数控音频放大实验报告.docx

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数控音频放大实验报告

信息与通信工程学院

通信工程

题目:

数控音频播放器的硬件实现

成员

班级

班内序号

学号

指导教师

年月

目录

报告摘要与关键词3

报告内容3

一.准备部分3

1.实验内容3

2.实验材料3

二.设计方案4

1.整体框架4

2.基本模块设计5

1）电源模块5

2）555振荡电路6

3）逻辑门电路7

4）音频放大模块8

5）功放模块10

6）模块拼接11

三.调试修改12

1.电源模块12

2.振荡电路模块14

3.逻辑门电路与音频放大模块14

4.功放模块15

四.性能测试15

1.测试条件15

2.测试方法15

3.测试指标16

五.拓展与创新23

六.实验总结24

七.参考文献27

摘要：

数控音频播放器主要实现音频的放大与播放。

其硬件实现实验的基本部分由电源模块、振荡模块、逻辑门模块、音频放大模块与功率放大模块构成。

其中电源模块产生

V稳定直流电压，为其它模块供电,原理为将输入为220V交流电变压器提供的+5V直流电压转变为

V稳定直流电压输出；555振荡模块为逻辑门模块提供时钟信号，通过两个电位器配合可将频率调节为1Hz~20Hz，占空比为50%的稳定方波；逻辑门模块由74LS161计数器控制74LS48与74LS138分别实现驱动段数码管工作和控制继电器的开关方向，其中数码管为0~9循环显示，继电器在数码管显示设置数字时换挡；音频放大模块通过音频输入端输入音频信号，NE5532由

V直流电压同时驱动，通过改变输入支路电阻或反馈支路电阻或者同时改变来调整增益；功率放大模块使用LM386芯片，为通过一个电位器调节输入信号电压幅度来实现增益连续可调放输出放大无失真音频信号直接耦合驱动8

