多功能音响系统的设计与制作毕业设计.docx

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多功能音响系统的设计与制作毕业设计

编号：

毕业设计说明书

题目：

多功能音响系统的设计与制作

院（系）：

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2013年5月15日

摘要

当今音乐成了人们时尚享受的非常重要的一部分。

多功能音响给家庭娱乐及休闲等带来了更多的方便，音响的发展逐渐走向成熟，它优越的音响效果和人性化设计在市场里发挥日益重要的作用。

音响系统能如实地重现原始声音和原始声场，并能对音频信号进行处理，使重现的声音优美动听。

现代家庭对于音响的选择更趋向于其音效、美观、实用的特点。

随着音响技术的发展，现代人对音响的音质真实性要求也越来越多。

正因为对音响的音质真实性要求越来越多，高保真音响应运而生，它具有能够如实的反映出声音信号的音色，音高和音强等音质状况本来面貌的能力，并可以同时对声音信号进行必要的加工。

本课题顺应当今趋势，设计、制作出一套大功率、低失真、频带较宽，同时考虑经济适用的家用音响系统。

系统要求由稳压电源、前置、均衡、功放三部分组成，前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。

音调调节主要完成高低音、左右平衡、音量调节。

功率放大级主要任务是在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。

本次课题研究选择通过集成运放NE5532、LM324、LM3886的配套使用可以使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标，具有一定的使用和参考价值。

关键词：

音响；稳压电源；前级放大；均衡器；LM3886后级运放

Abstract

Inthiseraofscienceandtechnologydeveloped,musichasbecomepeopletoenjoyaveryimportantpartoffashion.Multi-functionalaudioforhomeentertainmentandleisurehasbroughtmoreconvenience,suchassounddevelopmentinrecentyearsgraduallymature,itssuperiorsoundeffectsandhumanizeddesigninthemarket,playanincreasinglyimportantrole.Soundsystemcanfaithfullyreproducetheoriginalsoundandtheoriginalsoundfield,andtheaudiosignalprocessingandmodification,tomakerepeatvoicesoundsbeautiful.Modernfamilyforsoundchoicestendtoitssound,beautifulandpracticalcharacteristics.Withthedevelopmentofaudiotechnology,themodernstereosoundqualityrequirementsalsomoreandmoreauthenticity.

Becauseofsoundqualityrequirementsmoreandmoreauthenticity,hi-fiarisesatthehistoricmoment,itcantruthfullyreflectthesoundsignaltone,pitchandsoundintensityqualitystatusofnaturalability,atthesametime,thevoicesignaltomakethenecessarymodificationandprocessing.Thistopicconformstothetrend,designandproductionofasetofhighpower,lowdistortion,frequencybandiswide,atthesametime,consideringtheeconomicapplicablehomesoundsystem.Systemrequirementsbytheregulatedpowersupply,front,equilibrium,poweramplifierofthreeparts,preamplifierstage,maintaskistocompletesmallsignalvoltagegain,lownoise,lowtemperaturedriftisalsorequired.Tonecontrolismainlyfinishedinwhichhighandlow,leftandrightbalanceandvolume.Poweramplifierstagemaintaskiswithinthealloweddistortionlimits,asefficientlyaspossibletoprovideenoughpowertotheload,therequirementisthattheoutputpowerislarger,theefficiencyishigher.Thistopicresearchchoicethroughintegratedop-ampNE5532,LM324,supportingtheuseofLM3886systemcanmakethecircuitdesignissimpleandpracticalandachievehighgain,highfidelity,highefficiency,lownoise,wideband,fastresponseindicators,hascertainuseandreferencevalue.

