数控音量调节集成音频功率放大器 课程设计报告文档格式.docx
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静态工作点稳定性好。
D1、D2为保护二极管。
R4和C3组成输出退耦电路,防止功放产生高频自激。
C4、C5、C6、C7是电源退耦电容。
4个1N4004组成全桥整理电路,防止正负电源误接。
RW电位器可以实现输入衰减,可作音量调节用。
图2数控音量调节集成音频功率放大器原理图框
3、电路设计
3.1技术指标
1、在音频信号处输入正弦波输入电压幅度≥800mV,等效负载电阻RL
满足:
(1)额定功率输出功率:
POR≥10W;
(2)频率响应:
BW≥20Hz~100kHz(≤3dB)
(3)在POR和BW内非线性失真系数:
≤1%(10W,30Hz~20kHz);
(4)在POR下的效率≥55%;
2、数控音量调节部分尽量能多档位。
3、电源稳压部分不要自制,但要求必须有整流滤波电路。
3.2方案论证
3.2.1芯片选择
综合题目要求,选用TDA2030A作功放。
TDA2030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TDA2030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TDA2030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TDA2030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4Ω时输出14瓦功率(失真度≤0.5%);
在电源电压±
16V,负载电阻为4Ω时输出18瓦功率(失真度≤0.5%)。
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。
3.3工作方式选择
3.3.1功率放大器的设计与计算
TDA2030A开环增益为90dB,即放大倍数A=32000。
因为要求输出到8Ω电阻负载上的功率POR≥10W,而
加上功率管管压降2V,则
V=
+2=12.65+2=14.65V
取电源电压为±
15V。
所以计算效率为
输出最大不失真电压
=12.65V,故
=32
则功率电压增益取
≈30dB
优缺点:
优点是省去体积较大的输出电容,频率特性好,缺点是需要双电源供电,对电源的要求稍高。
3.3.2单电源供电OTL音频功率放大器工作原理
电路图
优点是可以使用单电源供电,是电池供电的首选电路。
缺点是需要通过体积较大电解电容作为输出耦合。
3.3.3双电源供电BTL音频功率放大器工作原理
用两块TDA2030组成如图3所示的BTL功放电路,TDA2030
(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①脚,交流闭环增益为KVC①=1+R3/R2≈R3/R2≈30dB。
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。
TDA2030
(2)为反相放大器,它的输入信号是由TDA2030
(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②脚,它的交流闭环增益KVC②=R9/R7//R5≈R9/R7≈30dB。
由R9=R5,所以TDA2030
(1)与TDA2030
(2)的两个输出信号U01和U02应该是幅度相等相位相反的,即:
U01≈Uin·
R3/R2U02≈-U01·
R9/R5
∵=R5∴U02=-U01
因此在扬声器上得到的交流电压应为:
Vo=U01-(-U02)=2U01=2U02
原理图:
优点是无论使用单电源还是双电源供电都不需要输出电容,理想输出功率是单个OCL电路的4倍。
优点是功率做得更大,缺点是电路比较复杂。
4、硬件设计
4.1功率放大器
TDA2030是德律风根生产的音频功放电路,采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图6所示,按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备,具有体积小、输出功率大、失真小等特点。
并具有内部保护电路。
意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产,虽然其内部电路略有差异,但引出脚位置及功能均相同,可以互换。
