基于QS7785PF环绕解码器功率放大器的设计Word文件下载.docx
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由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、总谐波失真THD<
0.01%（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。
现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。
音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。
预计音响技术今后的发展主流为数字音响技术。
因为T类数字功放的效率高于80%，与D类相当，是A类和A/B类的4倍多。
这就省去了大电源和大散热器，散热设计也简单很多。
随之而来的自然是整个系统尺寸、重量和成本的大为降低。
T类功放的保真度也很高：
其THD+N达到了0.012%--甚至超过了大多数线性放大器！
而其动态范围亦超过120dB。
"
这是因为用数字技术作一级级的功放处理就不会有附加的一些不和谐成分，失真就会低几个数量级。
通过资料搜查和实地考察，发现有许许多多的电器销售公司（如绵阳电子商场，人民商场，沃尔玛购物广场等等），音响销售公司（如绵阳麦博音响专卖店，绵阳漫步者音响专卖店，绵阳三诺音响专卖等等），还包括很多数码广场（如赛博数码广场，百腾数码广场等等）都有售卖5.1环绕立体声音响，且品种繁多，但是市场销售情况仍然不乐观。
中国音响业发展的主要障碍是市场的无序和价格的恶性竞争，消费者、制造商和国家三者深受其害。
音响的发展走着一条很艰辛的道路。
原因1.我国音响行业的发展尚处于初级阶段。
单个生产企业数量多、规模小、技术力量薄弱，新技术的开发、运用和消化更是困难重重。
大部分企业的生产还停留在手工阶段，产品的质量更是难以保证；
2．消费者对音响应用的技术了解太少，他们往往只注意产品的外观和价格，却忽略该产品应用了什么样的技术，要让消费者对音响技术有更多的认识，只能靠生产企业的引导；
3．进口产品在消费者心目中的地位比较牢固，一部分比较富裕的消费者倾向于购买进口品牌。
看来，中国音响业要赶超世界先进水平，不能光靠一、两项新技术，关键是培育市场，更新设计观念。
1.2课题的目的及意义
目前市场上类似该设计功能的功放品种较多，通过基于QS7785PF环绕解码器功率放大器的设计，可以有效的锻炼自己的集成电路的应用设计能力和工程开发能力训练，通过该设计还可以锻炼自己综合运用大学四年所学知识的能力；
在设计与制作的过程中还可以了解掌握音响方面的知识，比如杜比环绕声，超重低音的产生以及杜比定向逻辑等在书本上学不到东西，同时对音响相关技术指标也会有比较深入的了解。
1.3论文的主要内容及设计要求
1.3.1主要内容
设计制作基于QS7785PF环绕立体声解码器的5.1功率放大器一台。
功率放大器的控制电路要能够完成四种音源间的选择、不同音效模式之间的转换、内外部5.1声道的选择、开关静噪、环绕与中置声道控制等控制功能。
设计完成本环绕立体声音响的功率放大电路以及电源电路。
本音响包含解码电路部分，控制电路部分，功率放大部分及电源部分。
1.3.2设计要求
功率放大器的技术指标：
输入信号幅度≤150mV，负载8Ω。
输出功率≥10W；
带宽20—10K。
在满足10W和带宽的条件下谐波失真≤3%；
在满足输出功率的条件下，效率≥55%；
在输入短路时，负载8Ω上的交流输出功率＜10mW。
第2章QS7785PF环绕声解码器介绍
2.1QS7785PF介绍
QS7785PF是音频技术实验室Qsurround专利技术生产的单片虚拟化环绕音效处理大规模集成电路，QS7785PF是目前业界公认的处理效果最接近自然原声的虚拟杜比环绕芯片！
QS7785PF为2声道音频输入5声道输出，其内部包括了杜比定向逻辑和DVD（AC-3）混合信号解码器，使用Qsound实验室的专利技术—Qsurround虚拟环绕技术（即BBE技术，也称你问我答，BBE是一种声音增强和改善的专利技术。
全称是Barcus-BerryElectronice，是美国BBE.sound公司于1985年开始就推出市场的新技术），并由Qsound实验室授权使用。
QS7785PF环绕立体声解码器芯片已较广泛用于新型音频设备中，如现代家庭音响、汽车音响等设备中，很多发烧友也正在使用这种廉价优质器件。
因其具有良好的品质和低廉的价格，被广大音响爱好者、音响生产厂家所所衷爱。
