音频功放课设论文.docx
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音频功放课设论文
目录
1设计任务和要求2
1.1设计任务2
1.2设计要求2
2系统设计4
2.1系统要求4
2.2方案设计4
2.3系统工作原理5
3单元电路设计6
3.1音源选择电路6
3.1.1电路结构及工作原理6
3.1.2电路仿真6
3.1.3元器件的选择及参数确定11
3.2前置放大电路13
3.2.1电路结构及工作原理13
3.2.2RC4558-双集成算放大器14
3.3均衡电路14
3.3.1电路结构及工作原理14
3.4功率放大16
3.4.1电路结构及工作原理16
4电路的安装与调试18
4.2电路调试18
4.3系统功能及性能测试19
4.3.1测试方法设计19
5结论21
参考文献22
1设计任务和要求
1.1设计任务
设计并制作一个音频功率放大器，将MP3输出的音乐信号放大。
通过上学期对华成英版《模拟电子技术基础》的学习，要使一个小的模拟信号放大，我们可以通过三极管或运算放大器去实现，要注意不使信号失真。
1.2设计要求
1.放大器有两个MP3输出输入接口；
实现有两个音源输入，MP3的输出音乐信号为小的模拟信号，幅值约为5mv~10mv。
2.能够使用电子开关进行音源选择，并且能够用发光二极管指示；
在有两个音乐信号输入时，电子开关可以在两个音乐信号之间选择，并且通过发光二极管显示所选音源。
3.放大器设有音量控制、功率放大功能；
在设计电路中要实现对输出信号音量控制，并且实现信号的放大，所以在喇叭的输入端要接入功率放大的装置。
4.主要技术指标如下：
（1）额定输出功率：
2×1W（或2×5W）（THD≤0.5%）
（2）负载阻抗：
8Ω
（3）输入阻抗：
＞＞600Ω
5.电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
（注：
直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）
6.按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。
7.发挥部分：
（1）设计均衡电路（音调电路）；
（2）有电平指示功能。
8.其他要求
（1）设计报告
（2）作品
（3）电路原理图：
要求提交两份，一份为CAD/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。
9.时间：
三周
10.进度安排：
（1）第一周选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；
（2）第二周进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；
（3）第三周电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。
2系统设计
2.1系统要求
课题要求设计并制作一个音频放大电路，将MP3输出的音乐信号放大，设计均衡电路实现对音源信号进行高低频调音，设计电子开关实现两个音源间的选择。
基本性能指标要求为：
输出最小功率：
1W或5W；
输出阻抗：
RL=8Ω；
输入阻抗：
》600Ω；
2.2方案设计
通过对毕满清第三版《电子技术课程实验与课程设计》的“音频功率放大器实验”章节的学习及在参阅大量书目的前提下，与同组成员讨论，初步设计方案如下
方案一采用一般的晶体管分立元件组成语音放大电路，这样虽然能达到题目的基本要求，但是由于电路所用元件很多，会导致结构复杂，调试很难，失真度很大，稳定性不高。
方案二采用专用语音集成芯片构成语音放大电路，这样使得电路结构大为简化，调试安装方便，稳定性得到大幅度提高。
综上所述：
方案一由于电路结构复杂，调试困难，其次作为初次尝试设计电子产品的学生，不易采用。
方案二除了可以满足题目中的基本要求外，还能够大幅度提高系统稳定性，使系统更为经济实用。
经过比较论证，本设计采用第二种方案。
2.3系统工作原理
设计并制作一个具有以下功能的音频功率放大器：
将来自MP3的音频信号经过由模拟开关CD4066BD组成的选择电路选择后送入前置放大器进行电压放大，并有T触发器组成的二极管显示电路显示所选择的音源，音源经RC4558组成的均衡电路进行高低频均衡，再经由TDA2822组成的功率放大器进行功率放大后推动扬声器工作，该设计具有音源选择、放音扩大等功能，原理方框图如下图所示：
图2.1系统原理方框图
3单元电路设计
3.1音源选择电路
3.1.1电路结构及工作原理
在音频功率放大器中，通常设有多路外部音源输入，通过相应的选择电路选择其中的某一路音源。
选择方式一般有机械式、继电器式、电子式。