图6TDA2030芯片的引脚图
4.2数控音量调节电路
本电路采用可利用一按钮开关产生稳定的脉冲,作为计数器CD4516的输入。
CD4516(CD4510)为一单时钟可逆十六进制(十进制)计数器,计数器的低三位输出控制八路模拟开关CD4051,选择不同的衰减倍数,达到对信号电平的控制。
同时计数器输出经74LS248译码后直接驱动共阴数码管做音量档位显示。
4.2.1、CD4051八路模拟开关
芯片简介:
如图8,CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
例如,若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端=“1”时,所有的通道截止。
只有当INH=0时,三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道,连接该输入端至输出。
其中VEE可以接负电压,也可以接地。
当输入电压有负值时,VEE必须接负电压,其他时候可以接地。
图8CD4051芯片引脚图
控制端输入不同的电位,对应的通道不同,从而实现八路模拟开关的功能,如图9是每个通道对应的输入状态。
如图9是由电阻和芯片组成的衰减网络,左边八个电阻起到分压作用,在相同的输入电压状况下,前置电阻越大,分压越大,从而衰减越多,从而实现音频档位的控制。
如表1,是每个档位对应的音量大小。
图9CD4051控制端输入状态对应的接通通道图
图10电阻衰减网络
CBA=000,Vo1=R10/(R1+R10)Vi
CBA=001,Vo1=R10/(R2+R10)Vi
……
表1衰减网络中每个电阻对应的档位
电阻
对应的档位
R1390K
1档最小(无声音)
R2100K
2档
R351K
3档
R430K
4档
R510K
5档
R71K
6档
R8100Ω
7档
R94.7Ω
8档最大
选择合适的电阻衰减网络,使音量变化明显。
4.2.2、CD4516计数
CD4516是一个十六进制的计数器,工作电压+5V。
在本次设计中,芯片16脚VDD接+5V,8脚VSS接地。
由于我们只需要利用到八进制的计数器功能,所以,把计数器的2脚(Q3)悬空,相当于只取后三位(八进制),如图12,按照Q3Q2Q1Q0顺序排的主循环状态图,我么不看Q3,只看Q2Q1Q0,就是一个八进制的循环状态图。
图11CD4516引脚图
如图13芯片状态图,P0、P1、P2、P3预置输入端,在PE上升沿有效。
U/D加减设置端,1位加,0位减。
CLK时钟端,上升沿有效;
RST复位端,高电平复位;
Q0、Q1、Q2、Q3十六进制输出端;
CIN低端进位;
COUT加减到输出端。
图13CD4516状态图
P0、P1、P2、P3预置输入端,在PE上升沿有效。
U/D加减设置端,1位加,0位减。
RST复位端,高电平复位;
Q0、Q1、Q2、Q3十六进制输出端;
CIN低端进位;
COUT加减到输出端;
按功能表,预置功能没有使用,P0P1P2P3P4悬空、接高低电平都可,计数情况下PE要接高电平,CI接低电平,CLK输入脉冲。
JP4跳帽接到U/D,用来设置音量递增或递减调节方向。
CD4051模拟开关有八路开关,CD4516要设置成八进制(需要提供000-111或111-000的计数),只需要连接输出Q2Q1Q0低三位到CD4051的CBA即可(不必反馈清零,RST直接接0)。
4.2.3、计数脉冲
CD4516的CLK在上升沿计数,CLK计数脉冲由按键上拉电阻产生,如图12所示。
通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号模型如图13。
由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开
的瞬间均伴随有一连串的抖动。
抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms~10ms。
这是一个很重要的时间参数,在很多场合都要用到。
按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。
键抖动会引起一次按键被误读多次。
为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。
在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。