Keywords:

hi-fi;Regulatedpowersupply;Beforetheamplifier;equalizer;LM3886poweramplifier

引言

随着生活日渐的丰富多彩，高保真音响不仅仅再是音乐发烧友的独爱，它渐渐走进每个家庭，优美的旋律，震撼的影响力，愉悦着每一个人的听觉神经。

一款音响的优劣，在于它的音质，实用性与其人性化的设计。

本文的主要设计思路是结合稳压电源模块、均衡模块、前级音调放大模块、后级功率放大模块设计的一套大功率、低失真、频带较宽，同时考虑经济适用的家用音响系统。

设计思路从模拟电子电路方向入手。

利用LCR串联谐振电路、BTL电路等多种经典电路与集成芯片相结合来获得我们要求的音效，最终实现杂音少，信号失真小，音效纯正，可均衡调节信号带宽的音响功能。

本文分别从原理图，主要芯片的选取，各模块电路原理及各模块硬件调试来详细阐述。

1概述

1.1课题背景及意义

音响是一个通俗的名词。

在物理学中，音响可以理解为人耳能听到的声音。

然而，在音响技术中，音响是指通过放声系统重现的声音。

如通过组合音响重现唱片或磁带中的音乐、歌曲及其他声音，又如演出现场通过扩音系统播放出来的演唱、奏乐声等，都属于音响范围。

能够重现声音的放声系统，称为音响系统。

音响系统若能如实地重现原始声音和原始声场，并能对音频信号进行适当的加工修饰，使重现的声音优美动听，则可称之为高保真音响系统（High-Fidelity，缩写为Hi-Fi）。

音频放大器技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国的德福雷斯发明了真空三极管，开创了揉电声技术的先河；1927年贝尔实验室发明了负反馈NFB（Negativefeedback）技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如“威廉逊”放大器，而1947年威廉逊在一篇设计Hi-Fi（HighFidelity）放大器的文章中介绍了一种成功运用反馈技术，成为Hi-Fi史上的一个重要里程碑。

60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。

基于晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如“OTL（Outputtransformerless）”无输出放大器、“OCL（Outputcapacirorless）”放大器等。

直到70年代晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断产生，如较成功地解决了了负反馈电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无反馈放大电路，成功的将甲乙类放大器的特点结合在一起的超甲类放大电路，具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。

从而使晶体管放大电路成为音响发展技术中的主流。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员——集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛应用于音响电路。

近几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器（额定输出功率）一直占据统治位置，以至于发展到如今普遍采用的D类音频功率放大器。

D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，其工作于开关状态以及高效、节能、数字化特点渐渐进入全球音频功放研究人员的眼球。

