1、音响放大器设计论文1设计任务书1.1 设计名称：音响放大器1.2 设计任务：1.2.1 选定设计方案；1.2.2 完成单元电路的设计和主要元器件说明；1.2.3 完成硬件原理图设计和PCB图说明；1.2.4 安装各单元电路，要求布线整齐、美观；1.2.5 写出课程设计报告文档。1.3 设计要求：1.3.1 设计一个音响放大器，使其具有话筒扩音、音量控制、音调控制、电子混响、卡拉OK伴唱等功能。1.3.2 该音响放大器可以不失真地放大声音信号。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。1.3.3 主要技术指标如下：额定功率PO0.3W（r20K；音调控制特性1KHz处增益为0dB、125Hz和8KHz处
2、有12dB的调节范围，AVL=AVL20dB。 2设计方案及原理说明2.1 设计方案及工作原理说明：本设计由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器五部分组成。此设计方案具有使用元件少，电路简单明了等特点。其工作原理如下：当语音信号由话筒输出后，进入语音放大器放大并传入电子混响器产生混响效果。混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调控制器，然后进入功率放大器进行功率放大后，由扬声器输出声音。2.2 设计组成框图如下：图2.1.12.3 产品说明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。长期以来
3、，高品质音频放大器的工作类别，只限于A类(甲类)和AB类 (甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件，B类(乙类)电子管放大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真放大器均工作于推挽式的A类(甲类)。随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大器的类别而言，已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类)，而出现了更多类别的放大器。不过需要指出，就目前来说用于音频功率放大器的工作类别，A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类放大器仍覆盖着半导体放大器的绝大多数。本次设计采用晶体管器件设计放大器，此种方法的优点在于晶体管放大器具有细腻动人
4、的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。还可以配合来自声源特别是数码声源的音质而设计和使用。它不会使声音降级。此外它还具有效率高，电力损失小等优点。3 电路设计 本设计主要由五部分组成：语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器及功率放大器。下面分别就这五部分进行详细说明其电路结构和工作原理。3.1 语音放大器由于话筒的输出信号一般只有5mv左右，而输出阻抗到20 K。所以话音发大的作用是不是不失真地放大声音信号。其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。3.2 电子混响器 电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感。在“卡拉ok ”伴唱机中，都带
5、有电子混响器，其组成框图如图3.2.1所示。其中，集成电路BBD称为模拟延时器，其内部有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。在外加时钟脉冲作用下，这些电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行取样、保持并向后级传递，从而使BBD的级数越多，时钟脉冲的频率于高，延迟时间于长。BBD配有专用时钟电路，如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD配套。电子混响器的实验电路如图3.2.2所示，其中两级二阶低通滤波器（MFB）A1、A2滤去4KHz以上的高频成分，反相器A3用于隔离混响器的输出与输入级间的相互影响。RP1调节混响器的输入电压，RP2调节MN3207的平衡输出以减小失真，RP3调
6、节时钟频率，RP4控制混响器的输出电压。图中MN3207与MN3102各引脚的电压如下：引脚 MN3207的电压/V 0.0 3.2 0.0 5.6 6.0 3.2 2.6 2.6MN3102的电压/V 6.0 3.2 0.0 3.2 3.2 3.2 2.8 5.6图3.2.1图3.2.23.3 放大器混合前置放大器 混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响后的声音信号混合放大 。其电路如图4所示。这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：式中，V1为话筒放大器输出电压；V2为放音机输出电压。 图3.3.1 混合前置放音响放大器的性能主要由音调控制器与功率放大器决定，
7、后面将介绍这两种电路的工作原理及其设计方法。 3.4 音调控制器音调控制器主要是控制、调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图3.4.1中折线所示。图3.4.1中，f0表示中音频率，要求增益Avo=0dB；fL1表示低音频转折频率，一般为几十赫兹； fL2(等于10fL1)表示低音频区的中音频转折频率；fH1表示高音频区的中音频转折频率； fH2(等于10fH1)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹 。图3.4.1 音调控制曲线图3.4.2 音调控制电路由图3.4.1可见，音调控制器只对低音的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构