按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。
硬件消抖:
在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。
下图所示的RS触发器为常用的硬件去抖。
图13中两个“与非”门构成一个RS触发器。
当按键未按下时,输出为1;
当键按下时,输出为0。
此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B),中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。
也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。
这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。
另一种硬件消抖的方法利用电容的放电延时,采用并联电容法,也可以实现硬件消抖,如图14所示。
4.2.4、计数脉冲与CD4516相连
4.3、电源设计
4.3.1功放电源
功放部分电源由220V经双12V变压器降压,过整流桥整流,电容滤波,输出±
Vcc≈±
理论上,整流桥出来的负载电压VL应满足15V以上,才能保证芯片正常工作。
故变压器变压后的有效电压应该是:
直流电流为
输出功率:
整流桥中四个二极管,两两轮流导通,所以流经每个二极管的平均电流是
整流桥内的二极管承受的最大反向电压为:
但是,实际上,经过电容滤波电路后,
所以,负载上的电压
负载上的电流
负载上的功率:
整流桥上的二极管的平均电流是:
整流桥内的二极管承受的最大反向电压为:
整流桥的内部二极管的击穿电压要高于17.67V,最好是20V以上,比如IN4007和IN4001。
在滤波电容的选择上,我们选择一个较大的2200uF的电解电容和一个0.1uF的104瓷片电容,可以分别滤掉不同频率的交流信号。
考虑到功率要足够,实际生活中,变压器输出电压都比额定输出电压高一点,TDA2030用的是双电源OCL供电。
所以我们选择的变压器是双12V40W的变压器。
4.3.2数控电源
音量调节采用5V直流稳压电源,用三端稳压集成块7805。
7805的稳压集成块的极限输入电压是36V,最低输入电压为输出电压的3-4V以上。
引脚如图16,1脚输入,2脚接地,3脚输出。
在电路中的放置如图17,由于稳压芯片远离整流桥的滤波电容,所以为了避免会有交流电出现,加上两个电容C1和C9,去除交流成分。
C10和C11是为了防止电路的瞬态响应,改善电路的稳定性。
LED灯显示稳压芯片是否开始工作。
4.4散热设计
TDA功放芯片工作时候会产生大量的热量,所以必须得安装散热片,本设计中是利用散热效果较好的铝合金散热片,7.5*2*4.5cm的规格。
由于数控模块电路功率不大,7805稳压芯片工作时候不会产生太大的热量,可以考虑不安装散热片,鉴于安全性,本设计安装了一个小型的散热片。
5、电路制作与调试
5.1电路元件的选取
本电路采用TDA2030、CD4516、CD4051、7805等芯片,采用桥堆、电阻、电容、开关等普通品。
电路板用铜板制作。
5.2电路的焊接
用PROTEL画原理图,再按照原理图PCB板并制作PCB板,再按PCB图焊接元件。
功放PCB
数控PCB
5.3调试与参数设置
调试:
1、对照原理图,检查各个元器件的引脚是否接对了,不对的修改好。
2、测量变压器输出电压是否低于14V,高于14V会造成2030工作状态不稳定。
3、通电时,用手摸住TDA2030,观察TDA2030,如芯片迅速发烫则立即关断电源,排除故障。
4、功放模块不发烫状况下,测量整流桥出来的正负电压是否正常,偏低或偏高都要断电检查,到底是变压器不合格还是电路的问题。
5、连接音箱前先测量下TDA2030输出端的直流电压,正常应该很小(接近0);
如直流电压输出很大则不要接入音箱,排除故障后才能接。
为了以防万一,我们可以在音箱的线路上串联一个大电容,把直流成分滤掉。
6、正负电源千万不能接反;
7、TDA2030芯片引脚很容易断,安装时请注意。
8、功放模块正常工作后,拔掉数控模块的4516和4051芯片,给数控模块供电,通电时候用手摸住7805,如果快速发烫,马上断电排除故障。
9、故障排除后,用万用表测量7805输出电压是否是5V,或者接近5V。
测量4516和4051芯片的16脚和8脚,看电压是否是5V。
如果不是,检查电路,排除故障。
PCB参数设置
1、数控音量调节电路部分和集成功放部分要求分别做到2块独立的PCB板(大小为10cm*10cm)上,注意留出它们之间的连接头。