1、该芯片的主要功能是：
（1）如果输入是普通立体声信号，则进行立体声效果增强为2声道立体声输出或者再加入虚拟环绕声合成5声道输出。
（2）如果输入的是2声道的矩阵编码信号（杜比定向逻辑或混合AC-3信号）则先将其解码，再虚拟化合成2声道或者5声道输出。
2、QS7785PF主要特点：
（1）内带杜比定向逻辑和DVD（AC-3）混合信号解码器。
（2）前方采用3D立体声增强技术（你问我答），后方采用3D合成虚拟环绕技术（你问我答），分两种增强方式（低音增强和高音增强），具有中置声道输出及低音增强功能。
（3）使用5声道实现环绕声，也可以用2声道输出方式。
（4）信噪比96db，动态范围110db。
2.1.1引脚介绍
1、QS7785PF集成电路为48脚QFP封装见图2-1。
图2-1QS7785PF引脚分布图
2、其主要控制引脚功能说明见下表；
表2.1主要控制引脚功能
引脚
符号
功能定义说明
控
制引
脚
8
P/S
输入接口模式控制（高低电平并行，低电平串行）
9
SP（STRB）
加强模式控制（串行数据选通）
多模式音效控制引脚
10
MONO
声道模式选择（高：
单声道转立体声；
低：
立体声）
12
BYP（SDA）
旁路与虚拟环绕声选择（串行数据输入）
13
SUR（SCL）
环绕声音控制（串行时钟信号输入）
11
AC
中置声道输出控制
14
BASS
低音激励控制
15
MUTE
输出静音控制
16
PSAVE
省电控制
2.1.2内部原理
QS7785PF内部原理图如图2-2。
左、右信号（RIN、LIN）经过放大后再将两信号叠加输入单声道/立体声切换电路，从而得到立体声信号。
所得立体声信号与原始信号进行选择后在进入立体声增强电路（FrountQEXPANDER）。
增强后的信号分成两路，一路与原立体声和中置信号结合输出，得到前置信号输出；
另一路进入3D环绕声增强电路（SurroundQEXPANDER），得到具有环绕效果的音乐信号，同时与立体声叠加作为环绕声输出。
图2-2QS7785PF内部原理图
2.1.3主要技术指标
表2.2主要技术指标
VCC=9V,VDD=5V,GND=0V,Ta=25℃
参数
最小值
标准值
最大值
单位
总谐波失真加噪声（THD+N）
——
0.1
%
THD（失真度）
0.025
S/N（信噪比）
96
dB
输入阻抗（f=1kHz）
20K
26K
Ω
频率响应范围
20
Hz
（1）总谐波失真加噪声（TotalHarmonicDistortionTest），通常写为THD+N。
THD+N是指由设备本身产生的失真谐波的总和，它是表征了输入信号和输出信号之间的吻合程度，起值越低则失真度越小。
对于THD+N参数来说，超过0.01%的THD+N就可被人耳察觉。
通常专业设备要求THD+N最多不超过0.008%。
谐波失真的测试方法，通常是给音响设备输入一个1kHz/-3dB的信号，然后检查输出曲线在整个频响段上的谐波总量。
这些谐波通常为奇次谐波，因此，注意观察频率为3kHz、5kHz、7kHz……等处是否有多余的尖脉冲，若这些地方的尖脉冲越多且越高，则表示谐波失真越严重。
音响设备和电子线路除了使信号产生谐波失真分量外，还会产生噪声和电源纹波而带来的其他成分，滤去基频所得的实际上是总谐波加噪声失真，定义为；
（2-1）
Vn为噪声电压有效值，V1和V2，V3。
。
Vm分别为基频和各次谐波的有效电压。
（2）失真度（THD）：
失真度有谐波失真、互调失真和瞬态失真之分。
谐波失真是指声音回放中增加了原信号没有的高次谐波成分而导致的失真；
互调失真影响到的主要是声音的音调方面；
瞬态失真是因为扬声器具有一定的惯性质量存在，盆体的震动无法跟上瞬间变化的电信号的震动而导致的原信号与回放音色之间存在的差异。
（3）信噪比（S/N）：
音频信噪比是指音响设备播放时，正常声音信号强度与噪声信号强度的比值。
当信噪比低，小信号输入时噪音严重，在整个音域的声音明显变得浑浊不清，不知发的是什么音，严重影响音质。
信噪比的大小是用有用信号功率（或电压）和噪声功率（或电压）比值的对数来表示的。
（4）阻抗：
阻抗是电路或设备对交流电流的阻力，输入阻抗是在入口处测得的阻抗。
高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化，因而也是最理想的。
在给定电压下最小的阻抗就是最小输入阻抗
2.2QS7785PF环绕声立体声介绍
环绕声就是在重放中能把原信号中各声源的方向再现，是欣赏者有一种被来自不同方向的声音包围的感觉。
