模拟电子技术课程设计-音响放大器设计

音响放大器设计1专业班级设计题目音响放大器设计设计者学号指导老师组员设计时间音响放大器设计2二设计任务书1设计课题音响放大器设计2功能要求具有话音放大、音调控制、音量控制、电子混响、卡拉OK伴唱等功能3已知条件集成功率放大器LA4102一只，高阻话筒20K一个输出信号为5MV，集成运算放大器LM324三只，10/2W负载电阻一只，8/01W扬声器一只，磁带录音机一台，电源电压VCC为9伏，VEE为9伏。4主要技术指标额定功率PO03WG20K。5仪器设备低频信号发生器EE1641B1台失真度测量仪1台晶体管毫伏表DA161台数字万用表UT20031只双踪示波器COS5020或TDS2101台实验万能板1块直流稳压电源双路输出1台元器件及工具1盒6测量内容与要求测量频率为1KHZ时的输出功率P。及整机电压增益AV三设计方案的选择与比较论证方案一采用锁环频率相合成技术外加音响放大器采用锁相环频率合成技术，先用锁相环频率合成产生一定范围的频率，在通过传感器把接收到的频率信号转化音频信号。在通过低通滤波器把频率控制在音频所需要的频率范围。它的优点就是工作频率可调也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器音响放大器设计3通带可变，实现很困难。具体方案如图1所示晶振整形电路R分频器鉴相器环路滤波器压控振荡器可变分频器图1锁环频率相合成技术框图方案二采用直接数字式频率合成器DDS技术外加音响放大器采用直接数字式频率合成器DDS，是用RAM存储所需波形的量化信息，按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在内存里。DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度也可实现程控。但在方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,那么设计的成本较高。同时电路也不好仿真。实现起来也比较困难。方案三采用直接给定的音频信号外加音响放大器采用直接所定的音频信号，是由MP3现代音频信号设备，直接给音响放大器。此电路简单，其优点是在音频信号具有直接给定的音频频率，在频率方面没有失真效果，而且具有混响器的效果。本次设计采用这种方案主要是因为它的设计简单可靠，软硬可相互补充各自的缺点。同时音响效果也比较好。音响放大电路设计由三部分组成混合前置放大模块，音调输出控制模块，功率放大模块。混合前置放大模块作用是将磁带放音机输出的音乐信号混合放大。音调输出控制模块作用是主要是控制、调节音响放大器的幅频特性。功率放大模音响放大器设计4块作用是给音响放大的负载（扬声器）提供一定的输出功率。LR话音放大器电子混响器磁带防音机混合前置放大器音调控制器功率放大器图2直接给定的音频信号外加音响放大器综合分析采用此方案四原理说明1音响放大器的基本组成音响放大器的基本组成框图如图21所示。各部分电路的作用如下。图21音响放大器组成框图注因时间原因和水平的限制,我们没有做出电子混响器,望见谅但我们给出了那部分的原理图及实验电路图,供读者参考2话音放大器由于话筒的输出信号一般只有5MV左右，而输出阻抗达20K（亦有低输出阻抗的话筒20，200（欧姆）等），所以话音放大器的作用是不失真地放大声音信号（最高频率达到10KHZ）。3电子混响器,音响放大器设计5考虑到我们的双面板的大小,与初次使用PROTEL99布线能力,我们取消了其中含有电子混响器电路部分由功能可以看出它对整个设计影响不大但这里我们还是作一个简单介绍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深度感和空间立体感其组成框图如图22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的输出信号相对于输入信号延迟了一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延迟时间越长。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23图所示,其中两级二阶低通滤波器MFBA1、A2滤去4KHZ（语音）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调级MN3207的平衡输出以以减小失真，RP3调节时钟频率，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12345678MN3207的电压/V0032005660322626MN3107的电压/V6032003232322856图22电子混响器组成框图音响放大器设计6图23电子混响器实验电路4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,这是一个反相加法器电路，输出与输入电压的关系为V0RF/R1V1RF/R2V2式中，V1为话筒放大器输出电压；V2为放音机输出电压。音响放大器的性能主要由音调控制器与功率放大器决定，下面详细介绍这两级电路工作原理及其设计方法。5音调控制器由电路原理图可知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24所示。图中，F0等于1KHZ表示中音频率，要求增益AV00DB；FL1表示低音频转折或截止频率，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。AV/DB200DB/10倍频201730F/HZ32017FL1FL2FH1FH2图24音频控制曲线音响放大器设计7由图可见,音调控制器只对底音频与高音频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成。由运算放大器构成的音调控制器，如图25所示。这种电路调节方便，元器件较少，在一般收录机、音响放大器中应用较多。在图2中RP3称为音量控制电位器，其滑臂在最上端时，音响放大器输出最大功率。