2、变压器的封装是大3P插头。
3、集成功放部分请注意:
①散热问题设计,PCB注意留出散热片安装位置;
②TDA2030的反面是和负电压连通的,可以不加绝缘片,但要注意不要碰到了“地”。
③此部分电流较大,请适当加粗铜线;
④喇叭输出、音频信号输入、变压器电源输入不要靠得太近。
4、为了制作和焊接时候方便,一般要求焊盘直径≥2.5mm,铜线≥1.5mm。
(能大就尽量大,以免断线打飞)直径可以≥3mm
5、制作PCB时请注意元件封装要跟实际元器件相符合。
6、接口安排
5.4数控音量调节集成音频功率放大器的测试基本内容
注意:
直流电源电压15V,负载电阻为8.2Ω。
将数控音量调节调到最大输入的情况。
只测试功放板,数控板不接。
1、直流档测量TDA2030A的3、5脚电源电压
Vcc=Vdd=Vo=
2、测量输出电压放大倍数Au,测试条件:
接入负载电阻8Ω,调节输入信号1KH,用示波器观察输出信号,幅度最大不失真输出,交流档测量并纪录输入电压(1uF电容左边)、输出电压,计算放大倍数。
Vi=Vo=Au=
3、测量上、下限频率fh和fL,测试条件:
步骤2基础上,输入信号幅度不变,示波器观察输出信号,增大加大输入信号频率,当输出信号峰值下降到步骤2峰值的0.707倍时(步骤2输出电压0.707Vo),此时的频率即为上限频率fh;
减小输入信号频率,同样当输出信号下降到步骤2峰值的0.707倍时(步骤2输出电压0.707Vo),此时的频率即为下限频率fL。
fh=fL=
4、效率计算
由步骤1、2,计算效率。
5.5数据记录与处理
负载电阻为8.3Ω。
1.测量输出电压放大倍数Au。
测试条件:
调节输入信号1KH,幅度最大不失真输出,记录录输入电压、输出电压,填入表2,计算放大倍数。
公式:
放大倍数Au=Vom/|Vi|
电压增益Av=20lg|Au|dB
表2测量输出电压倍数
输入电压Vi
196mv
输出电压Vom
5.1V
放大倍数Au
26
电压增益Av
28dB
把测量值经过计算得出,电压增益Av为28dB,基本达到预期,满足实验要求,数据属于正常。
2.测量上、下限频率fH和fL。
步骤1:
输入信号幅度不变,加大输入信号频率,当输出信号下降到步骤1输出电压的0.707时,此时的频率即为上限频率fH;
减小输入信号频率,当输出信号下降到步骤1输出电压的0.707时,此时的频率即为下限频率fH。
并将数据填入表3。
公式:
通频带BW=fH-fL
表3测量上、下限频率
上限频率fH
下限频率fH
9.5KHz
2.0Hz
经过测量,通频带为2.0Hz~9.5KHz,在误差允许范围内,基本满足任务要求。
3.效率测试
测量TDA2030直流电源电压,计算效率。
如表4
表4效率测试
电源正电压
电源负电压
平均电压
18.07V
-18.06
±
18.06V
计算:
要求输出到8.3Ω电阻负载上的功率POR≥10W,
测量得电源电压为±
18.06V。
计算效率为
满足任务要求的55%。
6、心得体会
本次课程设计是上大学的第一次课程设计,在设计过程中的每一步的成功都有无法言语的激动,为了检查电路我们可以废寝忘食的留在实验室,彼此帮助相互学习。
本次课程设计过程前期比较轻松,后期做PCB图时候出现不少问题,不合理的安排极容易产生飞线。
功放模块中芯片2030,我们给它1脚接一个接地电阻,防止开路时候引入感应噪声。
4脚接个电阻和电容组成退耦电路,可以有效避免高频自激。
在把整流桥接入电路时候,需要用万用表测量,确定后正负后才能接入电路,不能只看元器件上标志的“+”号,不少“+”都是标歪掉的,很难区分。
变压器电压不能超过14V,否则,经过整流后,电压会增加到2030不能正常工作的地步。
在制作PCB图时候,要尽量避免90度以及低于90度的拐角,以免引起尖端放电。
经过这次课程设计,理解了一个电子产品从构思到做出来的基本流程。
并且巩固了模电,数电,protel制图的知识,学会了焊接的技巧,调试技巧,以及做板的基本方法。
通过这次课程设计是我明白了动手能力的重要性,以及自己思考问题的重要性,自己可以亲手做出来一个数控功放挺有成就感的。
同时,非常感谢老师对我们的耐心及细心指导。
7、参考文献
1、集成音频功率放大器电路原理图
2、集成音频功率放大器电路PCB图
3、数控音量调节电路原理图
4、数控音量调节电路PCB图
5、TDA2030资料
6、7805芯片资料
7、CD4051芯片资料
8、《电子技术基础数字部分第五版》康华光主编
9、《电子技术基础模拟部分第五版》康华光主编