数控音频放大器广州大学概述.docx
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数控音频放大器广州大学概述
课程设计报告
课程名称：
电子技术应用课程设计
设计题目：
数控音频放大器
专业班级：
电气111班
设计者：
cjb
学号：
11073000
指导教师：
肖忠、黄峥
设计所在学期：
2013-2014学年第一学期
设计成绩：
广州大学
机械与电气工程学院
二〇一二年九月二十七日
（一）课程设计题目
数控音频放大器
（二）选题的目的和意义、课题选择的依据
①选题的目的和意义：
数字电子技术课程设计是一门独立设课、有独立学分的实践性课程，同“数字电子技术”理论讲授课程有密不可分的关系，起着相辅相成的作用，也是在“数字电子技术实验”课的基础上，进一步深化的实践环节。
其主要目的是通过本课程，培养、启发学生的创造性思维，进一步理解数字系统的概念，综合运用电子技术课程中所学得理论知识去独立完成一个设计课题。
通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。
②课题依据：
本设计以数字电子技术的基本理论为指导，因而应具备相关的理论知识，包括：
脉冲的基本概念；数字和进制的基本概念；TTL、CMOS类型常用器件的性能特点；组合电路的基本概念、简单分析、设计方法；时序电路的基本概念、简单分析、设计方法；脉冲电路的功能和性能等。
特别要加强“系统”的概念，从“系统”的层次分析问题、解决问题。
基本方法除了实验课中要求掌握的功能测试、故障排除等各种一般方法以外，要特别注重使用“电路拼装”的方法。
课题选择的依据是将模拟电子技术与数字电子技术的理论知识与实际电路的设计、分析、制作、调试等联系起来，在实践中掌握运放、模拟开关、计数器、数码管显示等芯片的功能与应用，培养应用电子技术知识设计并制作小型实际应用电路的能力。
（三）系统设计功能简介，本设计已实现的功能：
设计的音频放大器能对MIC或其它信号源进行放大，供给耳机或喇叭播放。
1.电路设有1个0.35cm的单声道插口，以供音频信号输入，另外一个0.35cm单声道插口供耳机使用。
2.放大器的放大倍数可以分八级调节，通过按键进行选择，每级之间有级差。
每一级别电阻差10k。
3.放大级数的值在数码管上显示。
4.放大器失真小，声音清晰（无论时运放输出还是功放输出，都很好）。
6、扩展功能全部完成：
能够加减计数，音频检测扩展电路，稳压电源。
（四）创新性、实用性和课题特点
1.创新性：
实现数字与模拟的结合，进行音频放大与数字显示。
2.实用性：
在模拟部分进行音频放大时，既可以进行公放也可以插到耳机上进行欣赏。
3.课题特点：
首先，该课题具有很强的实用性，与生活接近。
该设计包括：
数字控制放大器能对MIC或其他信号源进行放大，供给耳机或电脑音箱，放大器的放大倍数可以分级调节，通过按键选择，放大级数至少分为八级，放大级数的值可以在数码管上显示。
在进行该设计时，可以使我们形成将所学知识结合到生活当中，并且把数电与模电进行有机的结合。
（五）总体方案选择的论证
78系列的线性电源虽然效率低，但外围电路简单。
所以选择7805和7905做一个正负5v的稳压电源。
解决按键抖动可以软件实现，或者硬件实现。
如果这个课程设计用上单片机就显得大材小用，所以就用硬件实验。
可用施密特，或NE555接成单稳态电路。
因为NE555随手可得，计算方便，所以我选择了NE555做单稳态电路，解决按键抖动。
功放选择LM386，因为外围电路简单，单极性电源输入，可靠。
运放选择LM324，因为外围电路简单，可靠，但因为不是音频专用运放，所以在大的放大倍数时失真较为严重。
音频检测显示电路，用集成芯片LM3914，因为集成，所以可靠性好，外围电路简单。
74LS191计数器，可加可减，满足计数要求。
（六）系统框图
（七）总电路图
（八）系统实现基本原理和电路原理
（1）74ls191仿真电路，有加减功能
产生模拟开关的控制信号
模拟开关的控制信号其实是三位二进制数，这三位二进制数可以由一个二进制计数器来提供，电路示意图。
图中，三位二进制计数器用于记录CP端输入的脉冲个数，可以用普通集成计数器实现。
SW是按钮，每按下一次，就有一个脉冲输入计数器，在计数器的三条输出线Q0，Q1，Q2上就依次出现从000，001，…111的三位二进制数，并且不断循环。
计数器的三根输出线就可以接到模拟开关4051的控制输入端，用于控制放大倍数。
图中由按钮、电阻、非门组成脉冲产生电路，非门用于整形，用施密特电路来代替，效率会好些。
机械式按钮和开关都会震动，虽然只按了一次，因为抖动却会产生多个脉冲，相当于按了多次，因此要加进防抖动措施。
脉冲产生电路最好用无抖动电路代替，例如用非门单稳态代替，或者利用该RS触发器防止机械抖动。
（2）CD4051模块
数字控制调节放大倍数的方法