图25音调控制器2音调控制器的低频电路图26音响放大器低频等效电路设电容C1C2C3,在中低音频区,C3可以视为开路,在中高音频区,C1,C2可视为短路。1）当FF0时，音调控制器的高频等效电路如图28所示。28音调控制器高频等效电路VIC3R3R1R2R4VORP2VIC3R3RARBVORP2RCBVIC1R4R1RP1R2VO音响放大器设计9图29图28的等效电路由于此时可将C1，C2视为短路，R4与R1，R2组成星型连接，将其转换成三角形连接后的电路如图29所示。电阻的关系为RAR1R4R1R4/R2RBR4R2（R4R2/R）RCR1R2（R2R1/R4）若取R1R2R4，则式（421）为RARBRC3R13R23R4高频等效电路如图210所示，其中，图（A）为RP2的滑臂在最在最左端时，对于高频提升最大的情况图（B）为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。分析表明，图（A）所示电路为一价有源高通波器，其增益函数的表达式为A（J）43/10JRABVI式中31/RAR3C3或FH11/2（RAR3）C341/R3C3或FH21/2R3C3与分析低频等效电路的方法相同（从略），得到下列公式。当FFH2时，C3视为短路，此时电压增益AVH（RAR3）/R3同理可以得出图（B）所示电路的相应的表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器高频时的幅频特性曲线24中右半部分实线所示。实际应用中，通过先提出对低频区（或）和或LXF1LF2LF2HF即/2LFLX6/HHX6/VIC3R3RARBVO音响放大器设计10（A）高频提升（B）高频衰减210图29的高频等效电路6功率放大器功率放大器（简称功放）的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率，当负载一定时，期望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTL（OUTPUTTRANSFORMERLESS）电路和OCLOUTPUTCAPACITORLESS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放大器,在本次设计时我们采用集成电路功放大器LA4102。LA4102集成音频功放图211为LA4102的管脚，此集成功放既可采用单电源供电方式，也可以采用正负电源供电方式。图211LA4102的管脚图（1）A4102集成功放电路工作原理LA4102功放具有集成运放的结构特点，由输入级、中间级和输出级三部分组成，其内部电路如图25所示。VORBVIRAR3C3音响放大器设计11图212A4102集成功放电路工作原理LA4102集成功放放大器主要技术指标电源电压9V静态电流20MA输入电阻20K电压增益50DB输出功率2W频率响应90HZ20KHZ2功率放大器原理图五音响放大器的整机实验电路图与PCB图1整机实验图音响放大器设计12C1210UFC1310FC1410UFR1110KR1275KR1610KR1510K231411A1ALM324C1110UF9VRP110KR2230KR2610KR2330KR2110KR2510KRP2110K231411A2ALM324C2110UFC2210UFC2310UFC2410UFRP32470KRP31470KRP310K9VR3147KR3247KR3347KR3447KC31001UFC32001UFC33001UF231411A3ALM324C3510UFR3510KR3610K9VC4110UFC4210UFC4310UFC4410UFCF10UFC10UFCH220UFRF60RL814101213543196S3LA4102CB51PFCD560PF9V录录录录录9V9V9V9V图31原理图2双面板PCB图图32双面板PCB图六电路安装与调试1合理布局、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布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，功放级应该远离输入级，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。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、电解电容等主要器件的引脚和极性，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。音响放大器设计13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。2电路调试技术电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。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一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与01UF小电容相并联。由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多级点引起的正反馈易产生高频自激，常见高频自激现象如图B所示。可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级脚与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。可以通过接入RC去耦滤波电路消除。为满足整机电路指标要求，可以适当修改单元电路的技术。图B常见高频自激现象3整机功能试听用8欧姆/4W的扬声器代替电阻RL，可进行以下功能试听话音扩音将低阻话筒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。