8、成。由运算放大器构成的音调控制器，图3.4.2所示。这种电路调节方面，元器件较少，在一般收音机，音响放大器中应用较多。下面分析该电路的工作原理。设电容C1=C2C3，在中、低音频区，C3可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音频区，C1、C2可视为短路，作为高通滤波器。3.4.1 音调控制器的低频等效电路 当ff0时，音调控制器的低频等效电路如图3.4.3所示。其中图（a）为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况；图（b）为RP1滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图(a)所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为 (3.4.1)式中， (3.4.2) (3.4
9、.3)图3.4.3 音调控制器的低频等效电路（a）低频提升 （b）低频衰减当f f0时，音调控制器的高频等效电路如图所示8所示。由于此时可将C1、C2可视为短路，R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图9所示。电阻的关系式为Ra=R1 + R4 + ( R1 R4 / R2) Rb=R4 + R2 + ( R4 R2 / R) (3.4.8)Rc=R1 + R2 + ( R2 R1 / R4) 图3.4.4 音调控制器的高频等效电路 图3.4.5 图8的等效电路若取R1=R2=R4，则 Ra = Rb = Rc = 3R1 = 3R2 = 3R4 （ 3.4.9）图3.4
10、.4的高频等效电路如图3.4.5所示，其中，图（a）为RP2的滑臂在最左端，对应于高频提升最大的情况；图（b）为RP1滑臂在最右端，对应于高频衰减最大的情况。分析表明，图(a)所示电路是一个一阶有源高通滤波器，其增益函数的表达式为式中，3=1/(Ra+R3)C3 或 H1=1/2(Ra+R3)C3 (3.4.10)4=1/(R3C3) 或 H2=1/（2R3C3） (3.4.11)与分析低频等效电路的方法相同，得到下列关系式。f FH2时，C3视为短路，此时电压增益 。4 功率放大器4.1 功率放大器的作用 率放大器功的作用是响放大器的负载R1（扬声器）提供一定的输出功率，当负载一定时，希望输
11、出的功率尽可能大，输出信号的非线形失真尽可能地小，功率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL（Output Transformerless）电路和OCL（Output capacitorless）电路。有用集成运算放大器（简称运放）和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率和放大器。4.1.1 LA4100LA4102集成功放的内部电路4.2 集成功放的典型应用 将LA4100LA4102集成功放接成OTL形式的电路如图所示。其外部元件的作用如下：图4.2.1 LA4100接成OTL电路4.2.1 话音放大器与混合前置放大器设计图4.2.2 话音放大与混合前置放大器电路设计5 音响放大
12、器的主要技术指标测试方法5.1. 额定功率 音响放大器输出失真度小于某一数值（如5%) 时的最大功率称为额定功率，其表达式为：P0=V0/RL式中，RL为额定负载阻抗；VO（有效值）为RL两端的最大不失真电压。VO常用来选定电源电压VCC（VCC2V0）。测量PO的条件如下:信号发生器的输出信号(音响放大器的输入信号)的频率i=1KHz,电压Vi=5mV,音调 控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置,音量控制电位器置于最大值,用双踪示波器观测Vi及Vo的波形,失真度测量仪监测Vo的波形失真。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Vi,直到V
13、o的波形刚好不出现削波失真,此时对应的输出电压为最大输出电压,由式即可算出额定功率Po。注意： 在最大输出电压测量完成后应迅速减小Vi,此时会损坏功率放大器。5.2 音调控制器特性 输入信号 Vi(=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入,输出信号Vo从输出的耦合电容引出.先测1KHz处的电压增益Avo(Avo0Db),再分别测低频特性和高频特性.测量方法如下:将RP1的滑臂置于最左端,当频率从20Hz至50KHz变化时记下对应的电压增益；再将RP1的滑臂分别置于最右端,RP2的滑臂置于最左端, 当频率从20Hz至50KHz变化时记下对应的电压增益。最后绘制音调控制特性曲线,并标注与等频
14、率对应的电压增益。5. 音频响应 放大器的电压增益相对于中音频0(1KHz)的电压增益下降3dB时对应低音截止频率L和高音频截止频率,称LH为放大器的频率响应。测量条件同上,调节RP3使输出电压约为最大输出电压的50%。测量步骤是:音响放大器的输入端接Vi(等于5mV不变),测出负载电阻RL上对应的输出电压V0,用半对数坐标纸绘制出频率响应曲线,并在曲线上标注L与H值。5. 输入阻抗 将从音响放大器输入端(话音放大器的输入端)看进去的阻抗称输入阻抗Ri.如果接高频话筒,则Ri应远大于20K。接电唱机,Ri应远大于500K。Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。注意 测量仪表的内阻要远大