机械式通过拨动选择开关选同某一音源，继电器式用继电器及相应的驱动电路代替机械式选择开关，电子式是用电子线路构成模拟式电子开关来选择音源。
机械式虽然电路简单，声道隔离好，但其对选择开关要求较高，否则频繁的拨动选择开关容易使开关老化，影响整机性能。
继电器式声道隔离好，但装配较复杂，另外还有一定的电磁干扰，一般采用的不多。
电子式选择电路设计灵活，装配方便，应用比较广泛。
这种方式的缺点是通道通道隔离度稍低，但在一般情况下足以满足要求。
本设计采用电子式音源选择电路，图3.1是使用的电子式音源选择电路及波形仿真。
该电路中将一个JK触发器接成T触发器，其输出端Q接二选一模拟开关CD4066控制端，用以选择音源信号。
Q和
分别接一个发光二极管，显示相应的音源。
通过按钮开关选择音源，每按动一次切换一次音源。
图3.2是由RC4558组成的前置放大电路，图3.3为均衡器电路仿真波形，图3.4为功率放大电路及仿真波形。
3.1.2电路仿真
图3.1（a）音源选择电路仿真图
图3.1（b）音源选择电路仿真图
图3.2（a）前置放大
图3.2（b）前置放大电路仿真波形
图3.3（a）均衡器
图3.3（b）均衡器仿真波形
图3.4（a）功率放大电路
图3.4（b）功率放大电路波形仿真
3.1.3元器件的选择及参数确定
1.74LS76A—双JK触发器管脚图
将JK触发器接成T触发器，其输出端Q接二选一模拟开关CD4066控制端，用以实现音源选择功能。
图3.5下降沿JK触发器74ls76A
2.CD4066的管脚功能
CD4066是四双向开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输，具有比较低的导通阻抗。
导通阻抗在每个在正个输入信号范围内基本不变。
CD4066由四个相互独立的双向开关组成，CD4066是一种双向模拟开关，在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。
每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通端（又称控制端），当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。
使用时选通端是不允许悬空的.管脚图如图3.6所示
图3.64066管脚图
3.2前置放大电路
3.2.1电路结构及工作原理
前置放大器是将音源信号进行线形放大，满足后级功放级对输入信号幅度的要求，前置放大器可由运放或分离元件构成。
本设计选用集成运放RC4558构成前置放大器如图3.7所示，管脚图如图3.7所示，
电压增益：
Au=-R5/R6=5
图3.7前置反放大电路
3.2.2RC4558-双集成算放大器
Ay/By分别为放大器输出端。
A+\A+分别为放大器同相输入端，此电路中接地。
A-\A-分别为放大器的反相输入端，此电路中接电阻和输出端。
+Vs\-Vs分别接电源+12v\-12v。
3.3均衡电路
3.3.1电路结构及工作原理
均衡电路的功能是根据需要按一定的规律调节音响放大器输出信号的频率响应，从而达到补偿声学特性，美化音色等目的。
它能对音频范围内的若干个频段点分别进行提升和衰减。
某一频段点的理想频率特性控制曲线如图3.8示，而虚线为实际频率特性控制曲线。
f0＝1kHz中音频率（亦称中心频率），中频增益Au=0dB；
fl1低音转折频率，一般为几十赫兹；
fL2＝10fL1中音转折频率；
fH1中音转折频率；
fH2＝10fH1高音转折频率，一般为几十千赫兹。
图3.8某一频段点的理想频率特性控制曲线
均衡电路的作用是进行音调控制，通常是对放大器的高频或低频的某些频率点的增益进行提升或衰减，而中频保持不变。
均衡电路通常是由低通、高通、带通滤波器组成的。
图3.9是一个由运放RC4558构成的具有高低音调节功能的均衡电路，可对高频和低频进行提升或衰减。
图3.9由运放RC4558构成的均衡电路
在图3.9电路中，RP3为低音调节电位器，RP3左旋到底，低频提升最大；RP5为高音调节电位器，左旋到底，可以对高频提升最大；RP4为音量调节电位器。
3.4功率放大
3.4.1电路结构及工作原理
功率放大级的作用是将来自均衡的信号进行功率放大，本设计采用集成功率放大器TDA1521。
TDA1521是荷兰飞利浦公司生产的双声道功放，可单电源工作，也可双电源工作，在±16V电源时可获得2×12W功率。
内部设置了过热保护及静噪电路，接通或断开瞬间有静噪功能，可以在接通或断开瞬间抑制不需要的输入，保护功放及扬声器。
该集成功率放大电路性能优良，外围电路简单，广泛应用于大屏幕电视机的音频信号放大电路，以及其他音频设备。
集成功放芯片TDA1521各引脚功能如下