音乐欣赏将录音机输出的音乐信号，接入混合前置放大器，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。4焊接技术1电路板的安装与焊接印制电路板的装焊在整个电子产品制造中处于核心的地位，可以说一个整机产品的“精华”部分都装在印制板上，其质量对整机产品的影响是不言而喻的。尽管在现代生产中印制板的装焊已经日臻完善，实现了自动化，但在产品研制，维修领域主要还是手工操作；况且手工操作经验也是自动化获得成功的基础。2印制板与元器件检查音响放大器设计14装配前应对印制板和元器件进行检查，内容主要包括印制板图形，孔位及孔径是否符合图纸，有无断线，缺孔等，表面处理是否合格，有无污染或变质。元器件品种，规格及外封装是否与图纸吻合，元器件引线有无氧化，锈蚀。对于要求较高的产品，还应注意操作时的条件，如手汗影响锡焊性能，腐蚀印制板，使用的工具如改锥，钳子碰上印制板会划伤铜箔，橡胶板中的硫化物会使金属变质等。3元器件引线成型如图一所示，是印制板上装配元器件的部分实例，其中大部分需在装插前弯曲成型。弯曲成型的要求取决于元器件本身的封装外形和印制板上的安装位置，有时也因整个印制板安装空间限定元件安装位置。元器件引线成型要注意以下几点所有元器件引线均不得从根部弯曲。因为制造工艺上的原因，根部容易折断。一般应留15MM以上（图二）。弯曲一般不要成死角，圆弧半径应大于引线直径的12倍。要尽量将有字符的元器件面置于容易观察的位置，如图三所示。4元器件的插装贴板与悬空插装录录如图四（A）所示，贴板插装稳定性好，插装简单；但不利于散热，且对某些安装位置不音响放大器设计15适应。悬空插装，适应范围广，有利散热，但插装较复杂，需控制一定高度以保持美观一致。如图四（B）所示，悬空高度一般取26MM。插装时具体要求应首先保证图纸中安装工艺要求，其次按实际安装位置确定。一般无特殊要求时，只要位置允许，采用贴板安装较为常用。安装时应注意元器件字符标记方向一致，容易读出。图五所示安装方向是符合阅读习惯的方向。安装时不要用手直接碰元器件引线和印制板上铜箔。插装后为了固定可对引线进行折弯处理（图六）。5印制电路板的焊接焊接印制板，除遵循锡焊要领外，以下几点须特别注意电烙铁，一般应选内热式2035W或调温式，烙铁的温度不超过300的为宜。烙铁头形状应分局印制板焊盘大小采用凿形或锥形，目前印制板发展趋势是小型密集化，因此一般常用小型圆锥烙铁头。加热方法，加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线（图七）。音响放大器设计16对较大的焊盘（直径大于5MM）焊接时可移动烙铁，即烙铁绕焊盘转动，以免长时间停留一点导致局部过热，如图八所示。金属化孔的焊接，两层以上电路板的孔都要进行金属化处理。焊接时不仅要让焊料润湿焊盘，而且孔内也要润湿填充。因此金属化孔加热时间应长于单面板。焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能，而要靠表面清理和预焊。耐热性差的元器件应使用工具辅助散热。6焊后处理剪去多余引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。检查印制板上所有元器件引线焊点，修补缺陷。根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。7导线焊接导线焊接在电子产品装配中占有重要位置。实践中发现，出现故障的电子产品中，导线焊点的失效率高于印制电路板，有必要对导线的焊接工艺给予特别的重视。七测试结果与分析1测得各级电压如下话筒输入电压V049MV话放级输出电压V141MV混放级输出电压V2122MV音调级输出电压V398MV音响放大器设计17功放级输出电压V438V2数据处理增益的计算话放级电压增益AV1837混放级电压增益AV2297音调级电压增益AV3083功放级电压增益AV43883误差计算V0/MVV1/MVV2/MVV3/MVV4/VAV1AV2AV3AV4测量值490410012200980038083729708033880理论值500420012500100003008503000803000误差值200240240200267015310003029304各级的输出波形图1音调级的输出波形图2功放级输出波形音响放大器设计18图3音响放大器的输出波形5数据分析1输出有干扰信号这主要是由于低通滤波器没有起到理想的低通滤波的效果引起的。2前值放大输出有干扰波形主要是运放集成块产生了自激现象，产生了干扰信号，使输出信号有干扰波形。3产生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4元器件为非精密元器件,存在一定误差,影响产品质量5测量仪器存在误差,为非精密万用表DT830,影响了测量结果6万用表测量结果不稳定,读数有误差数据计算中,结果精确到小数点后一位有效数字7功率放大级有元件参数不准确,有一个1欧电阻因没配到用10欧代替,加大了误差八元件清单元件数量元件数量电容（1UF）1个电容（10UF）8个电容（001UF）2个电容（560PF）1个音响放大器设计19电容（250UF）1个电容（005UF）1滑动变阻器（10K）5个滑动变阻器（470K）2个电阻（10K）8个电阻（75K）1个电阻（3K）2个电阻（47K）3个电阻（470K）1个电阻（13K）1个电阻（620）1个电阻（10）1个LM3243块LA41201块九心得体会学到的只是理论，与做实物出来感觉真的不一样，而且比想象中的多。通过这次模电设计让我们这个组的人学习了很多的东西，了解所学的专业到底是什么，要学什么，从那里下手，都有了明确的方向。纸上得来终觉浅，平常我们只是学学电路，看看书本，在设计中，我遇到不少困难，比如在我们焊接时，先把集成座焊接上去，开始了布元件，之后我才发现了致命的错误，也是我们第一块板作废的关键，我们忘记了我们的芯片是十四管脚而集成座是十六管脚，所有的努力都灰飞烟灭了。通过这次设计，我掌握了模拟电子技术放大电路的设计方法，根本上的实现了理论与