1、立体声场的模拟产生是根据声像定位原理，如果用一只音箱只能产生“点”声源，而点声源只能模拟声音的强弱并使人产生距离感，而不能产生不同声源在不同位置的位置感。
如果在房间A中有三个不同位置的声源被一个话筒拾取后的信号经放大器传到房间B的音箱重放，这时房间B音箱前的人员只能听出房间A中有几个声源和电子、电声原理每个声源距话筒的绝对直线距离，而听不出这三个声源的相对方位。
而如果我们在房间a中摆上两支话筒，这两支话筒的信号分别通过两台独立的放大器传到房间b中两只有一定距离摆放的音箱上。
而当聆听人员坐在这两只音箱正前方等腰三角型顶点上位置上时，就能准确判别房间a中三个声源所处的不同位置。
这一原理我们称之为“立体声原理”。
人们利用这一原理，就可以在声音录制时就用两只话筒进行录音，而在重放用两路放大器和两个音箱就可以实现立体声重放。
2、环绕声场的模拟产生，立体声场的两路音箱所能重现的声场只是我们前面的声场，而对我们身边两侧和身后的声音就不能重现了。
这时重现的声音只是两维平面声场信息。
根据“立体声原理”的道理，如果我们在录音时，再增加两支左后、右后的拾音话筒，在重放时，再在我们的身后增加两路左后和右后音箱，这样我们不是就可以重放整个声场各个方位的信号了吗？
事实上就是如此，只不过是人们根据实际需要再做适当的修改、调整和编码。
如杜比（DolbyPro-logic）定向逻辑环绕声就是在听音环境中加了后置左右声道音箱（为降低成本合用一路放大器），这时就能明显产生三维立体空间感。
而高档次的杜比AC-3（DolbyDigital）、THX、dts环绕声技术均采用了六声道技术，即在上述的四声道基础上还增加了一中间声道（以加强语言对白）和超低音声道（以加强低频效果），这时声场模拟的程度就非常真实了。
多媒体中的A3D、EAX技术也都支持后置的两声道。
虚拟环绕声场顾名思义就是“虚拟”的。
实现虚拟杜比环绕声的关键是声音的虚拟化处理，依据了人的生理声学和心理声学原理专门处理环绕声道，制造出环绕声源来自听众后方或侧面的幻象感觉。
应用了人耳听音原理的几种效应：
1）双耳效应。
英国物理学家瑞利于1896年通过实验发现人的两只耳朵对同一声源的直达声具有时间差（0.44-0.5微秒）、声强差及相位差，而人耳的听觉灵敏度可根据这些微小的差别准确判断声音的方向、确定声源的位置，但只能局限于确定前方水平方向的声源，不能解决三维空音声源的定位。
2）耳廓效应。
人的耳廓对声波的反射以及对空间声源的定向有重要的定向作用。
借此效应，可判定声源的三维位置。
3）人耳的频率滤波效应。
人耳的声音定位机制与声音频率有关，对20-200赫的低音靠相位差定位，对300-4000赫的中音靠声强差定位，对高音则靠时间差定位。
据此原理可分析出重放声音中的语言、乐音的差别，经不同的处理而增加环绕感。
4）头部相关传输函数。
人的听觉系统对不同方位的声音产生不同的频谱，而这一频谱特性可由头部相关传输函数HRT（HeadRelatedTransferFunction）来描述。
综上所述，人耳的空间定位包括水平、垂直及前后三个方向。
水平定位主要靠双耳，垂直定位主要靠耳壳，而前后定位及对环绕声场的感受靠HRTF函数。
虚拟杜比环绕声依据这些效应，人为制造与实际声源在人耳处一样的声波状态，使人脑在相应空间方位上产生对应的声像。
QSound公司的虚拟环绕声技术方案有两种模式，一种是真实（Actual）模式，对应于有多个音箱的情况，把主声道及环绕声道处理后，直接输入各自的音箱，可以改善环绕声的效果，扩大了可听位置（皇帝位），另一种是幻象（Phantom）模式，对应于只有两个音箱的情况，这时把中置及环绕经换算后叠加到主声道上，以实现两音箱回放多声道的功能，并使人觉得有幻象音箱在回放中央声道及环绕声道。
当前世界很多厂商不断推出不同的虚拟环绕声系统，在这里就SRS、QSound等公司（实验室）所推出的六个系统，在声音的流畅性和准确度、对话的可懂度、声像定位的精确度和空间感以及虚拟产生的副作用等方面作一比较。
Qsound公司的虚拟环绕处理系统是根据大量的试听测试结果得出的，所以QSurround系统是空间感和包围感最好的，声音定位也相当精确，效果甚为理想。
2.3解码电路
本功放中根据QS7785PF的解码芯片设计的解码电路如图2-3，普通2声道音频信号通过电容由37、38脚输入，进入内部处理电路，另外左右声道信号还各经过由RC组成的低通滤波电路后分别成为左右声道低音激励增强信号由36、39脚输入，通过控制9、10、12、13脚改变音效处理模式（为了简化控制9、10脚直接接低电平，12脚接高电平，通过改变13脚得到2种处理模式），11脚为中置控制，当11脚接地（低电平L）时，内部开关断开，无中置声输出；