喇叭播放声音。

本报告分模块详细介绍了系统的设计过程，给出了设计原理、实现电路图，并记录了调试修改的过程和数据，对系统进行了分模块测试和整体测试，给出了相应的分析和结论。

关键词：

数控音频放大，滤波，计数，音量调节，功放桥接

报告正文：

一．准备部分

（一）实验内容：

五大模块：

第一模块

电源模块

用LT1026和LM7905设计输出稳定的±5V直流电压

第二模块

555振荡电路

用NE555设计稳定的方波输出，频率可调为1Hz~20Hz，占空比可调为50%。

第三模块

逻辑门电路

设计可用按键或振荡电路控制稳定计数的74LS161计数器，数码管正常显示计数，74LS138译码器输出能正常为继电器提供控制电压。

第四模块

音频模块

利用运算放大器NE5532搭建放大电路，放大倍数可调。

第五模块

功放模块

利用LM386搭建音频功放，增益可调，无失真。

创新：

双功放桥接输出。

（二）.实验器材：

模块名称

器件名称

数量

作用

电源模块

电源适配器

1

直流5V输出

电源插头

1

与适配器配合使用

开关

1

控制电路通断

负压芯片LT1026

1

产生负压

LM7905

1

使负压稳定在-5V

指示灯LED

2

指示电路通断状态

555振荡模块

二极管

1

电容充放电在不同通路

NE555

1

产生矩形波

100k滑动变阻器

2

调整占空比及频率

指示灯LED

1

指示电路工作状态

数字逻辑模块

74LS161芯片

1

实现十进制计数

74LS48芯片

1

译码驱动数码管

74LS00芯片

1

提供与非门

74LS138芯片

1

控制继电器工作

共阴极LED数码管

1

显示数字

按键开关

2

实现手动计数及清零

音频放大模块

NE5532芯片

1

实现音频初级放大

电容0.1uF

3

耦合电容

电容220uF

2

旁路电容

继电器

2

控制不同音量档位通断

50k,20k,10k,2k电阻

1

同继电器实现三档控制

功放模块

LM386芯片

2

实现功率放大

喇叭

1

输出音频信号

10k电位器

1

控制LM386输入信号

10欧姆电阻

2

保护电阻

电容0.1uF

1

滤波

电容1uF

1

旁路电容

二．设计方案

总体框架图：

图1.音频播放器整体框架图

各模块具体设计方案：

（一）电源模块：

1.设计要求

1）自行设计电源接入模块，提供5V直流电源适配器。

2）在万用板上固定电源接口；

3）利用+5V直流产生‐5V直流输出；

4）安置电源开关，同时控制正负5V电流输出；

5）为正负电压输出设置指示灯；

2.参考资料

3.设计原理

适配器提供的

电压，再由电压转换芯片

获得约

负电压，考虑到电压稳定度对后续音频放大和功放模块效果有直接影响，因而接入负稳压芯片

获得更加稳定的负压输出，后通过变阻器分压调节，进而可获得稳定的

负压。

4.电路图

电源模块基本电路图

（二）555振荡电路：

1.设计要求

1）本实验中产生可控频率的时钟，时钟频率范围至少包括1Hz~20Hz可调；

2）输出方波占空比可调，并且可以调整到50%；

3）该时钟作为其他模块的输入条件（也就是所谓的“驱动信号”）。

这是一个基础模块。

所用芯片：

NE555。

2.参考资料

3.设计原理

如左图，在电阻Rb两端加一个二极管，以使占空比可调为50%，电阻Ra、Rb分别用4K滑动变阻器，利用电容与电阻大小控制振荡频率，同时利用两个二极管将两部分充放电时间分开，从而实现分别调节高低电平时间，实现了占空比与频率的可调。

T1=O.693Ra*CT2=O.693Rb*Cf=1/（T1+T2）当两电阻阻值相等时占空比为50%。

如右图，T1=O.693（Ra+Rb）*CT2=O.693Rb*Cf=1/（T1+T2），可以实现频率和占空比的调节的调节，但占空比不能调为50%.

4..电路图

振荡电路模块基本电路图

（三）逻辑门电路

1.设计要求

1）利用74LS161和其他逻辑芯片设计计数器模块

2）计数器的计数范围为0~9

3）可以通过按键控制加计数，也可以通过555产生的时钟控制自动计数

4）需要有清零功能，按下清零按键，计数器清零重新计数。

5）利用74LS48来驱动单个共阴极数码管，使数码管显示从0到9的数字；

6）利用74LS138做十进制的译码；输出最低位信号用于控制继电器切换，实现控制音频模

块增益的作用。

2.参考资料

3.设计原理

计数器设计采用的芯片

为

进制计数，与

译码器构成七段数码管驱动电路。

其计数频率由

振荡模块输出方波频率决定。

这里采用使芯片74LS161异步复位的方法，实现0-9的计数。

预置端

均接低电位，使用与非门控制使能端ENP和ENT，在计数到1010时产生复位信号，即0000-1001为有效计数。

由74LS161输出端接入74LS48输入端，74LS48输出端连接数码管，驱动数码管显示0-9的数字。

接入两个按键开关，一个控制实现异步清零，一个实现手动计数。

4.电路图

逻辑门模块基本电路图（右上角为振荡电路的一部分）

（四）音频放大模块

1.设计要求

1）从音频头输入语音信号（调试过程中可以用正弦波信号发生器代替），利用运算放大器NE5532搭建放大电路，根据自行设计的方案决定采用同相或反相放大均可；

2）运算放大增益由数字模块控制可调，至少为两个档，建议做到4个档。

（提示：

改变增益的方法，可以是改变反馈回路的电阻，也可以改变输入信号的幅度）利用译码器的输出来控制模拟开关/继电器的连接方向，从而通过按键来控制增益。

具体实现方法自行设计，方式不限。

增益至少可以达到2倍和5倍，如果做出了多档可调，可以定义更高的倍数，同时会用到更多的译码器输出位。

3）单频扫频测试，300Hz~10kHz内波动小于5dB。

2.参考资料

3.设计原理

音频模块基本设计为基本运算放大电路，NE5532采用反向放大，改变输入电阻或者反馈电都可以改变增益，为多档设计奠定基础。

采用拓展设置，实现3档增益控制，任选74LS138两输出端作为两个继电器的控制电压（此处选择74LS138的10和13端口），两继电器分别控制NE5532的反馈支路和输入支路的电阻阻值。

