北邮小学期数控音频播放器的硬件实现修订版.docx
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北邮小学期数控音频播放器的硬件实现修订版
电路综合实验
题目:
数控音频播放器的硬件实现
成员
班级
学号
序号
指导教师杨刚
2013年7月
一．内容简介1
1.1摘要1
1.2关键词1
二．实验准备1
2.1实验内容1
2.2实验材料2
三．设计方案3
3.1整体设计3
3.2基本模块设计3
3.2.1电源模块（PowerModule）3
3.2.2555振荡模块（555OscillatioModule）5
3.2.3数字逻辑模块（DigitalLogicModule）8
3.2.4音频放大模块（AudioAmplificationModule）10
3.2.5功放模块（AmplifierModule）12
3.3创新拓展13
3.3.1多档数字可调13
3.3.2巴特沃思滤波器15
3.4整机电路图16
3.5电路图实例17
四.调试和修改17
4.1电源模块（PowerModule）17
4.2555振荡模块（555OscillatioModule）18
4.3数字逻辑模块（DigitalLogicModule）18
4.4音频放大模块（AudioAmplificationModule）18
4.5功放模块（AmplifierModule）19
五．系统测试19
5.1测试工具19
5.2整机测试20
5.2.1噪声测试20
5.3分级测试21
5.3.1电源模块21
5.3.2555振荡模块21
5.3.3数字逻辑模块21
5.3.4音频放大模块22
5.3.5功率放大模块22
六．实验总结23
总结
（一）23
总结
（二）24
总结（三）25
1．内容简介
1.1摘要
音频播放器主要实现音频的放大与播放。
此次实验所设计的音频播放器由电源模块、振荡电路、数字逻辑控制电路、音频放大电路、功率放大电路这五个模块组成，实现了手机，电脑的输出音频的放大。
我们采用
对信号进行前置放大，
对信号实现功率放大并驱动喇叭发声，同时采用两个继电器实现对音量三档位调控。
此报告分模块详细介绍了系统的设计思路和过程，包括设计原理、芯片构造图、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，得到了相应的分析和结论。
除了完成基本设计要求之外，我们还对对系统进行了拓展和创新设计，主要包括三档增益可调、巴特沃思滤波器、双功率桥接等。
既体现了电路设计的基本原理与应用，又展现了综合电子电路实验的新颖性和创造性。
1.2关键词
数控音频放大，滤波，音量调节，三档位调控，巴特沃思滤波器
2．实验准备
2.1实验内容
类别
（Category）
内容（Content）
系统设计
（SystemDesign）
功能分析实现、基本设计、拓展设计
模块设计
（ModuleDesign）
模块功能分析、模块原理、模块电路图
创新拓展
（Innovation&Extension）
三档数字增益可调、巴特沃思滤波器
模块实现
（ModuleImplementation）
搭建电路、调试模块、解决问题、改进设计
模块测试
（ModuleTesting）
测试各模块参数、分析性能指标、提出改进方案
整机分析
（OverallAnalysis）
综合给出整机的功能测试和分析结果
2.2实验材料
模块名称
（ModuleName）
器件名称
（ComponentName）
数量
（Quantity）
作用
（FunctionDescription）
电源模块
PowerModule
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
负压稳压
指示灯LED
1
指示电路通断状态
555振荡模块
555OscillatioModule
NE555
1
产生矩形波
100k滑动变阻器
2
调整占空比及频率
电容1uF
1
调整频率
电容10uF
1
高频滤波电容
数字逻辑模块
DigitalLogic
Module
74LS161芯片
1
实现10进制计数
74LS138芯片
1
译码驱动数码管
74LS00芯片
1
提供基本逻辑门
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
5k上拉电阻
1