当11脚接＋5V（高电平H）时，有中置声输出。
经过解码或者增强处理后由22、23、24、25、26脚输出中置，前置及环绕5声道环绕立体声音频信号。
图2-3解码电路
第3章控制电路
3.1系统原理框架设计
控制电路要能够完成四种音源间的切换、不同音效模式之间的选择、内外部5.1声道的选择、扬声器与电源保护功能、LED亮灭指示不同音源。
根据这些要完成的控制功能及功放电路设计其系统原理框图如图3－1。
5.1音频
DVD
TV
TAPE
R
VCD
L
图3－1系统原理框图
3.2音源控制选择
为了满足家庭的需要，所以本功率放大器要设计完成在DVD、VCD、TAPE、TV四种音源间的选择，使其能和更多的设备对接。
四种音源采用模拟电子开关4052来实现。
CD4052的引脚功能见图3-2，CD4052相当于一个双刀四掷开关,具体接通哪一通道,由输入地址码A、B来决定。
其真值表见表3-1；
表3-14052真值表
图3-2引脚功能图
INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。
此外，CD4052还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。
4052相当于一个双四位开关，输出端分别为13、3脚，可以分别选择从1、2、4、5、12、15、11、14脚的输入信号。
选择端由9、10脚的逻辑电平控制。
利用CD4052可以选择不同的音频信号DVD、CD、VCD、TAPE中的任意一种输入。
3.2.1方案1：
CD4013双D触发器产生控制信号
本电路的优点是只需要一个不带自锁的开关完成一键控制，并且可以保存上次操作的信号直到下次按下开关，这样既减少了机械开关的数量，并且也很好的保证了整个功放的音质。
电路如图3-3
图3-34052音源选择电路
输入串连电容主要是隔直流，这样可以避免直流对音质的影响。
控制信号由控制开关S3决定，S3是不带自锁的选择开关。
通过S3完成不同信源的选择。
图中CD4013是双D触发器，对选择信号进行维持，在没有改变选择信号前，CD4052的控制端将保持在选择时的状态。
直到有新选择信号输入时，在改变原有的状态，维持新的状态。
同时，在两个触发器的Q输出端通过发光二极管显示不同的工作状态。
3.2.2方案2：
组合逻辑电路产生控制信号
本电路是用两个带自锁的机械开关，通过组合逻辑门完成对4052的控制。
电路如图3-4，
图3-44052音源选择电路
通过S1、S2的开启与闭合完成四种不同音源的选择。
逻辑关系为4052的控制脚A=XD0+XD1，B=YD3+YD4。
具体怎样选择，选择什么音源如下表所示，
表3-2S1、S2与音源的逻辑关系
S2
S1
音源输出
开
DVD
闭
TAPE
3.2.3方案比较
方案1采用时序逻辑电路，使用一个不带自锁的机械开关，一键就可以完成四种不同音源间的选择，而方案2则采用组合逻辑电路，使用两个带自锁的机械开关组合完成。
显然方案2在选择音源的时候显得麻烦，而且多使用机械开关对功放的音质有一定的影响，另外从资源上看，方案2所使用的两个非门和两个或非门都只使用了IC的一半，有点浪费。
所以权衡利弊，本音响选择方案1来实现音源选择。
3.3内外部选择电路
QS7785PF作为内置的解码器，可以把双声道的普通立体声信号或杜比定向逻辑、DVD（AC-3编码）输出的立体声信号解码处理后转换成5.1声道信号输出；
但是有些音源已经具有5.1声道输出。
为能够避免两种设备在输入同一功放使产生的矛盾，则内、外5.1声道之间要进行切换。
本电路用模拟电子开关CD4053实现，其引脚功能见图3-5。
CD4053内部含有三组单刀双掷开关,三组开关具体接通哪一通道,由输入地址码ABC来决定。
其真值表见表3-3。
表3-34053真值表
图3-54053引脚功能图
内外部信号切换电路由于一共6个声道，一片4053有三组单刀双掷开关，所以要用两片4053才能完成改功能。
其控制信号有两种方案可以实现。
3.3.1方案1：
用由双稳态触发器产生的脉冲产生控制信号
PROTEL电路如图3-6，接通电源时，输出低电平，当按下开关（不带自锁）K1
图3-6内外部选择电路
时，输出高电平，并可以保持不变直到再次按下K1，输出就变为低电平。
这
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