模擬電子技術(shù)課程設(shè)計音響放大器設(shè)計

1、音響放大器設(shè)計專業(yè)：班級：設(shè)計題目: 音響放大器設(shè)計設(shè)計者：學(xué)號：指導(dǎo)老師： 組員：設(shè)計時間：二 設(shè)計任務(wù)書1. 設(shè)計課題音響放大器設(shè)計2. 功能要求具有話音放大、音調(diào)控制、音量控制、電子混響、卡拉ok伴唱等功能3. 已知條件 集成功率放大器la4102一只，高阻話筒20k一個(輸出信號為5mv)，集成運算放大器lm324三只，10/2w負載電阻一只，8/0.1w揚聲器一只，磁帶錄音機一臺，電源電壓+vcc為+9伏，vee為-9伏。4. 主要技術(shù)指標額定功率： po0.3w(g 20k。5. 儀器設(shè)備低頻信號發(fā)生器ee1641b 1臺失真度測量儀 1臺 晶體管毫伏表da-16 1臺 數(shù)字萬用表

2、ut2003 1只 雙蹤示波器cos5020或tds210 1臺 實驗萬能板 1塊 直流穩(wěn)壓電源(雙路輸出) 1臺 元器件及工具 1盒6. 測量內(nèi)容與要求測量頻率為1khz時的輸出功率p。及整機電壓增益av.三 設(shè)計方案的選擇與比較論證方案一 ：采用鎖環(huán)頻率相合成技術(shù)外加音響放大器采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，先用鎖相環(huán)頻率合成產(chǎn)生一定范圍的頻率，在通過傳感器把接收到的頻率信號轉(zhuǎn)化音頻信號。在通過低通濾波器把頻率控制在音頻所需要的頻率范圍。它的優(yōu)點就是工作頻率可調(diào)也可以達到很高的頻率分辨率；缺點是要求使用的濾波器通帶可變，實現(xiàn)很困難。具體方案如圖1所示：晶振整形電路r分頻器鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器

3、可變分頻器圖1 鎖環(huán)頻率相合成技術(shù)框圖方案二：采用直接數(shù)字式頻率合成器dds技術(shù)外加音響放大器采用直接數(shù)字式頻率合成器(dds)，是用ram存儲所需波形的量化信息，按照不同頻率要求以頻率控制字k為步進對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在內(nèi)存里。dds具有相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間極短、頻率分辨率高等優(yōu)點；另外，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度也可實現(xiàn)程控。但在方案中需要一塊fpga,一塊雙口ram,那么設(shè)計的成本較高。同時電路也不好仿真。實現(xiàn)起來也比較困難。方案三：采用直接給定的音頻信號外加音響放大器采用直接所定的音頻信號，是由mp3現(xiàn)代音頻信號設(shè)備，直接給

4、音響放大器。此電路簡單，其優(yōu)點是：在音頻信號具有直接給定的音頻頻率，在頻率方面沒有失真效果，而且具有混響器的效果。本次設(shè)計采用這種方案主要是因為：它的設(shè)計簡單可靠，軟硬可相互補充各自的缺點。同時音響效果也比較好。音響放大電路設(shè)計由三部分組成:混合前置放大模塊，音調(diào)輸出控制模塊，功率放大模塊。混合前置放大模塊作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號混合放大。音調(diào)輸出控制模塊作用是主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性。功率放大模塊作用是給音響放大的負載（揚聲器）提供一定的輸出功率。話音放大器電子混響器磁帶防音機混合前置放大器音調(diào)控制器功率放大器圖2直接給定的音頻信號外加音響放大器 綜合分析采用此方案四 原

5、理說明1音響放大器的基本組成音響放大器的基本組成框圖如圖2.1所示。各部分電路的作用如下。圖2.1 音響放大器組成框圖 注:因時間原因和水平的限制,我們沒有做出電子混響器,望見諒.但我們給出了那部分的原理圖及實驗電路圖,供讀者參考.2.話音放大器 由于話筒的輸出信號一般只有5mv左右，而輸出阻抗達20k（亦有低輸出阻抗的話筒20，200（歐姆）等），所以話音放大器的作用是不失真地放大聲音信號（最高頻率達到10khz）。3.電子混響器,考慮到我們的雙面板的大小,與初次使用protel99布線能力,我們?nèi)∠似渲泻须娮踊祉懫麟娐凡糠?由功能可以看出它對整個設(shè)計影響不大. 但這里我們還是作一個簡單