管脚1——非倒相输入1，管脚2——倒相输入2，管脚3——地（单电源时1/2Vcc），管脚4——输出1，管脚5——负电源（单电源时为地），管脚6——输出2，管脚7——正电源，管脚8——倒相输入2，管脚9——非倒相输入2。
其一般参数有
电源电压：
±7～±20.0V
r=0.5％时输出功率（±16V电源）：
12W×2（8Ω）
电压增益：
30dB
功率放大级应用电路图如图3.7所示，图中C22、C23为耦合电容；C21、C25为滤波电容；R15与C24、R16与C25组成吸收回路（C24、C25可取0.1uF），吸收扬声器线圈在电流突变时产生的反电动势，防止烧坏TDA1521
图3.10功率放大级应用电路
主要电路仿真，由于Multisim中没有TDA1521，所以根据其内部电路图进行仿真。
通道A为输出信号，通道B为输入信号,从波形可以看出输入信号经过整个电路被放大。
3.4.2元器件的选择及参数确定
由于要求输出的功率为2×5W，功率放大器可选用TDA1521。
运算放大器可选用性能较好的通用型双运算放大器RC4558。
电解电容选用铝电解电容，耐压均选25V，薄膜电容均选用聚脂膜电容，耐压选50V或63V。
电阻R13、R14选RJ系列10Ω/1W电阻，其他电阻均选RT14系列1/4W、10﹪精度的碳膜电阻器，或选用1/4W的金属膜电阻。
电位器RP3、RP5选用碳膜电位器。
RP4选用同轴电位器用来同时控制左右声道的音量。
系统的增益（dB）应是各单元电路增益（dB）之和。
TDA1521Z在额定输出时，若RL=8Ω，±VCC=±16V，则最大不失真输出电压为Uom=10V。
系统电压增益为66dB。
按照上面元器件参数的选择，均衡电路的增益均已设计为0dB，功率放大器TDA1521内有30dB的增益，前置放大器的增益可选为20dB，由此可以确定前置放大器中电阻的取值。
该设计中，前置放大器的增益选为约5dB,即R4=R6=10K,R5=R7=47K。
4电路的安装与调试
4.1电路安装
将图3.1，图3.6，图3.9,图3.10进行连接，就是整个系统的电路原理图。
音频功率放大器是一个小型电路系统，安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布局，功放应远离输入级，每一级地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易出现自激。
安装前应检查元器件的质量，安装时特别要注意功放块要添加散热片，运算放大器，电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。
从输入级开始依次向后级安装，也可以从功放级可以向前逐级安装。
安装一级调试一级，安装两级要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。
4.2电路调试
电路安装完毕后，要对电路做一详细检查，确认安装无误后放可通电。
通电后先检查电路有无明显异常现象，若有异常现象，说明有故障，应予以排除，若无异常现象则开始调试。
调试时先分级调试，然后级连调试，分级调试分为静态调试和动态调试。
（1）静态调试
将信号输入端对地短路，测量各级电路关键点的直流电压，看看是否正常，若不正常，检查电路，排除故障。
如运放为正负电源对称供电时，输出点直流电位应为0V，若不为0V，则电路有故障，应检查并予以排除，检查电路是否有自激现象。
（2）动态调试
分别在各级电路的输入端接入输入信号（一般是一定幅度和频率的正弦波信号），观察关键点上的波形是否正常，若有故障，检查并及时排除。
（3）级连调试
在动态调试完成后，可将各级连接起来进行级连调试。
确认电路没有明显异常情况口，在输入端加入5～10mV正弦信号，检查各级电路是否正常。
若不正常，则从前级开始，逐级向后检查并排除故障，然后调节各电位器，检查是否受控，控制是否正确。
4.3系统功能及性能测试
4.3.1测试方法设计
（1）额定功率
音响放大器输出失真度小于某一数值（如THD<5％）时的最大功率称为额定功率。
其表达式为
式中，RL为额定负载阻抗；Uo（有效值）为RL两端的最大不失真电压。
测量Po的条件如下：
信号发生器输出频率f＝1kHz、电压Ui1从2mV开始逐渐加大到20mV左右，音量控制电位器Rw11置于最大值，用示波器观测Ui1及Uo的波形。
测量Po的步骤是：
功率放大器的输出端接额定负载电阻RL（代替扬声器），逐渐增大输入电压Ui1，直到Uo的波形刚好不出现削波失真（或THD<5％），此时对应的输出电压为最大输出电压，由上式即可算出额定功率Po，请注意，最大输出电压测量后应迅速减小Ui，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。
本课题中，P0=12W,RL=8Ω,Uom=10V.