手工调节放大倍数的方法，一般用电位器代替图中的Rf，为达到用数字方式控制放大倍数的目的，以一组电阻网络代替图中的Rf，用一组转换开关控制将不同的电阻接入电路中，当转换开关将不同的电阻接入代替Rf时，就实现了分级改变放大倍数的目的。
因为要实现数字控制，转换开关就不能用机械开关。
CD4051引脚功能见I图。
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
其真值表见表II。
“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。
此外，CD4051还有另外一个电源端VEE，是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。
例如，若模拟开关的供电电源VDD=+5V，VSS=0V，当VEE=-5V，只要对此模拟开关施加0——5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为-5V——+5V的模拟信号。
利用模拟开关的这个功能，就可以实现数字控制放大倍数的目的。
例如，采用CD4051构成数字控制调节放大倍数的参考电路看图III。
图ICD4051引脚功能
表II4051真值表
输入状态
接通通道
INH
C
B
A
0
0
0
0
“0”
0
0
0
1
“1”
0
0
1
0
“2”
0
0
1
1
“3”
0
1
0
0
“4”
0
1
0
1
“5”
0
1
1
0
“6”
0
1
1
1
“7”
1
均不接通
（3）4511显示模块
显示部分
显示部分若采用数码管，可以用普通的数码管译码驱动集成电路，例如CD4511，CD4543等。
译码输入可以直接连接到三位二进制计数器的输出线Q0、Q1、Q2上。
使用数码管LED显示。
使用LED显示的好处是显示亮度高，元件的价格低，容易购买。
CD4511是一种译码驱动集成电路，功能是把BCD码变换成七段a~g显示器，主要用于驱动LED数码管显示十进制数，图中电阻是为了限制流过数码管的电流，当电源电源Vcc=5V时，R取值在100~500欧姆。
其引脚图和引脚功能图如图：
引脚LE称为锁存端，加“H”高电平则在此之前一瞬间的A——D（BCD输入）被锁存，译码器输出原状态不变，当LE=“L”低电平时A——D输入信号译码后到达a——g变成七段信号输出。
译码器的输出还受到BI（低电平空白）和LT（全亮测试）的控制，当BI加“L”电平，显示器为全暗（不显示）；当LT加“L”电平时，a——g均成为“H”电平，显示出“8”字（全亮）。
BI可用于不需要显示时节约耗电或者“溢出”时作闪动显示等；LT可用于检测显示器是否缺少笔划，故称为“灯测试”。
4511引脚图4511引脚功能
（4）音频电平显示模块
（5）电源模块
220v/18v，经整流桥，滤波，接到7805和7905，滤波，输出可得正负5v
（6）Lm324+lm386运放、功放电路
前置放大器Lm324
音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。
改变放大倍数的方法：
用集成运放组成的同相输入比例放大器，其电压放大倍数Auf=1+（Rf+R1）。
取R1=10K，则：
当Rf=10K时，Auf=2；
当Rf=20K时，Auf=3；
……………………
当Rf=70K时，Auf=8，
而当Rf=0时，Auf=1。
同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：
Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。
R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
根据音频信号的特点，前置放大器选择由LM324集成运算放大器构成的电压放大器完成。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
LM324引脚图
功率放大部分
功率放大电路可以采用音频功放集成电路，采用LM386的功放电路。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。
（7）555单稳态按键防抖100ms
工作方式：
当VI处于高电平时，VOUT为低电平。
如果此时VI变成了低电平，那么我们的VOUT马上变为高电平，而且VOUT的高电平一直持续到，我们的VC=2/3VCC（就是电容C2一直充电到2/3VCC）,而不管在我的电容C2一直充电到2/3VCC的过程中，VI是否又变成了高电平，在我的电容C2充电到2/3VCC后，VOUT马上又会变回为低电平。
这样，我们VOUT的低电平就是稳态，而出现的暂时的VOUT的高电平，称为暂稳态。
只有一个稳态就是VOUT低电平。
