数字式音量自动调节器的设计论文.docx
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数字式音量自动调节器的设计论文
目录
河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明I
河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告II
摘要1
0引言1
1系统电路的设计1
1.1系统框图和工作原理1
1.2单元电路2
1.2.1控制电路2
1.2.2电阻分压网络和多路模拟开关4
1.2.3音频运放5
1.2.4显示电路6
1.2.5音频功率放大电路6
2电源设计7
3控制部分电路仿真7
4电路的组装及调试8
4.1电路的组装8
4.2电路的调试8
5实物图9
6结论11
参考文献：
11
致谢12
河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表13
河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表14
河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表15
河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表16
河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
二O年月日
河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告
论文题目
数字式音量自动调节器的设计
学生姓名
杨廷
所属学院
物理与机电工程学院
专业
物理学
年级
08级
指导教师
石玉军
所在单位
河西学院
职称
高级实验师
开题日期
2011.12.20
选题的根据：
选题的理论、实际意义并综述有关本选题的研究动态和自己的见解
一般的音量调节器在使用一段时间后，会因滑臂与电阻片的接触不良而使音频设备产生一种特别刺耳的声音，这种音量调节器不仅电阻衰减不准确而且不能和数字电路接口，数字式音量自动调节器将弥补普通音量调节器在这方面的不足。
对于数字式音量调节器的设计有很多种方法，运用不同的方法基本上能实现不同预期的效果。
目前市场上已经出现集成的数字电位器，将计数器和模拟开关等芯片集成在一个芯片上，在音频电子产品中有很大的作用。
论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法：
本篇论文主要介绍数字式音量自动调节器的工作原理和设计方案，这种音量调节器必须有三种功能：
（1）刚通电时音量处于一个适中位置；
（2）能完成音量自动增、减控制；（3）当音量自动增加到最大值（或减小到最小值）时，音量应保持不变。
论文要文句通顺，体例统一，无语法错误，简化字应符合规范，正确使用标点符号，符号的上下角标和数码要写清楚且位置准确，严格按照论文格式书写。
本文采用计数器和模拟开关来设计数字式音量自动调节器，需通过按键来控制音量的大小。
电路设计出来后需用仿真软件进行仿真，观察仿真结果，保留仿真图，再手工制作出相应的实物，演示论文设计的效果。
论文进度安排和采取的主要措施：
2011.11.25-2011.03.10阅读大量的文献，收集关于本篇论文的资料，拟出几个可行的方案。
2012.03.11-2012.04.11确定一个可行性方案，设计出电路图，通过仿真软件查看仿真结果，写出论文初稿。
2012.04.12-2012.05.01由指导老师指导修改论文，同时采购原件，进行手工制作实物并调试。
2012.05.02-2012.05.20由指导老师指导论文定稿。
2012.05.21-2012.06.09准备好论文资料，制作论文答辩的课件。
主要参考资料和文献：
[1]刘振来,石玉军,顾建雄等.电子技术实验[M].甘肃:
兰州大学出版社,2005.
[2]康华光,周寿彬,秦臻.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京:
高等教育出版社,2010.
[3]张为,关欣,刘艳艳等.电子电路设计基础[M].北京:
电子工业出版社,2005.
[4]高吉祥.数字电子技术[M].北京:
电子工业出版社,2003.
[5]唐敏.数字式音量控制电路[S].重庆师范学院学报,1997,14
（1）:
33-35.
[6]赵保经.CMOS集成电路[M].北京:
国防工业出版社,1985.
[7]杨欣.实例解读电子元器件与电路设计[M].北京:
电子工业出版社,2009.
指导教师意见：
签名：
年月日
教研室意见
负责人签名：
年月日
学院意见
负责人签名：
年月日
数字式音量自动调节器的设计
摘要：
本文介绍了一种由四位二进制可逆计数器CD40193、逻辑门电路和八通道模拟开关CD4051设计的数字式音量自动调节器，弥补了普通音量调节器电阻衰减不准确、无法与数字电路接口的缺陷。
它可通过按键来控制音量的大小，受控等级为十六级。
关键词：
数字电路；音量；自动调节
Abstract:
ThispaperintroducesakindofdigitalautomaticvolumeregulatordesignedbyfourbitbinaryreversiblecounterCD40193,logicgatecircuitandeightchannelanalogswitchCD4051.Itcompensatesforthegeneralvolumeregulators’defectsofinaccuracyofresistance’sattenuationanddisabilitytointerfacewiththedigitalcircuit.Itcontrolsthevolumebybuttonsanditscontrolledgradeissixteen.