高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。

因为，功率越大，效率也就越重要。

而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。

在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。

这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

随着社会的发展，人们居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院逐渐开始兴起。

在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。

这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。

从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器等，各种便携式电子设备已经和人们的生活密不可分。

陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。

所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。

都希望能够有较长的使用寿命。

就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。

它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

本次课题旨在设计、制作出一套大功率、低失真、频带较宽，同时考虑经济适用的家用音响系统。

系统要求由电源、前置、均衡、功放三部分组成，功放部分采用集成功率放大器。

通过设计，让学生提高电路的设计、制作能力。

1.2音响系统概述

高保真音响系统通常由高保真音源、音频放大器和扬声器系统三部分组成。

其音响效果与系统配置有关，也与室内声学特性有着密切的联系。

1.2.1高保真音源

高保真音源有协调器、录音座、CD唱机、电唱机和传声器等。

它们为音响系统提供高保真的音频信号。

1.2.2音频放大器

音频放大器是音响系统的主体，包括前置放大器、均衡器和功率放大器三部分。

音频放大器对音频信号进行处理放大，用足够的功率去推动扬声系统发声。

（1）前置放大器

前置放大器具有双重功能，即选择音源并进行音频电压放大和音质控制。

它将各种不同音源送来的不同电平的音频信号放大为大致相同的额定电平；同时通过加工处理，实现音质控制，以恢复原始声音，输出高保真音频信号。

因此，在前置放大器中除必要的放大外，还设置有音量控制、响度控制、音调控制、平衡控制、低频和高频噪声抑制等音质控制电路。

所以，前置放大器被誉为音响系统的音质控制中心。

（2）均衡器

均衡器是一种修饰美化音色而设置的音频信号处理设备。

它将整个音频频带划分为5个、7个或10个频段，最多达31个频段，分别进行提升或衰弱。

各频段互不影响，对音质可进行精细调整，以减小各种噪声，补偿房间的声学缺陷，弥补左右音箱的频率特性差异，适应聆听者的不同爱好。

图示均衡器还可以配置频谱显示器，通过发光管或荧光管动态显示各频率成分的幅度变化，光彩夺目，给人以声与色的美感。

（3）功率放大器

功率放大器的作用是放大来自前置放大器的音频信号，产生足够的不失真功率，以推动扬声器发声。

功率放大器处于大信号工作状态，动态范围很大，容易引起非线性失真，因此，他必须具有良好的动态特性。

功率放大器性能的优劣直接影响音响系统的放音质量，其衡量指标主要有频率特性、谐波失真和输出功率。

1.2.3扬声器系统

扬声器系统由扬声器、分频器和箱体三部分构成，其作用是将功率放大器输出的音频信号分频段不失真的还原成原始声音。

扬声器系统对重放声音的音质有着举足轻重的影响。

（1）扬声器

扬声器是一种电声转能器。

音响系统中使用最多的是电动式扬声器，它利用磁场对载流导体的作用实现电声能量转换。

依据振动辐射系统的不同，电动式扬声器可分为锥形扬声器、球顶形扬声器和号筒式扬声器等，各有不同的特性。

（2）分频器

无论哪一种扬声器，要同时良好的重放整个音频带的声音几乎是不可能的。

因此，在高保真音响系统中，通常采用分频的方法，利用各种扬声器的特长，分别承担重放低频、中频或高频段声音的任务。

分频器的作用是为各频段扬声器选出相应频段的音频信号，并正确分配给各种扬声器的信号功率。

本文中暂不涉及分频器的设计。

（3）箱体

扬声器振膜前后所辐射的声波是互为相反的，其中低频声波因绕射而造成的相位干涉会削弱其辐射功率。

为了提高扬声器的低频效率，应把扬声器装在箱体里。

常见的音箱有封闭式和倒相式等。

1.3电声性能指标概述

高保真音响系统要如实的重现原始声音和原始声场，其音响设备必须具有比语言和音乐更宽的频率响应范围，更大的音量动态范围；并尽可能降低噪声，减小失真；应使立体声各声道特性平衡，防止互相串音等。