15、与Ri。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)称为灵敏度Vs。 测量条件与额定功率的测量相同,测量方法是,使Vi从零开始逐渐增大,直到Vo达到额定功率值时所对应的电压值,此时对应的Vi值即为输入灵敏度。5. 燥声电压 音响放大器的输入为零时,输出负载RL上的电压称为燥声电压VN.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两端的电压波形,用交流毫伏表测量其有效值。5. 整机效应=P0/PC100%式中，P0为输出的额定功率，PC为输出额定功率时所消耗的电源功率。6 电路安装与调试技术6.1 合理布局，分级装调6.1.1 电路调试技术电
16、路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后进行整机调试与性能指标测试。 图6.1.1 常见高频自激现象6. 整机功能试听用8/4W的扬声器代替负载电阻RL，可进行以下功能试听： 话音扩音 将低阻话筒接话音放大器的输入端。应注意，扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反，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 将电子混响器模块按图3.7.20接入。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，以改善混响效果。 功能要求 具有话筒扩音、音调控制、音量控制等功能。 已知条件 集
17、成功率放大器LA4102 1只，高阻话筒20k 1个，其输出信号为5mV，集成运算放大器mA741 2只，10/2W负载电阻1只，8/4W扬声器1只，电源电压+VCC=+6V。 7 电路的安装与调试7.1 电路的安装7.1.1 安装工艺7.1.2 安装工具镊子 1把尖嘴钳 1把斜口钳 1把万用表 1只工具箱 1个面包板 1个7.1.3 安装工艺简介首先观察原理图，在面包板上根据电气要求进行合理的整体布局，分级装调。音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理的布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，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，否则很容易产生自激。应最
18、大限度的减少交叉线和飞线，降低干扰自己要形成一个大致的整体布局和接线方法，而且要尽量美观开始安装音响放大器：7.1.4 安装接触问题安装应接触良好,保证被安装元件间能稳定可靠通过一定电流。安装接触的发生安装应接触的发生，插拔元器件时候要垂直插拔以免造成不必要的机械损坏。7.1. 安装导线问题安装时必须采用绝缘良好的绝缘导线,连线的时候要取好元件与元件的距离。连接的时候线与线之间的交叉尽量的少。印制电路板工艺设计：单面SMT（单面回流焊接技术）此种工艺较简单。典型的单面SMT 其PCB主要一面全部是表面组装元器件。根据我司实际情况，这里我们可以将单面SMT概念略微放宽一些，即PCB主要一面上可以
19、有少量符合回流焊接温度要求和通孔回流焊接条件的THT元器件，采用通孔回流焊接技术焊接这些THT元器件，另外考虑到节省钢网，也可以允许在另一面有少量SMT元器件采用手工焊接（如我司部分无线网卡产品），手工焊接SMT元器件的封装要求如下：引线间距大于0.5mm（不包括0.5mm）的器件，片式电阻、电容的封装尺寸不小于0603，不要有0402排阻，不要有BGA等面阵列器件。也可以手工焊接少量THT元件。加工工艺为：锡膏涂布元器件贴装回流焊接手工焊接7. 电路的调试电路的调试过程一般是先分级调试，再级连调试，最后进行整机调试与性能指标测试。分机调试又分为静态调试和动态调试。静态调试时，将输入端对地短路
20、，用万能表测该级输出端对地的直流电压。功放机、混合机、音调都是由运放组成的，其静态工作输出直流电压均为Vcc/2，功放级的输出（OTL电路）也为VCC/2，且输出电容Cc两端充电电压也应为Vcc/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。单级电路调试时的技术指标很容易达到，但进行级联时，由于极间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大的变化，甚至两级不能进行级联。产生的主要原因是：一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应考虑重新布线；二是级联后各级电流都要流
21、经电源内阻，内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。R一般去几十欧姆，C一般取几百微法大电容与0.1F小电容并接。由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多极点引起的正反馈容易产生高频自激。可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放1脚与5脚之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除叠加的高频毛刺。常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动。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。可以接如RC去耦滤波电路消除。7.2.1 调试中注意的事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：调试结