使得按键开关稳定
音频放大模块
AudioAmplification
Module
LM358芯片
1
构成巴特沃斯滤波器
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
5k,10k,20k,50k电阻
1
同继电器实现三档控制
功放模块
Amplifier
Module
LM386芯片
1
实现功率放大
喇叭
1
输出音频信号
10k滑动变阻器
1
控制LM386输入信号
10欧姆电阻
2
保护电阻
电容0.05uF
1
滤波
电容1uF
1
旁路电容
其他器件
Others
电阻
若干
与其他器件配合使用
电容
若干
与其他器件配合使用
滑动变阻器
若干
用于调测电路
3．设计方案
3.1整体设计
图1.整体设计思路
电源模块产生-5V的电压，电源适配器产生+5V电压，+5V给555振荡器，逻辑门电路供电，±5V给音频放大和功率放大中的运算放大器供电。
555振荡器产生一定频率的时钟信号，使得数字逻辑模块可以进行自动计数。
逻辑电路模块进行10进制计数，可自动手动控制电路的音频放大增益。
其自动计数周期与555模块产生的时钟频率有关。
音频放大电路使得从音频接口输入的音频，经过NE5532的放大送到功率放大，并且可被逻辑电路通过继电器控制。
功率放大电路将经过初步前置放大的音频信号，通过LM386的桥接双功率放大，使输出信号功率在0.5w以上，驱动喇叭播放音频信号。
3.2基本模块设计
3.2.1电源模块（PowerModule）
A.设计要求（DesignSpecification）
a.自行设计电源接入模块，提供5V直流电源适配器。
b.在万用板上固定电源接口；
c.利用+5V直流产生-5V直流输出；
d.安置电源开关，同时控制正负5V电流输出；
e.为正负电压输出设置指示灯；
B.设计原理（DesignPrinciple）
电源适配器将220V交流电转化为
电压，再由电压转换芯片
获得约6.8V的负电压，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，进而可获得稳定的
负压。
图2.LT1026器件原理图
图3.LM7905的引脚图
由图可知，input接输入，output接输出，GROUND接地
C.电路图（Schematic）
图4.电源模块原理图
图5.电源模块电路图
3.2.2555振荡模块（555OscillatioModule）
A.设计要求（DesignSpecification）
a.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；
b.输出方波占空比可调，并且可以调整到50%；
B.设计原理（DesignPrinciple）
振荡器的应用较多，设计也十分灵活，参考器件手册（DataSheet）给出的典型电路（TypicalApplication），初步设计了电路，但频率（Frequency）和占空比（DutyCycle）不独立，相互影响较大，给调节带来诸多不便.
图6.NE555的原理图
图7.NE555的器件手册参考电路图
时间常数（TimeConstant）分别为
频率为
占空比为
当
时，
，即占空比为
，由于脉冲频率f与
和
均相关，故不能实现脉冲频率与占空比独立可调。
根据设计要求频率的范围
，代入上述三个方程可得元件可行的取值范围，设计参数:
C.电路图（Schematic）
图8.555振荡模块电路原理图
图9.555振荡模块实际电路图
3.2.3数字逻辑模块（DigitalLogicModule）
A.设计要求（DesignSpecification）
a）利用
和其他逻辑芯片设计计数器模块，计数范围为
；
b）可以通过按键控制加计数，也可以通过
产生的时钟控制自动计数；
c）需要有清零功能，按下清零按键，计数器清零重新计数；
d）利用
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。
B.设计原理（DesignPrinciple）
计数器设计采用的芯片
为
进制计数（4-BitCounter），与
译码器（Decoder）构成七段数码管（7-SegmentLEDDisplay）驱动电路。
其计数频率由
振荡模块输出方波频率决定。
图10.74LS161的引脚图图11.七段数码管示意图
图12.74LS00的构造图