6、介紹:電子混響器是用電路模擬聲音的多次反射,產(chǎn)生混響效果,使聲音聽起來具有一定深度感和空間立體感. 其組成框圖如圖2.2所示。其中，集成電路bbd稱為模擬延時器，其內(nèi)部有由場效應(yīng)管構(gòu)成的多級電子開關(guān)和高精度存儲器。在外加時鐘脈沖作用下，這些電子開關(guān)不斷地接通和斷開，對輸入信號進行取樣、保持并向后級傳遞，從而使bbd的輸出信號相對于輸入信號延遲了一段時間。bbd的級數(shù)越多，時鐘脈沖的頻率越高，延遲時間越長。bbd配有專用時鐘電路，如mn3102時鐘電路與mn3200系列的bbd配套。電子混響器的實驗電路如圖2.3圖所示,其中兩級二階低通濾波器(mfb)a1、a2濾去4khz（語音）以上的高頻成分

7、，反相器a3用于隔離混響器的輸出與輸入級間的相互影響。rp1調(diào)節(jié)混響器的輸入電壓，rp2調(diào)級mn3207的平衡輸出以以減小失真，rp3調(diào)節(jié)時鐘頻率，rp4控制混響器的輸出電壓。圖中mn3207與mn3102各引腳的電壓如下： 引腳 1 2 3 4 5 6 7 8 mn3207的電壓/v 0.0 3.2 0.0 5.6 6.0 3.2 2.6 2.6 mn3107 的電壓/v 6.0 3.2 0.0 3.2 3.2 3.2 2.8 5.6圖2.2 電子混響器組成框圖圖2.3 電子混響器實驗電路4.混合前置放大器 混合前置放大器的作用是將磁帶放音機輸出的音樂信號與電子混響后的聲音信號混合放大,這是

8、一個反相加法器電路，輸出與輸入電壓的關(guān)系為 v0=-(rf/r1*v1+rf/r2*v2)式中，v1為話筒放大器輸出電壓；v2為放音機輸出電壓。 音響放大器的性能主要由音調(diào)控制器與功率放大器決定，下面詳細介紹這兩級電路工作原理及其設(shè)計方法。5.音調(diào)控制器由電路原理圖可知音調(diào)控制器主要是控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性，理想的控制曲線如圖2.4所示。圖中，f0(等于1khz)表示中音頻率，要求增益av0=0db；fl1表示低音頻轉(zhuǎn)折(或截止)頻率，一般為幾十赫茲；fl2(等于10 fl1)表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率； fh1表示高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率；fh2(等于10fh1)表示高音頻轉(zhuǎn)折頻率

9、，一般為幾十千赫茲。 av/db 200db/10倍頻 20 17 3 0 f/hz -3-20 -17 fl1 fl2 fh1 fh2 圖2.4 音頻控制曲線由圖可見,音調(diào)控制器只對底音頻與高音頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持0db不變。因此，音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。由運算放大器構(gòu)成的音調(diào)控制器，如圖2.5所示。這種電路調(diào)節(jié)方便，元器件較少，在一般收錄機、音響放大器中應(yīng)用較多。在圖2.中rp3稱為音量控制電位器，其滑臂在最上端時，音響放大器輸出最大功率。 圖2.5 音調(diào)控制器2音調(diào)控制器的低頻電路圖2.6 音響放大器低頻等效電路設(shè)電容c1 = c2 c3 ,

10、在中低音頻區(qū),c3 可以視為開路,在中高音頻區(qū),c1,c2 可視為短路。 1）.當ff0 時，音調(diào)控制器的低頻等效電路如圖2.6所示。其中，圖2.6為滑臂在最右端，對應(yīng)于低頻衰減最大的情況。分析表明，圖2.6所示電路是一個一介有源低通濾波器，其增益函數(shù)的表達式為： a（jw）= - 式中 ，w1=1/（rp1c2）或 fl1=1/(2prp1c2)，w2=（rp1+r2）/（rp1r2c2）或fl2 =(r1+r2)/(2rp1r2c2)當ff0時，音調(diào)控制器的高頻等效電路如圖2.8所示。2.8音調(diào)控制器高頻等效電路圖2.9 圖2.8的等效電路由于此時可將c1，c2視為短路，r4與r1，r2組

11、成星型連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接后的電路如圖2.9所示。電阻的關(guān)系為 ra=r1 +r4+( r1r4 /r2) rb =r4 +r2 +（r4r2 /r） rc=r1 +r2 +（r2r1/r4） 若取r1=r2=r4 ，則式（4-2-1）為 ra=rb=rc=3r1=3r2=3r4高頻等效電路如圖2.10所示，其中，圖（a）為rp2的滑臂在最在最左端時，對于高頻提升最大的情況：圖（b）為rp2的滑臂在最右端時，對應(yīng)于高頻衰減最大的情況。分析表明，圖（a）所示電路為一價有源高通波器，其增益函數(shù)的表達式為a（jw）=式中 w3=1/(ra+r3)c3或fh1=1/ 2p（ra+r3）c3 w4