可改变反馈电阻值，从而获得不同倍数的增益。

4.电路图

音频放大模块基本电路图

（此图为第三、四级组合）

（五）功放模块

设计要求

1）功放增益连续可调。

无失真可调最大值与最小值之比应当大于1000倍。

2）单频测试最大输出功率，不要采用USB供电（电流不够）。

最大输出功率在负载为8欧

姆的情况下不小于0.5W。

3）不允许产生自激。

4）能够驱动8Ohm扩音器，声音无明显失真。

2.参考资料

3.设计原理

LM386采用同相输入，输入端通过滑动变阻器改变输入电平来控制增益，实现增益连续可调。

LM386内部固定增益为20倍，不能满足要求，所以在1、8管脚之间加上一个阻容网络来增加增益，为了进一步提高增益倍数直接只一个10uF电解电容。

采用双运放桥接技术，增大运放总输出功率，同时避免了单运放功率不足产生的失真。

4.电路图

双功放桥接电路图

（六）模块拼接

由电源模块为整个电路提供±5V稳定直流电，555振荡模块提供频率和占空比可调的稳定方波作为数字模块中计数器74LS161的时钟。

数字模块中的译码器74LS138的输出作为继电器的控制电压实现多档位。

输入音频信号经过NE5532音频放大模块后由继电器控制NE5532输入和反馈支路电阻实现不同倍数的音频放大，放大后的音频信号输入给下一级功放模块由LM386实现功率放大，最终由扬声器播放无失真放大的音频信号。

图如下：

三.调试和修改

（一）电源模块

1.按照最初的设计方案连接电路后由万用表测量正负电压基本达到了要求值，但通过示波器观测输出波形时发现有很多毛刺，说明电压不够稳定，有噪声存在，所以考虑加滤波电容进行完善电路。

在正负电压输出端各并联一个220uF的电解电容后再观测波形，基本无毛刺出现。

由于正电源输出端没有采取稳压措施，因而LT1026的正电源输出值为7.9V，不能供后面芯片使用，由此直接采用适配器输出电压供电。

LT1026输出的正电源波形图：

适配器输出电源波形图：

稳压后负电源波形图：

2.发光二极管的使用，开始由于正负电源两侧都接有二极管，接通外接电源后发现接在负电源一端的二极管未发光，重新检查电路后才发现是因为其正负极接反。

（二）555振荡模块

本模块没有遇到较大问题，只是由于设计方案的限制，调节两个滑动变阻器中的任何一个时都会改变输出方波的频率和占空比，且还要是频率在一定范围内，不能过大，也不能太小，以保证后一级数码管计数时跳动的时间适中，所以调试起来稍微多花费了一些时间，但电路的使用性能还是很良好的。

（三）逻辑门模块和音频放大模块

由于要实现数控音频放大，所以这两个模块需要协调一起完成，联系更紧密，故在此放在一起来进行说明。

1．计数问题：

（1）由555振荡电路输出作为时钟信号计数：

74LS161采用复位的方式实现0-9的计数，但实际连接后发现仅出现0-8循环计数，电路正确，查阅课本后了解到161具有异步复位的功能，而在连接电路时输出端应接在1010，而非1001。

（2）修正电路后，数码管有跳数现象，在电路连接无误的情况下，若连上示波器显示则正常，其他有的同学也出现了同样的问题，询问老师后知道这是电路不稳定造成的。

由此串接阻值较大的电阻，后发现没起到预期效果，因此我俩决定先连下级电路。

（3）手动按键计数：

连完这块电路后通电检验时发现数码管仍然自动计数，但却出现跳数现象，手动计数按键未起作用，猜想可能是电路不稳定或是环境问题，但鉴于周围空间有限，无法更换地方，于是想到把按键开关直接接在161的时钟输入端，即按下按键式时钟信号输入端直接接地而使161停止计数，数码管停止跳动，未按下按键时，数码管正常自动计数，这样也可实现手动换挡。