图13.74LS138译码器
C.电路图（Schematic）
图14.数字模块电路原理图
图15.数字模块实际电路图
3.2.4音频放大模块（AudioAmplificationModule）
A.设计要求（DesignSpecification）
a）从音频头输入语音信号，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；
b）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；
c）单频扫频测试，300Hz~10kHz内波动小于5dB。
B.设计原理（DesignPrinciple）
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。
在负反馈环加入继电器控制，两个继电器分别串接2个固定电阻，与继电器配合可改变反馈电阻值，从而获得不同倍数的增益。
Output2
Output1
ControlPower
Input
GROUND
图16.继电器结构图
C.电路图（Schematic）
图17.音频放大模块电路原理图
图18.音频放大模块实际电路图
3.2.5功放模块（AmplifierModule）
A.设计要求（DesignSpecification）
a）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。
b）单频测试最大输出功率，在负载为8欧姆的情况下不小于0.5W;
c）不允许产生自激;
d）能够驱动8Ohm扩音器，声音无明显失真。
B.设计原理（DesignPrinciple）
图19.LM386的构造图
由上图与各种资料可知，管脚
和
断开，使用芯片内置
电阻，将增益设定在
倍。
管脚
接旁路电容，对音质的提升有一定作用。
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。
若用正相输入放大，反相接一个旁路电容接地，音质会有所提升。
在电源接入6端口时，分一条支路，加旁路电容接地，对电源进行滤波，使音频输出更加稳定。
C.电路图（Schematic）
图20.功放模块电路原理图
图21.功放模块实际电路图
3.3创新拓展
3.3.1多档数字可调
思路来源（Inspiration）：
实验要求用继电器实现两档，那用两个继电器各控制2个电阻，可否实现4种档位？
然后就开始了这次的拓展
设计思路（Design）:
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。
采用两个译码器输出控制两个继电器，继电器输出分别接不通阻值的反馈电阻。
设计结果（Results）：
经过推算发现，译码器的低电平输出有效，两个输出只有三种情况：
01，10，11，不可能为00，所以我们最终实现了三档可调节音频放大。
a.实验原理图
b.产生的电压在示波器上的显示
输入波形低档
中档高档
3.3.2巴特沃思滤波器
思路来源（Inspiration）：
滤波器（Filter）是在电路中常见的模块，在实际的音频处理中应用广泛，起到滤除特定频率成分的作用，对消除噪声有重要作用，巴特沃思滤波器在实验中十分常见，所以第一时间想到巴特沃思滤波器。
设计思路（Design）:
数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）课程中对
和
滤波器有过详细的理论论述，考虑采用简单的巴特沃斯（Butterworth）滤波器进行设计。
虽然3阶或者以上的巴特沃斯滤波器能有更好的滤波效果，但其不论采用何种结构，都将使用较多器件，考虑到到电路实验板的承载能力，故设计为二阶巴特沃斯滤低通模拟滤波器。
通带增益为
，截止频率
。
理论计算如下：
容易给出基本归一化的传输函数：
查表可知
，同时有以下三个系数计算式：
再由查表选取系数
，电容值
，结合实际原件的标称值，经求解方程组，选取器件值，标注在图9中。
设计结果（Results）：
如图9所示为最终设计的二阶巴特沃斯低通滤波器。
图22.巴特沃思滤波器实际电路图
3.4整机电路图
图23.整机电路原理图
3.5电路图实例
图24.整机实际电路图
四.调试和修改
4.1电源模块（PowerModule）
问题一：
应该产生负电压的端口电压基本为0，其他端口的输出都很正常。