下面着重介绍其中的3项主要性能指标。

1.3.1有效频率范围

普遍称为频率特性或频率响应，指各种放声设备能重放声音信号的频率范围，以及在此范围内允许的振幅偏差程度。

显然，频率范围越宽，振幅容差越小，则频率特性越好。

国际电工委员会制定的IEC-581标准规定，频率范围应宽于40Hz-12.5kHz，振幅容差应低于5dB，各种音响设备不尽相同。

1.3.2谐波失真

由于个音响设备中的放大器存在着一定的非线性，导致音频信号通过放大器产生新的各次谐波成分，由此而造成的失真称为谐波失真。

谐波失真使声音失去原有的音色，严重时时声音变得刺耳难听。

该项指标可用新增谐波成分总和的有效值与原有信号的有效值的百分比来表示，因而又称为总谐波失真。

电压谐波失真系数可采用国际规定的测量方法分别测量基波和各谐波分量，按下式进行计算：

γ=×100%（1-1）

式中

表示输出电压中的基波分量，

表示输出电压中的二次、三次谐波分量，γ为电压谐波失真系数。

γ越小，说明保真度越高。

1.3.3信噪比

信噪比又称信号噪声比，是指有用信号电压与噪声电压之比，记为S/N，通常用分贝值表示：

（1-2）

式中

为有用信号电压，

为无用噪声电压。

信噪比越大，表明在信号里的噪声越小，重放声音越干净，音质越好。

1.4现代音响技术概述

音响技术是一门综合技术，它以物理声学、建筑声学、生理声学、心理声学为基础，涉及电声技术、电子技术及精密加工技术等。

特别是微电子技术、数字技术及微电脑技术的应用，是现代音响技术沿着集成化、数字化、高保真和智能化的方向不断发展。

1.4.1音响集成电路

自从1967年出现第一块音响集成功率放大电路以来，随着微电子技术的日益成熟，音响集成电路迅速崛起。

音响集成电路的应用，不仅使音响设备体积减小、成本降低、可靠性提高、生产过程简化，而且是高保真技术和微电脑控制技术得以实现。

所以，微电子技术是现代音响技术的重要的基础。

1.4.2高保真技术

追求高保真的音响效果是现代音响技术的基本目标。

高保真电路技术主要表现在4个方面，即扩展有效频率范围，减小各类失真，降低各种噪声，增强立体声效果。

1.4.3微电脑控制技术

微电脑控制技术的应用，使音响设备实现了多功能、自动化和智能化。

例如数字协调系统、录音特性的自动调节系统、微机控制电子机芯系统。

1.4.4数字音响技术

数字音响技术是指把声音信号数字化，并在数字状态下进行记录、传输、重放以及其他加工处理一整套技术。

数字音响技术的理论基础是1939年创立的脉冲编码调制原理（PCM）。

随着大规模集成电路时代的到来，从1977年开始，PCM原理应用于数字音响领域，出现了激光唱机和唱机（CD）、数字磁带录音（DCC）等数字音响设备。

而且，随着工艺技术的成熟，产量迅速增长，价格大幅度下降。

目前，激光唱片和激光唱机已经逐渐取代了模拟方式的电唱机和密纹唱机（LP），数字磁带录音机也开始进入了市场。

音响技术正在从模拟向数字方式过渡。

1.5本设计任务及要求

（1）利用所学的知识，设计制作一套经济、实用的家用音响。

包括电源、前置、均衡、功放。

（2）数据

①额定功率：

≥双30W；总谐波失真：

≤1%；

②频率响应：

40HZ—20KHZ；

③噪声电压：

≤5mv；

④整机效率：

≥50%

2系统硬件设计

2.1系统总体设计方案

2.1.1硬件系统框图（2-1）

图2-1硬件系统框图

2.1.2设计方案论证与比较

前置放大器一方面可将来自话筒放大的信号，音响播放机信号完成平衡汇集。

另一方面还必须将合成后的信号提升到功放所需信号幅度。

因此可采用一个由运放构成的反相求和电路。

均衡器的设计参照资料发现，常用的音调控制电路有三种：

一是衰减式RC音调调节电路，其调节范围较宽，但容易失真；另一种是反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其电路复杂，多用与高级收音机中。

根据设计指标要求，本设计采用集成运放NE5532构成反馈型音调控制电路。

这种集成运放的高速转换性能可以大大改善电路的瞬态性能,较宽的带宽能保证信号在低、中、高频段均能不失真的输出,使电路的整体指标大大提高，该运放具有高精度，低噪声，高阻抗，高速，宽带宽等优良特性。

功率放大环节采用集成功率放大电路LM3886的BTL电路构成，集成功率放大器具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便的优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。