Keywords:
Digitalcircuit;Volume;Automaticadjustment
0引言
音量调节器广泛应用于各种音频电子产品中，一般的音量调节器使用一段时间之后，会因滑臂与电阻片的接触不良而产生一种特别刺耳的声音，这种音量调节器还有两大缺点，第一是电阻衰减不准确；第二是不能与数字电路接口，因此不能在数字电路的驱动下达到准确的音量控制[1]。
在数字电路高速发展的今天，普通音量调节器已经不能满足人们的需要了，因此，设计数字式音量调节器是有必要的。
目前，市场上已经出现不同种类的集成数字式电位器芯片，可以实现多种功能的音量控制，给人们带来了很大的方便。
本文介绍一种由数字电路构成的数字式音量自动调节器，它采用加/减可逆计数器来控制模拟开关选择不同的音量控制电阻来实现音量的自动调节。
1系统电路的设计
1.1系统框图和工作原理
图1系统总体框图
本文设计的数字式音量自动调节器主要由控制电路、八通道模拟开关、电阻分压网络电路、显示电路和音量输出电路组成，电路的主要工作原理是：
电阻分压网络完成对音频信号的多级衰减，由控制电路控制模拟开关选择输入运放信号的大小，运放的输出信号送入音频功率放大电路进行放大，从而实现音量的自动调节[1]。
1.2单元电路
1.2.1控制电路
（1）控制电路是数字式音量自动调节器的核心内容，主要有三方面的功能：
功能1刚通电时音量处于适中位置；
功能2通过按键能完成音量自动增、减调节控制；
功能3当音量自动增加到最大值（或减小到最小值）时，音量应保持不变。
（2）控制电路原理图如图2，是由CD40193加/减计数器和门电路组成的，取Q2Q1Q0的输出作为CD4051的通道选择控制信号，Q2Q1Q0的变化范围是000-111，能满足控制的需要，
端接有R1、C1组成的上电预置数据电路，在刚接通电源的时候，由于C1的电压不能突变，所以
=0，使Q3Q2Q1Q0=0111，电源接通后电容C1被充满电荷，于是
=1，所以刚通电时，音量处于适中位置[1]。
控制电路中，当K1、K2均不闭合时，将G7、G8的1输入端通过电阻后接地，则G7、G8的1输入端均为低电平，CPU、CPD的输入均为高电平，CD40193处于保持状态，输出保持不变，音量也不会改变。
按下K1键时，G7的1输入端接通由振荡器提供的时钟脉冲，2输入端的电平由CD40193的输出端提供。
当Q3Q2Q1Q0的输出为非1111时，G3、G4的输出端至少有一个为高电平，G5的输出为低电平，G6的输出为高电平，则G7的2输入端为高电平，所以当K1闭合后，G7的输出端产生时钟脉冲，在脉冲上升沿的作用下，CD40193进行加计数，从而使音量慢慢增大。
当Q3Q2Q1Q0输出为1111时，G7的2输入端为低电平，所以不论1输入端是高电平还是低电平，G7输出端均为高电平，Q3Q2Q1Q0的输出保持1111不变，即声音调到最大时保持不变。
按下K2键时，G8的1输入端接通由振荡器提供的时钟脉冲，2输入端的电平由CD40193的输出端Q3Q2Q1Q0提供，当Q3Q2Q1Q0的输出为非0000时，G9、G10的输出至少有一个为低电平，G11的输出为高电平，G8的2输入端为高电平，所以当K2闭合后，G8的输出端产生时钟脉冲，在脉冲上升沿的作用下，CD40193进行减计数，从而使音量慢慢减小。
当Q3Q2Q1Q0输出为0000时，G8的2输入端为低电平。
当2输入端为低电平时，不论1输入端是高电平还是低电平，G8输出端均为高电平，CD40193的输出保持0000不变，即当声音最小时继续按声音减小开关，声音保持不变。
图2中主要由与非门组成的多谐振荡器为计数器提供时钟脉冲，振荡器的频率决定了音量调档的速度，频率越高，音量调档速度越快。
一般来说，振荡器的频率在2HZ左右比较合适，其振荡周期公式[1]为：
（1）
为COMS反相器的阈值电压，若
（2）公式
（2）代入公式
（1）有
（3）利用公式（3）可计算出控制电路中振荡器的振荡周期为
T≈1.4RC=1.4×4×106×0.1×10-6=0.56S（4）
所以振荡器的频率约为1.79HZ。
下面是数字式音量自动调节器控制电路部分的电路图[2-6]。
图2音量调节器控制电路图
（3）四位二进制加/减可逆计数器——CD40193在控制电路中起主要作用，采用双时钟的逻辑结构。