解决过程：
检查电路发现，芯片上下颠倒，引脚混淆。
调整芯片引脚，得到稳定的负电压。
问题二：
电源适配器产生的电压毛刺很多。
解决过程：
试着添加一定阻值的旁路电容。
加的旁路电容在
左右时毛刺明显减小。
4.2555振荡模块（555OscillatioModule）
问题一：
起初，示波器没有显示矩形波，检查电路发现没有问题。
解决过程：
检查示波器时发现，测量输出波形使用的是交流模式，示波器测量转换成直流模式后，波形显示正常。
问题二：
刚开始占空比达不到50%，无论怎么调节，占空比始终小于50%，并且波形为0值的时间偏多，波形不好看。
解决过程：
将R1,R2调换位置，并去掉了以前接在2，7间的二极管。
去除二极管后，占空比为R1/（R1+2R2）
4.3数字逻辑模块（DigitalLogicModule）
问题一：
数码管只有一个数8，并且8上少一横，无法计数。
解决过程：
用万用表测74LS138，74LS161的每个管脚电压，发现有两个管脚电压为零。
多次检查电路后发现电路连接正确，当不小心按下芯片74LS138时，七段数码管进行自动计数，不过最上面的一横始终没亮。
显然，74LS138芯片的一管脚接触不良，让拔出它时，管脚断裂，我们替换了芯片。
然后继续按压了七段数码管，然后其突然显示正常，由此发现数码管接触不良，替换了数码管。
经过两个元器件的更换，我们实现了自动计数。
问题二：
74LS161模块管脚电压显示不正常
解决过程：
通过示波器观测各个管脚波形，发现输出的四个管脚中，Q2为正常的方波信号，而Q一却始终为一个不变的电平信号，而Q2既然在发生变化必然是以Q1的正确变化为基础，由此可知，此芯片内部出了问题，换块芯片以后，管脚输出波形正常。
4.4音频放大模块（AudioAmplificationModule）
问题一：
刚搭建好电路后，发现输出端口完全没有波形。
解决过程：
用万用表检测电路发现，为放大继电器的控制电压而接的三极管呈饱和状态，完全没有起到放大作用，无法驱动继电器。
于是我们设计了两种方案：
方案一：
为达到继电器的驱动电压，我们考虑直接用+5V电源电压驱动，并采用二极管组成的与门控制高低电平的转换。
方案二：
继续使用三极管放大，查找出三极管饱和的原因。
方案一经过实践发现，继电器不能实现换挡，用万用表排查电路时，发现无论二极管通断与否，电平始终比较高，考虑到负载电路对前级电平影响之大，最终我们放弃了该方案。
之后我们继续排查方案二电路，发现三极管的射极接地的导线已断。
替换导线后，继电器工作正常，输出有三档，并且可达2或5倍以上。
问题二：
输入音频，测试电路时，发现音效很差，噪声干扰大。
解决过程：
查阅资料，发现LM386芯片7管脚接10uF电容后，能够减小噪声，改善音质，同时为了稳压，在电源处加了旁路电容，音质大为改善。
4.5功放模块（AmplifierModule）
问题一：
搭建好电路，测量功率放大模块输出波形，发现波形出现失真，削顶现象。
解决过程：
考虑到正弦波出现了削顶现象，应该是芯片中的三极管工作电压过高进入饱和区导致，因此我们调节电位计，减小芯片电压，果然失真情况有所改善。
5．系统测试
5.1测试工具
仪器名称
（DeviceName）
型号
（Model）
用途
（Function）
函数信号发生器
RIGOLDG1022
产生实验所需输入信号
数字万用表
UNI-7U7804
测量电阻电压电容等
数字示波器
DS1152D-EDU
测量波形图
5.2整机测试
5.2.1噪声测试
如图25为音频输入端悬空开路时功放输出端的噪声波形图。
图25
如图26为音频输入端接地短路时功放输出端的噪声波形图.
图26
输入端悬空将引入较多噪声，噪声来源为外部输入噪声和电路内部噪声，此时输入端噪声经多级放大后由功放输出，产生电压幅度较大的噪声输出。
这一噪声由喇叭输出，实测时人耳能明显感觉，对用户来讲，这即产生了待机时的“电流声”。
另外一个影响是，这种噪声越小则待机功耗越小。
输入端接地后，噪声来源为电路内部噪声，输出噪声电压幅度
，实际播放音频时，输入端不可避免地引入了外部噪声，在功放输出不失真的情况下，可计算电路能达到的最大输出信噪比为：
当运行一定幅度的失真时，信噪比将会提高。
此外，由于噪声基本固定，要提高信噪比，需要增大输出电压，但过分增大输出电压又会带来不必要的失真。
在不改变电路结构的情况下，这一矛盾是难以调和的。