12、=1/(r3 .c3) 或fh2 =1/(2pr3c3)與分析低頻等效電路的方法相同（從略），得到下列公式。當f f h2時，c3 視為短路，此時電壓增益 avh=（ra+r3）/r3同理可以得出圖（b）所示電路的相應(yīng)的表達式，其增益相對于中頻增益為衰減量。音調(diào)控制器高頻時的幅頻特性曲線2.4中右半部分實線所示。實際應(yīng)用中 ，通過先提出對低頻區(qū)（或）和(或()即 =. =/ （a）高頻提升 （b）高頻衰減 2.10 圖2.9的高頻等效電路6.功率放大器 功率放大器（簡稱功放）的作用是給音響放大器的負載rl（揚聲器）提供一定的輸出功率，當負載一定時，期望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡

13、可能地小，效率盡可能高。功率放大器的常見電路形式有otl（output transformerless）電路和ocl(output capacitorless)電路。有用集成運算放大器（簡稱運放）和晶體管組成的功率放大器，也有專用集成電路功率放大器,在本次設(shè)計時我們采用集成電路功放大器la4102。 la4102集成音頻功放圖2.11 為la4102的管腳，此集成功放既可采用單電源供電方式，也可以采用正負電源供電方式。圖2.11 la4102的管腳圖（1） a4102集成功放電路工作原理la4102功放具有集成運放的結(jié)構(gòu)特點，由輸入級、中間級和輸出級三部分組成，其內(nèi)部電路如圖2.5所示。圖2.

14、12 a4102集成功放電路工作原理la4102集成功放放大器主要技術(shù)指標 電源電壓 9v 靜態(tài)電流 20ma 輸入電阻 20k 電壓增益 50db 輸出功率 2w 頻率響應(yīng) 90hz20khz (2)功率放大器原理圖 五 音響放大器的整機實驗電路圖與pcb圖1.整機實驗圖圖3.1 原理圖2.雙面板pcb圖圖3.2 雙面板pcb圖六 電路安裝與調(diào)試1.合理布局、分級裝調(diào) 音響放大器是一個小型電路系統(tǒng)，安裝前要對整機線路進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布線，功放級應(yīng)該遠離輸入級，每一級的地線盡量接在一起，連線盡可能短，否則很容易產(chǎn)生自激。 安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量，安裝時特別要注意功放

15、塊、運算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始向后級安裝，也可以從功放級開始向前逐級安裝。安裝一級調(diào)試一級，安裝兩級要進行級聯(lián)調(diào)試，直到整機安裝與調(diào)試完成。2.電路調(diào)試技術(shù) 電路的調(diào)試過程一般是先分級調(diào)試，再級聯(lián)調(diào)試，最后進行整機調(diào)試與性能指標測試。 分級調(diào)試又分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試時，將輸入端對地短路，用萬用表測該輸出端對地的直流電壓。話放級、混合級、音調(diào)級都是由運算放大器組成的，其靜態(tài)輸出直流電壓均為vcc/2。動態(tài)調(diào)試是指輸入端接入規(guī)定的信號，用示波器觀測該級輸出波形，并測量各項性能指標是否滿足題目要求，如果相差很大，應(yīng)檢查電路是否接錯，元器件數(shù)值是否合

16、乎要求，否則是不會出現(xiàn)很大偏差的。 單級電路調(diào)試時的技術(shù)指標較容易達到，但進行級聯(lián)時，由于級間相互影響，可能使單級的技術(shù)指標發(fā)生很大變化，甚至兩級不能進行級聯(lián)。產(chǎn)生的主要原因：一是布線不太合理，形成級間交叉耦合，應(yīng)考慮重新布線；二是級聯(lián)后各級電流都要經(jīng)電源內(nèi)阻，內(nèi)阻壓降對某一級可能形成正反饋，應(yīng)接rc去耦濾波電路。r一般取幾十歐姆，c一般用幾百微法大電容與0.1uf小電容相并聯(lián)。由于功放級輸出信號較大，對前級容易產(chǎn)生影響，引起自激。集成塊內(nèi)部電路多級點引起的正反饋易產(chǎn)生高頻自激，常見高頻自激現(xiàn)象如圖b所示?？梢约訌娡獠侩娐返呢摲答佊枰缘窒?，如功放級腳與腳之間接入幾百皮法的電容，形成電壓并聯(lián)負反