BTL电路相比OCL和OTL两种功放电路来说提高了电源的利用率。

2.2前置放大级电路设计

前置放大级电路采用双声道电位器音量控制电路如图2-2所示的其中一个声道，应用双联同轴的指数型电位器构成分压电路，直接控制信号电平。

采用NE5532的同相比例放大电路，其放大倍数为5倍左右（主要由

与

决定），

与

分别起到滤除高频噪音和低频噪音的作用。

供电电压为

12V，分别接至NE5532的8脚和4脚。

整体设计电路图参照附录一。

图2-2双声道电位器音量控制电路的一个声道

2.3均衡器设计

2.3.1运算放大器构成的模拟电感 

均衡器是一个具有多个不同中心频率的带通增益控制放大器，其原理电路如图2-3所示。

它由若干个LCR支路和公用增益控制放大器A所组成。

各LCR支路串联谐振于音频各频段的中心频率，其谐振电阻通过电位器滑动触点去控制该频段的电路增益，即控制该频段的输出电平。

图2-3均衡器原理电路

本电路中采用模拟电感的方法来弥补铁芯电感圈的一些缺点。

其方法是由有源器件和阻容元件所组成的电路等效得到，如图2-3所示。

图中电路A点到地的阻抗为

。

设运算放大器接近于理想运放，即

、

，则

图2-4运算放大器模拟电感电路

式中，解上述方程得到

式中令

即由运算放大器和阻容元件所组成的上述电路，可以等效为一个电阻

和一个模拟电感L的串联支路，并与电容

构成LCR串联谐振电路，即如图2-3所示。

2.3.2增益控制放大器

增益控制放大器如图2-5所示，其原理是一个同相放大器，同时也是串联电压负反馈放大器。

其负反馈处的电阻阻值不同，运放同相输入端的有效输入电压大小和反相输入端的反馈电压大小均不相同，从而达到放大器增益的效果。

图2-5增益控制放大器

2.3.3均衡器整体电路设计

均衡器电路采用了五频段均衡，应用2片LM324集成四运放芯片的5个运算放大器与阻容元件结合构成5个模拟电感和电容的LCR串联谐振电路。

5个频段的中心频率分别为100、330、1000、3300、10000Hz。

LM324的另一个运算放大器做增益控制放大器，各运算放大器采用+9V单电源供电。

设计电路图参照下图2-6。

图2-6均衡器设计电路

2.4后级功率放大器设计

2.4.1功率放大器的分类

功率放大器的作用是放大来自前置放大器的音频信号，产生足够的不失真输出功率，以推动扬声器发声。

功率放大器的种类多种多样，且有不同的分类方法。

（1）按输出级与扬声器的连接方式分类

变压器耦合电路：

这种电路的效率低、失真大、频响曲线难以平坦，在高保真功率放大器中已极少使用。

OTL电路：

是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合的无输出变压器功放电路，其大容量耦合电容对频响也有一定影响，是高保真功率放大器的基本电路。

BTL电路：

是一种平衡式无输出变压器功放电路，其输出级与扬声器之间以电桥方式直接耦合，因而又称为桥式推挽功放电路，也是高保真功率放大器的基本电路。

（2）按功率管的工作状态分类

甲类：

甲类又称为A类。

在输入正弦信号的整个周期内，功率管一直处于导通工作状态。

其特点是失真小，但效率低、耗电多。

乙类：

乙类又称为B类。

每只功率管导通半个周期，截至半个周期，两只功率管轮流工作。

其特点是输出功率大、效率高，但失真较大，不适合用于高保真音响功率放大。

甲乙类：

又称为AB类。

每只功率管导通时间大于半个周期，但又不足一个周期，截止时间小于半个周期，两只功率管推挽工作。

这种电路可以避免交越失真，因而在高保真功率放大器中应用最多。

其他新方式：

为了让功率放大器兼有甲类放大器的低失真和乙类放大器的高效率，除了甲乙类外，近年来还出现了一些新型功率放大电路，例如超甲类、新甲类电路等。

这些电路的名称虽然不同，但所采取的措施是相同的：

一是使功率管不工作在截止状态，没有开关过程，可以减少失真；二是设法是功率管的工作点随输入信号大小滑动，进行动态偏置，以提高效率。

（3）按所用有源器件分类

按这种方式功率放大器可分为：

晶体管功率放大器、场效应管功率放大器、集成电路功率放大器及电子管功率放大器等。

目前，前3中功率放大器应用广泛，但在高保真音响系统中，电子管功率放大器仍有一席