5.3分级测试
5.3.1电源模块
1）输入：
5.12V，有毛刺（毛刺幅度较大）
2）LT1026：
8管脚输出正电压9.08V
4管脚输出负电压—8.08V
3）经过稳压芯片稳压后的电压输出为—5.12V
5.3.2555振荡模块
1）频率可调范围：
3.9Hz—40.3Hz
2）占空比可调到50%
5.3.3数字逻辑模块
1）计数器工作正常，实现了0-9十进制循环计数，不存在计数跳变或紊乱的情况。
2）
振荡电路驱动计数和手动按键计数均正常，手动按键偶有跳变。
3）清零端工作正常，实现了按键清零功能。
5.3.4音频放大模块
1）音频放大幅频特性的测试
频率（Hz）
300
1K
3K
5K
10K
1档幅值（mV）
352
368
344
332
352
2档幅值（mV）
582
576
552
544
568
3档幅值（mV）
768
800
800
800
784
从图表中的数据可知，
到
波动为
表明增益波动未超过
，已达到设计指标要求。
5.3.5功率放大模块
双功放最大不失真输出测试结果
双功桥接放不失真输出功率为
6．实验总结
总结
（一）
—黄蕾
小学期短暂的两周匆匆而过，从最开始的空面包板到现在的空面包板，似乎只有这份实验报告能够证明我们组3人曾在实验室呆过10天。
当第一眼看到那么大的面包板时我就知道这次的实验并不简单。
看过老师给的实验手册和资料后，我和组员进行了分工。
李宁宁同学负责电路模块，我负责555振荡器模块，雍攀负责数字逻辑模块。
第一天我们设计好电源模块和振荡器模块，第二天开始搭电路。
第一个模块很快搭好了，结果发现不能实现要求，检查电路发现芯片正反弄混，引脚错误。
自此接受教训，先把每个元器件的引脚图画一遍，把电路图画出来后再搭电路问题就不是很严重，一直就很顺利。
第二个模块的原件参数是我计算的，但是在验证阶段，发现占空比达不到理论值，所以我们只好换了元器件，将一个定阻值换成了滑动变阻器。
我这才发现，理论和理想之间的沟壑还需实践来填充。
第三个模块很坑爹，因为搭好后完全是不正常的现象，检查电路发现，所用的三个芯片有两个都是坏的，所以以后搭电路的过程中又增添了一个步骤，那就是先检查元器件的可用性。
第四个模块的成功搭建是一个很神奇的过程，因为真的不知道出了什么问题，前三次搭好的电路都无法正常工作，出波形是偶然现象。
然后我们就怀疑了一下面包板，发现果然有一竖行是断路的。
这个过程经历了一天，从最开始急得发狂到最后静下心来测每个节点的波形。
我们开始正视这个实验，把这个实验真正当作一个很认真的事情来做，因为问题随时出现，不保持平常心根本就烦的做不下去。
第五个模块是我先搭建好的，然后经小组成员检查改正过后使用，发现噪声很严重，我们又回去查资料，怎么控制噪声，减小失真，在所有可以加旁路电容和耦合电容的地方都加了，噪声算好了一些，但是失真并没有解决。
接下来就是调电位器，找最大不失真增益的时候了。
这个过程是相当漫长的过程，因为上午的波形和下午额相差太多，更别说1天后，两天后，基本每天进实验室就在调电位器。
最后我们已经熟能生巧了。
我是一个很急进的人，在找好相关资料，设计好电路图后，就立马想搭电路。
但是随之而来的问题也不少，有些细节问题，比如电容的正负极这些我每次都出错，但是抱着不拘小节的态度，很多电容的值没有经过慎重考虑就加在电路中，为以后的电路测试埋下了隐。
而组内的另一个女生则是很细心严谨的人，每次很耐心的检查电路，问清楚每一个元器件的作用，在此基础上做修改，我们合作的很好。
而另一个男生则是攻坚主力，遇到很多困难都是他顶上去找解决方法。
虽然最后我们的音效一般，但是我们还是很骄傲，因为有着您个人的努力，三个人的付出，经过一次次的修正，一次次的失落，我们还是成功得放出了音乐。
总结
（二）
—雍攀
一刚开始看到这个题目，觉得并不会很难，还为自己班没有选到单片机而暗暗惋惜，当自己实际上开始查阅资料，搭建电路，调试电路时，发现一切也并不如自己想象中那么简单。
老师给了很多关于这次需要用到的芯片的器件手册，每个需要自己搭建的模块，都要自己先从手册中寻找是否有相符，自己在该模块可以用上的typicalapplications。
但是并不是每个模块的电路图都可以直接照搬器件手册图中的电路图。
在实际电路的测试波形中，很多电容，电阻，都需要自己在尝试着
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