17、饋，可消除疊加的高頻毛刺。常見的低頻自激現(xiàn)象是電源電流表有規(guī)則地左右擺動，或輸出波形上下抖動。產(chǎn)生的主要原因是輸出信號通過電源及地線產(chǎn)生了正反饋?？梢酝ㄟ^接入rc去耦濾波電路消除。為滿足整機電路指標要求，可以適當修改單元電路的技術(shù)。圖b 常見高頻自激現(xiàn)象3.整機功能試聽：用8歐姆/4w的揚聲器代替電阻rl，可進行以下功能試聽l 話音擴音 將低阻話筒話音放大器的輸入端。應(yīng)注意，揚聲器輸出的方向與話筒輸入后，會產(chǎn)生自激嘯叫。講話時，揚聲器傳出的聲音應(yīng)清晰，改變音量電位器，可控制聲音大小。l 音樂欣賞 將錄音機輸出的音樂信號，接入混合前置放大器，改變音調(diào)控制級的高低音調(diào)控制電位器，揚聲器的輸出音調(diào)發(fā)

18、生明顯變化。4.焊接技術(shù)(1).電路板的安裝與焊接印制電路板的裝焊在整個電子產(chǎn)品制造中處于核心的地位，可以說一個整機產(chǎn)品的“精華”部分都裝在印制板上，其質(zhì)量對整機產(chǎn)品的影響是不言而喻的。盡管在現(xiàn)代生產(chǎn)中印制板的裝焊已經(jīng)日臻完善，實現(xiàn)了自動化，但在產(chǎn)品研制，維修領(lǐng)域主要還是手工操作；況且手工操作經(jīng)驗也是自動化獲得成功的基礎(chǔ)。 (2).印制板與元器件檢查裝配前應(yīng)對印制板和元器件進行檢查， 內(nèi)容主要包括:印制板：圖形，孔位及孔徑是否符合圖紙，有無斷線，缺孔等，表面處理是否合格，有無污染或變質(zhì)。元器件：品種，規(guī)格及外封裝是否與圖紙吻合，元器件引線有無氧化，銹蝕。對于要求較高的產(chǎn)品，還應(yīng)注意操作時的條件

19、，如手汗影響錫焊性能，腐蝕印制板，使用的工具如改錐，鉗子碰上印制板會劃傷銅箔，橡膠板中的硫化物會使金屬變質(zhì)等。 (3).元器件引線成型如圖一所示，是印制板上裝配元器件的部分實例，其中大部分需在裝插前彎曲成型。彎曲成型的要求取決于元器件本身的封裝外形和印制板上的安裝位置，有時也因整個印制板安裝空間限定元件安裝位置。 元器件引線成型要注意以下幾點：所有元器件引線均不得從根部彎曲。因為制造工藝上的原因，根部容易折斷。一般應(yīng)留15mm以上（圖二）。 彎曲一般不要成死角，圓弧半徑應(yīng)大于引線直徑的12倍。要盡量將有字符的元器件面置于容易觀察的位置，如圖三所示。4.元器件的插裝貼板與懸空插裝如圖四（a）所示

20、，貼板插裝穩(wěn)定性好，插裝簡單；但不利于散熱，且對某些安裝位置不適應(yīng)。懸空插裝，適應(yīng)范圍廣，有利散熱，但插裝較復(fù)雜，需控制一定高度以保持美觀一致。如圖四（b）所示，懸空高度一般取26mm。插裝時具體要求應(yīng)首先保證圖紙中安裝工藝要求，其次按實際安裝位置確定。一般無特殊要求時，只要位置允許，采用貼板安裝較為常用。 安裝時應(yīng)注意元器件字符標記方向一致，容易讀出。圖五所示安裝方向是符合閱讀習(xí)慣的方向。安裝時不要用手直接碰元器件引線和印制板上銅箔。插裝后為了固定可對引線進行折彎處理（圖六）。5.印制電路板的焊接 焊接印制板，除遵循錫焊要領(lǐng)外，以下幾點須特別注意： 電烙鐵，一般應(yīng)選內(nèi)熱式2035w或調(diào)溫式，