2.多档位实现问题：

连接电路完成后，两个继电器能正常工作，说明与第三级连接上没有问题，但在输入一个正弦信号时，却输出一个5V直流信号。

检查电路数遍没问题，芯片全部替换后，仍未正常输出老师提示说可能是环境问题，小范围移动芯片发现结果依旧。

重连该级电路后才有正常输出。

3.上拉电阻过热问题：

由于上拉电阻阻值较小，在使用过程中产热很大，故使用功率电阻代替。

4．放大倍数的调节：

为实现2倍，5倍，以及更高倍数的放大，且避免输出波形失真，不断更换电阻，最后四个电阻的阻值分别为50K，20K，10K，2K，即放大倍数为2,5,10倍。

（四）功放模块

该模块开始采用一个LM386进行搭建，但发现输出的功率远没有0.5W，为了提高输出功率，我们该用双桥解法，尽管输出功率也没有达到设计要求，但效果要好得多。

再者，当输入正弦信号进行调节时用示波器无法从LM386输出端观测到正常波形，噪声很大，反复检查电路设计没有问题，最终确定为输入端电位器阻值调节不当造成。

但在无失真的情况下，这一级的最大和最小值之比远不够1000倍，且无论如何调，噪声都不小，后来决定除去LM386芯片1和8间的电容，以减小噪声。

四.性能测试

1.测试条件

仪器名称

型号

作用

函数信号发生器

RIGOLGFG-8255A

产生不同频率和幅度的正弦测试信号

数字万用表

UNI-TUT56

测试电阻值、电压值

数字示波器

RIGOLTDS1002

观察输入输出信号波形

2.测试方法

测试工作主要采用先局部后整体的思路。

采用分级测试和整体测试两种方法。

分级测试是在搭建好每一级电路或者每个模块之后的基础测试。

用于检查单个模块或部分是否正常工作，能否达到预期的设计要求。

若分级测试通过，可以确保局部工作正常，为整体测试作必要的铺垫。

整体测试是在全部电路搭建完成之后，对多个模块或整机进行联合测试，评价整机的性能能否达标。

局部测试通过之后并不能确保整机工作正常，所以整体测试是十分必要的。

3.系统完成测试指标

电源模块

1.输出+5V电压：

2.输出-5V电压：

555振荡模块

1~20HZ之间任一频率的脉冲占空比50%

音频放大模块

选用300,1K，10KHZ三个频率进行测试，分别记录2,5,10倍的放大波形，由波形可知此模块达到300~10KHZ波动范围小于5dB的要求。

信号发生器输出波形：

（信号发生器输出均采用如下波形）

放大2倍频率300HZ

放大2倍频率1KHz

放大2倍频率10kHz

放大5倍频率300HZ

放大5倍频率1KHz

放大5倍频率10kHz

放大10倍频率300HZ

放大10倍频率1KHz

放大10倍频率10kHz

功率放大模块

最小不失真信号波形：

最大不失真信号波形：

由以上两图可以知道，最大和最小不失真值的比为1.5:

0.1，即为15倍。

五.拓展与创新：

1.三档位的实现，使用两个继电器分别改变输入支路和反馈支路的电阻来实现三档位，档位稳定明显，且电路简洁。

2.功率放大模块使用双桥接法，使输出功率增大。

3.原本想在音频放大模块加一个滤波器，但经测试后发现加上之后，输出波形严重失真。

未起到预期作用，反倒把电路弄得更加复杂，遂又将它除去。

据老师说，滤波器的频率比较难确定，低通或高通的效果都不明显，但若是加上带通的或许效果会好一些。

4.为了增大声音效果，把小喇叭固定在一个小纸盒上

6．实验总结

七．参考文献

[1]刘宝玲等.电子电路基础.北京：

高等教育出版社，2005

[2]刘培植等.数字电路与逻辑设计.北京：

北京邮电大学出版社，2009

[3]门爱东等.数字信号处理（第二版）.北京：

科学出版社，2009

[4]袁东明等.现代数字电路与逻辑设计实验教程.北京：

北京邮电大学出版社，2010