入端的状态如何(包括时钟信号CP)，计数器输出将被直接置零，称为异步清零。

(2)同步并行预置数。在RD=1的条件下，当LD=0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，A、B、C、D输入端的数据将分别被QA～QD所接收。由于这个置数操作要与CP上升沿同步，且A～D的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。

(3)保持。在RD=LD=1的条件下，当ET • EP=0，即两个计数使能端中有0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。需要说明的是，当EP=0，ET=1时，进位输出RCO也保持不变；而当ET=0时，不管EP状态如何，进位输出RCO=0。

(4)计数。当RD=LD=EP=ET=1时，74161处于计数状态，其状态表与表8-6相同。表8-674161的功能表

图8-19是74161的时序图。由时序图可以清楚地看到74161的功能和各控制信号间的时序关系。图8-1974161的时序图由图8-19可知，首先加入一清零信号RD=0，使各触发器的状态为0，即计数器清零。RD变为1后，加入一置数信号LD=0，该信号需维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后。在这个置数信号和时钟脉冲上升沿的共同作用下，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同(图中DCBA=1100)，这就是预置操作。接着是EP=ET=1，在此期间，74161处于计数状态。这里是从预置的DCBA=1100开始计数，直到EP=0，ET=1，计数状态结束，转为保持状态，计数器输出保持EP负跳变前的状态不变，图中QDQCQBQA=0010，RCO=0。高速CMOS集成器件74HC161、74HCT161的逻辑功能、外形和尺寸、引脚排列顺序等与74161完全相同。

2) 74LS193

74LS193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。图8-20(a)、(b)分别是它的逻辑电路图和引脚图，表8-7是它的功能表。74LS193的特点是有两个时钟脉冲(计数脉冲)输入端CPU和CPD。在RD=0、LD=1的条件下，作加计数时，令CPD=1，计数脉冲从CPU输入；作减计数时，令CPU=1，计数脉冲从CPD输入。此外，74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号RD=1时，不管时钟脉冲的状态如何，计数器的输出将被直接置零；当RD=0，LD=0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的QA、QB、QC、QD端，称为异步预置数。74HC193、74HCT193的逻辑功能及引脚图与74LS193完全相同。图8-20双时钟4位二进制同步可逆计数器74LS193表8-774LS193的功能表

3) 74LS290的功能

74LS290是异步十进制计数器，其逻辑电路图和引脚图如图8-21(a)、(b)所示，它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由CPA端引入，输出由QA端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CPB端输入，输出由QB～QD引出，即得五进制计数器；如果将QA与CPB相连，计数脉冲由CPA输入，输出由QA～QD引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二-五-十进制计数器。表8-8是74LS290的功能表。图8-21异步十进制计数器74LS290表8-874LS290的功能表

由表可以看出，当复位输入R0(1)=R0(2)=1，且置位输入R9(1)=R9(2)=0时，74LS290的输出被直接置零；只要置位输入R9(1)=R9(2)=1，则74LS290的输出被直接置9，即QDQCQBQA=1001；只有同时满足R0(1)=R0(2)=0和R9(1)=R9(2)=0时，才能在计数脉冲(下降沿)作用下实现二-五-十进制加计数。74HC290、74HCT290的逻辑功能和引脚图与74LS290完全相同。

4) 74LS190

本项目采用74LS190集成计数器芯片。74LS190是同步十进制可逆计数器，它是靠加/减控制端来实现加计数和减计数的。其引脚排列如图8-22(a)、(b)所示。图8-2274LS190集成芯片引脚图及功能表引脚说明：

CO/BO：进位/借位输出端；

CP：时钟输入端；

CT：计数控制端(低电平有效)；

D0～D3：并行数据输入端；

：异步并行置入控制端(低电平有效)；

Q0～Q3：输出端；

RC：行波时钟输出端(低电平有效)；

U/D：加/减计数方式控制端。

74LS190的预置是异步的。当置入控制端(LD)为低电平时，不管时钟端(CP)状态如何，输出端(Q0～Q3)均可预置成与数据输入端(D0～D3)相一致的状态。

74LS190的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上来实现。当计数控制端(CT)为低电平时，在CP上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制(U/D)为低电平时进行加计数；当计数方式控制(U/D)为高电平时进行减计数。只有在CP为高电平时，CT和U/D才可以跳变。

74LS190具有超前进位功能。当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端(CO/BO)输出一个宽度约等于CP脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端(RC)输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。利用RC端可级联成N位同步计数器。当采用并行CP控制时，则将RC接到后一级CT；当采用并行CT控制时，则将RC接到后一级CP。

在数字系统中工作的是二进制的数字信号，而人们习惯十进制的数字或运算结果，因此需要用数字显示电路，显示出便于人们观测、查看的十进制数字。8.2.3译码器

译码是编码的逆过程，它的功能是将具有特定含义的二进制码进行辨别，并转换成控制信号，具有译码功能的逻辑电路称为译码器。

译码器可分为两种类型，一种是将一系列代码转换成与之相对应的有效信号。这种译码器可称为惟一地址译码器，它常用于计算机中对存储单元地址的译码，即将每一个地址代码转换成一个有效信号，从而选中对应的单元。另一种是将一种代码转换成另一种代码，所以也称为代码变换器。图8-23表示二进制译码器的一般原理图，它具有n个输入端，2n个输出端和一个使能输入端。在使能输入端为有效电平时，对应每一组输入代码，只有其中一个输出端为有效电平，其余输出端则为非有效电平。图8-23二进制译码器一般原理图下面首先分析由门电路组成的译码电路，以便熟悉译码器的工作原理和电路结构。2输入变量的二进制译码器逻辑图如图8-24所示。由于2输入变量A、B共有4种不同状态组合，因而可译出4个输出信号Y0～Y3，故图8-24为2线输入，4线输出译码器，简称2线-4线译码器。由图可写出各输出端的逻辑表达式如下：图8-242线-4线译码器逻辑图根据上式可列出功能表，如表8-9所示。由表可知，对于正逻辑，当EI为1时，无论A、B为何种状态，输出全为1，译码器处于非工作状态。而当EI为0时，对应于A、B的某种状态组合，其中只有一个输出量为0，其余各输出量均为1。比如，AB=00时，输出Y0为0，Y1～Y3均为1。由此可见，译码器是通过输出端的逻辑电平以识别不同的代码。表8-92线-4线译码器功能表

现将常用的集成译码器电路介绍如下。

1．74LS138集成电路译码器

图8-25(a)为常用的集成译码器74LS138的逻辑图，其引脚如图8-25(b)所示，它的功能如表8-10所示。由图可知，该译码器有3个输入A、