加计数器和减计数器具有各自的时钟通道，计数方向由时钟脉冲进入的通道来决定，对整个计数器电路来说，则是在CPU或CPD的上升沿触发翻转的；采用8421编码；进位输出QCO和借位输出QBO与时钟脉冲同步；其输出脉冲宽度与CP的低电平宽度相同；清零与置数功能与时钟是不同步的[6]。
CD40193引出端和引脚功能说明[6]如图3。
图3CD40193引出端和引脚功能图
1.2.2电阻分压网络和多路模拟开关
（1）电阻分压网络和多路模拟开关是本篇文章中的重要组成部分。
如图4，电阻分压网络是由不同阻值的电阻串联后形成的电路，在模拟开关的公共输入端输入音频信号，电阻分压网络与模拟开关的输出端相连，将音频信号送入音频功放的前级放大电路进行放大。
通过对模拟开关功能的分析，本文将采用两个模拟开关——CD4051与电阻分压网络相连，通过控制模拟开关的三个地址端A0A1A2就可以控制接入运放信号的大小，当Q3Q2Q1Q0为0000时，CD4051-1的禁止端为低电平，它进入工作状态，0通道导通，接入运放的信号最小，输出的音量最小。
当控制电路中的计数器继续计数，Q3Q2Q1Q0状态为1000时，CD4051-1的禁止端为高电平，它停止工作，通道全部断开。
而Q3输出通过反相器后接入CD4051-2的禁止端，当Q3Q2Q1Q0状态为1000时，CD4051-2开始工作，0通道导通，接入电路的衰减电阻的阻值继续减小，音频信号的衰减随之减小，输出音量继续增大，Q3Q2Q1Q0状态为1111时，接入电路的电阻阻值最小，输出音量达到最大值。
本文选用两个CD4051与分压网络相连，控制等级由八位可以提高到十六位，基本可以满足音量控制的需要，图4是电阻分压网络和模拟开关电路的原理图。
（2）模拟开关CD4051简介
表1CD4051功能引脚说明
引脚号
符号
功能
124512131415
IN/OUT
输入/输出端
91011
A0A1A2
地址端
3
OUT/IN
公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
负电压端
8
VSS
数字信号接地端
16
VDD
电源+
模拟开关CD4051引脚说明见表1，是八通道数字控制模拟开关，有A0A1A2三个二进制控制输入端以及INH共4个输入端，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5V～20V的数字信号可控制峰值为20V的模拟信号。
例如，若VDD接+5V电压，VSS接地，VEE接-5V电压，则0～5V的数字信号可控制电压为-4.5～4.5V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输入为高电平时，所有的通道截止，只有当INH为低电平时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道。
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，其它时候可以接地[6]。
图4电阻分压网络和模拟开关原理图
1.2.3音频运放
控制电路控制模拟开关所选择的电阻接在运放的输入端，通过不同阻值的电阻对输入运放的音频信号进行衰减。
本篇论文中所采用的运放为集成音频运放NE5532。
NE5532是高性能低噪声双运算放大器集成电路，与很多标准运放相似，但它具有更好的消除噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点，用作音频放大时音色温暖，保真度高。
音频运放作为功放的前级放大，是各种音源设备和功率放大器之间的连接设备，除了有信号放大作用外，还有音质控制的作用，如通过其音调控制电路对信号的频率特性进行调节和控制，起到修饰和美化声音的作用，使功率放大器输出的声音能满足聆听者的喜好要求。
音频运放电路图[7-9]如图5。
图5音频运放电路图
1.2.4显示电路
在数字式音量自动调节器的设计中，为了清楚的显示计数器的计数状态，我设计了简单的显示电路。
显示电路主要原理是将3线-8线译码器74LS138的三个地址端ABC接在计数器的Q0Q1Q2上，通过改变译码地址端的二进制数可控制译码器译码，译码器的输出端接上十六个发光二极管，计数器每改变一次状态，二极管发光情况也随着改变，此电路可直观的显示出计数器的计数状态。