21、烙鐵的溫度不超過300的為宜。烙鐵頭形狀應(yīng)分局印制板焊盤大小采用鑿形或錐形，目前印制板發(fā)展趨勢是小型密集化，因此一般常用小型圓錐烙鐵頭。 加熱方法，加熱時應(yīng)盡量使烙鐵頭同時接觸印制板上銅箔和元器件引線（圖七）。對較大的焊盤（直徑大于5mm）焊接時可移動烙鐵，即烙鐵繞焊盤轉(zhuǎn)動，以免長時間停留一點導(dǎo)致局部過熱，如圖八所示。金屬化孔的焊接，兩層以上電路板的孔都要進行金屬化處理。焊接時不僅要讓焊料潤濕焊盤，而且孔內(nèi)也要潤濕填充。因此金屬化孔加熱時間應(yīng)長于單面板。 焊接時不要用烙鐵頭摩擦焊盤的方法增強焊料潤濕性能，而要靠表面清理和預(yù)焊。 耐熱性差的元器件應(yīng)使用工具輔助散熱。6 .焊后處理 剪去多余引線，

22、注意不要對焊點施加剪切力以外的其他力。 檢查印制板上所有元器件引線焊點 ，修補缺陷。 根據(jù)工藝要求選擇清洗液清洗印制板。一般情況下使用松香焊劑后印制板不用清洗。7. 導(dǎo)線焊接導(dǎo)線焊接在電子產(chǎn)品裝配中占有重要位置。實踐中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的電子產(chǎn)品中，導(dǎo)線焊點的失效率高于印制電路板，有必要對導(dǎo)線的焊接工藝給予特別的重視。七 測試結(jié)果與分析 1.測得各級電壓如下: 話筒輸入電壓 v0=4.9mv 話放級輸出電壓v1=41mv 混放級輸出電壓v2=122mv 音調(diào)級輸出電壓v3=98mv 功放級輸出電壓v4=3.8v 2. 數(shù)據(jù)處理增益的計算:話放級電壓增益av1=8.37混放級電壓增益av2=2.97

23、音調(diào)級電壓增益av3=0.83 功放級電壓增益av4=38.83.誤差計算v0/mvv1/mvv2/mvv3/mvv4/vav1av2av3av4測量值4.9041.00122.0098.003.808.372.970.80338.80理論值5.0042.00125.00100.003.008.503.000.8030.00誤差值2.00%2.40%2.40%2.00%26.70%1.53%1.00%0.30%29.30%4.各級的輸出波形圖1:音調(diào)級的輸出波形圖2 功放級輸出波形圖3:音響放大器的輸出波形5.數(shù)據(jù)分析(1).輸出有干擾信號這主要是由于低通濾波器沒有起到理想的低通濾波的效果引起

24、的。(2).前值放大輸出有干擾波形主要是運放集成塊產(chǎn)生了自激現(xiàn)象，產(chǎn)生了干擾信號，使輸出信號有干擾波形。(3).產(chǎn)生自激現(xiàn)象是電源電流表有規(guī)則地左右擺動，或輸出波形上下抖動(4).元器件為非精密元器件,存在一定誤差,影響產(chǎn)品質(zhì)量(5).測量儀器存在誤差,為非精密萬用表(dt830),影響了測量結(jié)果.(6).萬用表測量結(jié)果不穩(wěn)定,讀數(shù)有誤差;數(shù)據(jù)計算中,結(jié)果精確到小數(shù)點后一位有效數(shù)字.(7).功率放大級有元件參數(shù)不準確,有一個1歐電阻因沒配到用10歐代替,加大了誤差.八 元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量電容（1uf）1個電容（10 uf）8個電容（0.01uf）2個電容（560pf）1個電容（250uf

25、）1個電容（0.05 uf）1滑動變阻器（10 k）5個滑動變阻器（470 k）2個電阻（10 k）8個電阻（75k）1個電阻（3 k）2個電阻（47k）3個電阻（470 k）1個電阻（13k）1個電阻（620）1個電阻（10）1個lm3243塊la41201塊 九 心得體會學(xué)到的只是理論，與做實物出來感覺真的不一樣，而且比想象中的多。通過這次模電設(shè)計讓我們這個組的人學(xué)習(xí)了很多的東西，了解所學(xué)的專業(yè)到底是什么，要學(xué)什么，從那里下手，都有了明確的方向。紙上得來終覺淺，平常我們只是學(xué)學(xué)電路，看看書本，在設(shè)計中，我遇到不少困難，比如在我們焊接時，先把集成座焊接上去，開始了布元件，之后我才發(fā)現(xiàn)了致命的錯誤，也是我們第一塊板作廢的關(guān)鍵，我們忘記了我們的芯片是十四管腳而集成座是十六管腳，所有的努力都灰飛煙滅了。通過這次設(shè)計，我掌握了模擬電子技術(shù)放大電路的設(shè)計方法，根本上的實現(xiàn)了理論與實踐的統(tǒng)一，增強了分