（2）频率响应
放大器的电压增益相对于中音频fo（1kHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音频率fL和高音频率fH称为放大器的频率响应。
测量条件同上，调节音量控制电位器Rw11使输出电压约为最大输出电压的50％。
此时RW1和RW2必须放在中间位置。
测量步骤是：
使信号发生器的输出频率从20Hz至20KHz变化（保持Ui1＝5mV不变），测出负载电阻RL上对应的输出电压Uo，用半对数坐标纸绘出频率响应曲线，并在曲线上标注fL和fH的值。
音调控制特性容C9的负端引出，先测频率为1kHz处的电压增益Auo约0dB，再分别测低频特性和高频特性。
测低频特性：
将RP1的滑臂端置于最左端，RP2置于中间位置，频率从20Hz至1kHz变化，记下对应的电压增益（低频提升）。
再将RP1的滑臂端置于最右端，频率从20Hz至1kHz变化，记下对应的电压增益（低频衰减）。
同样，测高频特性是将RP2的滑臂端分别置于最左端和最右端，RP1置于中间位置，频率从1kHz至20KHz变化，分别对应高频提升和高频衰减，记下对应的电压增益。
最后绘制音调控制器特性曲线，并标记fL1、、fL2、fo（1kHz）、fH1、fH2频率对应的电压增益。
（3）输入阻抗
从音响放大器输入端看进去的阻抗称为输入阻抗Ri。
Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。
（4）噪声电压
音响放大器的输入为零时，输出负载RL上的电压称为噪声电压UN。
测量方法是，使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观测输出负载RL的电压波形，用交流电压表测量其有效值。
（5）整机效率
式中，Po：
输出的额定功率；
由UI加入频率f＝1kHz，幅值为100mV的电压信号，并将RP1置于最大值，这时U0作为音调控制器的输入信号（幅度为30mV），Pc输出额定功率时所消耗的电源功率。
4.3.2测试结果及分析
接入两个音源信号，按动按钮开关，进行音源之间的切换，选择不同的音源。
将MP3输出的音乐信号，接入前置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调应发生明显变化。
改变音量调节电位器，扬声器的音量明显发生变化。
5结论
经过本次课程的设计和制作，我们所设计的音频功率放大器基本完成。
其功能符合预期目标，能够实现音源选择、音频扩大、音调控制等功能。
通过设计，我不仅掌握了电路方面许多的知识，而且学会了电路系统的一般设计的基本思维方法和流程，为以后工作学习留下了宝贵的经验。
由于课程设计时间较短，再加上自己的能力不足，在大多方面做得不够完善，该音频功率放大器还有许多不足的地方。
比如：
在音量失真较大，音量放大倍数不足等，这些都有待进一步改进。
在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。
例如在硬件制作，电路板的焊接等。
由于没有整体仿真结果，我不敢轻易去焊接电路板，并且在购买器件时采购了双份，在焊接第一个电路板时由于音源选择电路的不合适，我们放弃了最初的方案，在查阅资料后提出用JK触发器来组成音源选择电路，并最终把音源选择电路，调试成功，达到了每按一次开关，音源选择一次，红绿二极管交替指示所选音源的功能。
在前置放大电路中由于焊接时失误，错把放大器的同相和反相输入端接反了，在多次检查中最终发现问题并及时给予纠正，由于所选滑动变阻器缘故，音调调节并不是太理想。
在调试电路时遇到很多问题，有时觉得无从下手，最终还是在同伴打得鼓励下和杨老师的提点下完成了电路设计，焊接，调试。
经历了三个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。
回头看看，不禁感慨众多，没有想到我们的科学家，哪怕是我们身边的老师，原来也是如此这般的努力才能够换来今天的幸福生活；离不开你们这些辛勤的工作者，我们的身边这一切才能够如此快捷方便；没有了这一切，我不敢想象社会会如何发展！
并且通过了这次模拟电子电路课程设计，我才了解到我们所学的只是原来是如此地贴近我们，其实他们就在我们身边，就在我们身边或大或小的地方，甚至是我们不能发现的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。
而如今，我才知道了这一切。
我才会有这样的动力将我所学的知识来赋予实践。
参考文献
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高等教育出版社,2006.3
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高等教育出版社2000.7
[6]杨文霞.孙青林数字逻辑电路［M］北京：
科学出版社，2007.3
[7]毕满清.电子技术实验与课程设计（第三版）［M］北京：
机械工业出版社，2005.7
[8]华成英.模拟电子技术基础（第四版）［M］北京：
清华大学出版社，2006.1
附录：
元件清单
名称
数量（个）
74LS113
1
74LS04
1
RC4558
2
CD4053
1
TDA1521A
1
电阻50K
8
电阻15K
2
电阻10K
2
电阻500欧
3
变阻器50K
2
电阻500K
4
电解电容10UF
6
瓷质电容0.01UF
4
瓷质电容0.1UF
2
瓷质电容470PF
2
电解电容1000UF
2
发光二极管（红绿各一个）
2
按压式开关
1
耳机插座
2
升级会员 