显示电路图如图6。
图6显示电路图
1.2.5音频功率放大电路
音频功率放大电路主要是将微弱的信号进行放大，推动扬声器将声音输出，本文采用集成音频功率放大器件TDA2003，其性能优良，功能齐全，并附加有各种保护、消除噪声电路，外接原件大大减少，仅有五个引出端，易于安装使用。
音频功率放大电路[1]图如图7。
图7音频功率放大电路图
2电源设计
电源是电子产品的动力，合适稳定的电源是电路良好运行的前提。
本文中各单元电路对电源的要求比较高，控制电路部分、模拟开关电路、显示电路均需要+5V电源，运放部分需要+9V和-9V电源，功放电路需要+9V电源。
为了得到比较稳定的电压，在本次设计中我采用了集成三端稳压器LM7809、LM7909、LM7805、LM7905，用LM78/LM79系列三端稳压器组成的稳压电源所需外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压器型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压器的输出电压，如LM7809表示输出电压为+9V，LM7909表示输出电压为-9V。
图8是稳压电源[9]电路图。
图8稳压电源电路图
3控制部分电路仿真
控制部分是本篇论文的核心部分，在设计出电路的同时有必要在仿真软件上查看仿真结果。
Multisim是一款电子电路全功能模拟测试的仿真软件，其强大的功能包括：
元器件编辑、选取、放置；电路图编辑、绘制；电路工作状况测试；电路特性分析；虚拟仪器测试及分析等功能，完全能够满足我们对电路的仿真要求。
论文设计中将图2所示电路选用Multisim软件进行仿真，我们可以模拟测试出当按下开关J1时，计数器开始加计数，发光二极管L1L2L3L4的发光情况随着计数器输出端Q3Q2Q1Q0的输出状态的改变而改变，当L1L2L3L4全部发光时，不再改变发光状态；当按下开关J2时，计数器开始减计数，L1L2L3L4的发光情况也会随着计数器Q3Q2Q1Q0的输出状态而改变，直到计数器输出端输出全部为0时，计数器保持当前状态，发光二极管都不发光。
通过二极管的发光情况，我们可以判断出控制电路符合论文设计的要求。
数字式音量自动调节器控制部分的仿真图如图9。
图9控制部分电路仿真图
4电路的组装及调试
4.1电路的组装
电路的组装过程不仅增强了我的动手能力，而且使我对各种电子元件有了初步的了解。
组装成功的电路能清楚的演示出各单元电路的功能。
在制作实物之前，将控制电路、模拟开关电路、运算放大电路、显示电路、功率放大电路分别在数字电路实验箱上进行模拟测试。
经过实验模拟出电路能够正常运行，根据电路图可以制作出各个单元电路的实际电路。
4.2电路的调试
在电路调试阶段，首先需要检查各部分电路板有没有虚焊和短路现象，确保焊接无误后将各部分通过杜邦线连接起来。
给控制电路和显示电路分别接+5V电源，由于运算放大器NE5532需要双电源供电，给其接+9V和-9V电源，功率放大部分需要+9V电源。
分别接上合适稳定的电源后，再次检查电路连接，防止连接错误以至于烧坏电子元件。
在CD4051-1和CD4051-2的公共输入端输入音频信号，将输入的音频信号调到合适的大小，对数字式音量自动调节器进行调试，按声音增/减按键，听扬声器的发声情况，若能够通过按键来控制声音的大小，说明设计的数字式音量自动调节器是成功的[10]。
5实物图
图10控制电路实物图
图11模拟开关和运放电路实物图
图12显示电路实物图
图13功放部分实物图
图14电源部分实物图
图15系统总体电路实物图
6结论
本文主要介绍了一种数字式音量自动调节器的设计方法，采用了加/减可逆计数器CD40193、逻辑门电路和八通道模拟开关CD4051进行设计，并通过仿真软件模拟出数字式音量自动调节器控制部分的电路的功能。
手工制作了相应的实际电路，并成功演示出论文设计的要求。
本文设计的数字式音量调节器可通过按键调节音量的大小，但在声道转换，静音等方面还没有提出更好的方案。
因此，在以后的设计中我将着重在声道转换、静音等方面研究，争取拿出最佳的作品。
参考文献：
[1]刘振来,石玉军,顾建雄等.电子技术实验[M].甘肃:
兰州大学出版社,2005.