另外需要我们注意的一点的是：
在暂稳态时间内（VOUT为高电平时间内/电容C2充电到2/3VCC的时间内）。
VI出现新的低电平，将不会起作用。
（九）计算机虚拟仿真过程及其结果
首先是做电源模块
然后设计74ls191的可加可减电路
，把Q0，Q1,Q2接发光二极管，方便观察。
在确定74ls191正常工作后，加上4051和4511，数码管显示。
因为仿真按键没有抖动，而实际电路会有按键抖动，所以加入NE555的单稳态电路，延时100ms。
最难调试的是运放和功放。
最后成功的是这个电路
（十）单元电路的设计、参数计算和元器件的选择
电路设计及其参数计算和元器件的选择在上面有涉及。
（十一）实施方案说明
1.前期准备
首先是熟悉课程设计的任务和要求，查找相关的资料和设计初步方案进行电路设计，然后绘制电路图，列出所需所有的元件清单，购买元件。
2.制作过程
接下来是元件的布局，根据所绘电路图，把相关元件放在合适的位置进行焊接。
由于电路线路较多，焊接时需要进行跳线，而跳线因为无论是从背面引线还是正面用杜邦线连接都会造成容易短路、接触不稳，所以选择零电阻，十分可靠。
第二个是防抖动电路单稳态触发的R、C选择，及决定按键脉冲识别时间。
第三个，放大电路模块电阻电容的选择，如何使用324放大功能，如何偏置等。
3.调试过程
电路焊接完毕之后，我们需要进行电路检查，检查是否把所有的电路都按照原理图对应的焊接好，检查芯片的各个引脚是否连接正确，然后再进行分级调试，分别对模电和数电部分最终调试。
最终进行整体的检查，看整个电路是否达到实验要求。
（十二）系统运行的结果和现象
调试中主要出现的问题是：
1.喇叭输出的噪声明显
因为喇叭是最后输出，中间经过运放和功放，前置和后级放大都可能带入噪声，所以一定要分开调试，确保2个放大都无引入噪声，最后才不会有噪声。
LM324加入正负5v电源噪声基本没有了。
LM386的电路一开始我是用50增益的电路，后面发现噪声太大，改为官方datasheet中20增益的最简电路。
设计布线中功放电路应遵循单点接地的原则，即以电源地为“点”，前后级各元件的接地端都一根一根的接到电源地去。
前后级的电源也采取单点接地的布线规则，以避免后级的大电流影响到前级电路。
并且电源地与输出地应尽可能的接近，输入端的地线也应引长线到电源地，这样可以进一步减少影响，减小噪声电压。
走线应追求短，并且简洁。
2.4511显示模块，数码管出现乱码或者跳码。
后面发现因为芯片是mos管，悬空会不稳定的高电平，导致乱码。
把4511输入D接地即可。
调试：
单独在输入用高低电平加到A,B,C中，比如001，数码管显示1。
4.74ls191计数模块
确保4511显示模块成功后，在输入Q0、Q1、Q2接到4511的A,B,C。
而74ls191CLK输入那，直接用杜邦线，在高低电平切换，这样就可以看到显示的0~7循环增加。
5.74ls191模块做好后，加入NE555单稳态电路，消除按键抖动
各模块确定完好后，再组合。
（十三）元器件列表清单
元件
数量
电阻R=10k
R=100k
R=470
R=12
10
1
7
5
电解电容C=10uF
电解电容C=220uF
陶瓷电容C=104
陶瓷电容C=106
陶瓷电容C=473
5
5
5
5
5
LM386
2
CD4051
2
LM324
2
NE555
2
74LS191
2
CD4511
2
LM3914
2
共阴数码管
2
按钮
2
拨码开关
2
滑动变阻器10K
2
六脚开关
5
排针
若干
3.5mm音频插孔
2
音频线
1
220/18v20w变压器
1
万用板，电烙铁，松香，焊锡，喇叭，杜邦线等
若干
（十四）系统（本电子作品）的用户使用方法指南：
用一个变压器给系统输入稳定的电压，再把音频输入信号输入系统，在另外一端的音频口.接入扬声器。
接通电源，打开电源总开关；接通音频输入信号，信号输出端。
按下按钮，调节声音放大的级数，数码管显示的数值就是声音放大的级数值。
按一下，级数就会增加一个单位。
0为最小，7为最大。
级数调节是循环变化的。
（十五）问题讨论
机械防抖动的解决：
用555定时器接成的单稳态触发器来稳定稳定波形。
电源的选择：
变压器220v变18v，在经7805、7905稳压得正负5v电源。
喇叭输出的声音会经过运放和功放，所以一定要分步调试，分别得到清晰的音乐才好，不然直接焊出来不分别确认那个代入噪声就比较麻烦，输出一定有噪声。
（十六）参考文献
1、童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》
2、康华光，《电子技术基础》模拟部分
3、赵淑范王宪伟，《电子技术实验与课程设计》
4、曾广兴:
《现代音响技术应用》，广东科技出版社，1997年3月。
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