22、果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。7.2.2 使用测量仪器的接地端7.2.3 测量阻抗测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。7.2.4 测量带宽测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。7.2.5 选择测量点要正确选择测量点。用同一台测量仪进行测量，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。7.2.6 调试过程 调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的
23、问题，完善设计方案。7.2.7 查找过程试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。如是原理图上的错误，即使重来也是白干一场。我们应当查找和分析故障原因，看成是一次好的学习机会，只有这样我们才会有进步，才会提高自己的分析能力。7.3 检查方法：检查的方法通常有两种方法，下面就此简单介绍。7.3.1 按照电路图检查安装的线路这种方法的特点按照电路图检查安装的线路这种方法的特点是：根据电路图连线，按一定的顺序一一检查安装好的线路，由此，可比较容易出错线和少线的位置。7.3.2 按照实际线路来对照原理图电路方法按照实际线路来对
24、照原理图电路方法。把每个元件引脚的连线一次检查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做标记，最好用指针万用表“1欧姆”档或数字万用表测量“二极管档”的蜂鸣声来测量，而且直接测量元器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。8 操作说明8.1 原理图的设计电路原理图的设计主要是利用PROTEL 99 SE的原理图设计系统来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用PROTEL 99 SE 所提供的各种原理图绘图工具，各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确，精美的电路原理图。8.1.1 产生网络表网络
25、表是电路原理图设计与印制电路板之间的一座桥梁。网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取。8.1.2 印制电路板的设计印制电路板的设计主要是针对PROTEL99的另外一个重要的部分PCB 而言的，在这个过程中，我们借助PROTEL 99 提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线等工作。以上是对整个的电路的制作的程。原理图的设计步骤：设置电路图纸的大小；规划电路图的总体布局；在图纸上放置元件；进行布局和布线；对元件及布线进行调整；最后打印。8.2 PCB板布线流程8.2.1 绘制电路图 这是电路板设计的先期工作，主要是完成电路原理图的绘制，包括生成网络表。8.2.2 规划电
26、路板在绘制印制电路板之前，用户要对电路板有一个初步的规划，比如说电路板采用大的物理尺寸，采用几层电路板，是单面板还是双面板，各元件采用何种封装形式及其安装位置等。8.2.3 设置参数 参数的设置是电路板设计的非常重要的步骤。8.2.4 装入网络表及元件封装 网络表是电路板自动布线的灵魂，也是电路原理图设计系统与印制电路板设计系统的接口。 8.2.5 元件的布局 元件的布局可以让PROTEL 99 SE自动布局。8.2.6 自动布线PROTEL 99 SE 采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。8.2.7原理图8.2.8 PCB图9 元器件清单 电器元件个 数封装形式电 容1F1
27、Rad0.210F9Rad0.20.01F2Rad0.2470F1Rad0.2470pF1Rad0.2100F2Rad0.233F1Rad0.2220F2Rad0.251pF1Rad0.2560pF1Rad0.2滑动变阻器10K3Axial0.4470K1Axial0.4电 阻10K8Axial0.475K1Axial0.43K2Axial0.447K3Axial0.4470K1Axial0.413K1Axial0.46001Axial0.431Axial0.4芯片LM3241Dip14LA41021Dip16 10 设计体会通过这次的课程设计，我感觉到动手能力的重要性。仅仅是掌握了课本中的理
28、论知识是远远不够的。掌握了理论知识但不能很好的运用它，甚至不能正确的运用，是一件很可惜的事。 在做音响放大器的实际线路连接时，我遇到很多问题，特别是连接好线路后，总是不能调节出正确的波形。有时通过检查找不到问题所在，就只能重新连接一次。用万用表打到“欧姆1”档，测量各线路是否导通。经过一步一步的检查后，发现了以下几点导致实验不成功的原因:（1）引线脚没有插好，导致接触不良。（2）集成块的管脚没有分清楚它们的内部结构，有接错的地方。数码集成块的GND 端没出有接地，分析出毛病出在哪里后，通过改正，最后获得实验成功，已经完全可以实现抢答功能。 PCB图是设计电路的必要环节之一，在这次课程设计中我也
29、初步掌握了Protel 99 SE 原理图以及PCB板的制作方法。这次设计主要培养了我们的动手能力。动手能力，也就是将理论与实践紧密地结合起来，即便你有很强的理论知道，不去自己亲自一手一脚去做，从中发现问题，解决问题，同样也达不到什么效果还培养了我的耐性，我也认识到了该如何处理一些实际性的问题。通过此次实践，我们不但要有学习的刻苦，还需要严密的逻辑思维，能够系统的解决和分析问题，这样才能够有新的成就，有新的产品的出现，科学的进步就是因为有就强硬的专业知识再加上自己的创新，这样才会有成就。11 参考文献谢自美：电子线路设计实验测试（第二版）。武汉：华中科技大学出版社，2004年7月。姚立真：通用电路模拟技术及软件应用北京：电子工业出版社，