[2]康华光,周寿彬,秦臻.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京:
高等教育出版社,2010.
[3]张为,关欣,刘艳艳等.电子电路设计基础[M].北京:
电子工业出版社,2005.
[4]高吉祥.数字电子技术[M].北京:
电子工业出版社,2003.
[5]唐敏.数字式音量控制电路[S].重庆师范学院学报,1997,14
（1）:
33-35.
[6]赵保经.CMOS集成电路[M].北京:
国防工业出版社,1985.
[7]杨欣.实例解读电子元器件与电路设计[M].北京:
电子工业出版社,2009.
[8]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[9]王松武.电子创新设计与实践（第2版）[M].北京:
国防工业出版社,2010.
[10]任致程.画说电子技术技能技巧[M].北京:
机械工业出版社,2006.
致谢
在此论文撰写过程中，要特别感谢我的指导老师——石玉军的耐心指导和帮助，他提出了严格要求，引导我不断的开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，使我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野，又培养了我良好的实验能力和科研素养。
在此，我向我的指导老师表示最诚挚的谢意！
求学历程是艰苦的，但又是快乐的。
感谢物理与机电工程学院所有的老师，谢谢你们在这四年中为我们所做的一切，没有你们的辛勤的培育，就没有我们今日的满载而归。
在这四年的生活和学习中我所结识的各位挚友是我人生中得到的最大的一笔财富。
在此，我也对他们表示衷心的感谢。
感谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！
本文参考了大量的文献资料，在此，我向各学术界的前辈们致敬！
河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表
学院：
物理与机电工程学院专业：
_____物理学_____
教师姓名
石玉军
职称
高级实验师
学历
硕士研究生
拟选论文（设计）题目
数字式音量自动调节器的设计
选题内容与要求：
本篇论文主要设计数字式音量自动调节器，通过按键来控制音量的大小。
这种音量调节器必须有三种功能：
（1）能完成音量自动增、减控制
（2）当音量自动增加到最大值（或减小到最小值）时，音量应保持不变（3）刚通电时音量处于一个适中位置。
论文设计出来后用仿真软件进行仿真，保留仿真图，再手工制作出相应的实物，演示论文设计的效果。
教研室（研究所、中心）负责人审查意见：
签字：
年月日
学院审核意见：
学院（章）年月日
注：
本表按选题填写，每题一页，由学院存档。
河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况
登记表
论文题目
数字式音量自动调节器的设计
学生姓名
杨廷
所属学院
物理与机电工程学院
专业
物理学
年级
08级
指导教师
石玉军
所在单位
河西学院
职称
高级
实验师
学历
硕士
研究生
指导时间
指导地点
指导内容
学生签名
备注
2011.12.26
实验楼901
确定论文题目，提出论文要求
2012.03.02
实验楼901
介绍数字式音量自动调节器的设计方法
2012.03.14
实验楼901
提出论文构思，分析和探讨构思的可行性
2012.03.28
实验楼901
确定论文设计方案，对论文整体布局进行设计
2012.04.11
实验楼901
指导数字式音量调节器所需电源的设计方法
2012.04.25
实验楼901
指导手工制作实物的注意事项
2012.05.09
实验楼901
修改论文，并确定初稿
2012.05.23
实验楼901
指导修改论文格式
2012.06.06
实验楼901
指导论文答辩中注意事项
备注：
如果是几个导师联合指导，可加行填写导师信息；可加附页。
河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表
毕业论文指导教师评定成绩（本页由指导教师手写）
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