数控音频放大器广大.docx
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数控音频放大器广大
课程设计报告
课程名称：
电子技术应用课程设计
设计题目：
数控音频放大器
专业班级：
电气121班
设计者：
陈海兵
学号：
1207300045
指导教师：
舒华、黄峥
设计所在学期：
2013-2014学年第二学期
设计成绩：
__________
广州大学
机械与电气工程学院
二〇一四年三月二十五日
（一）课程设计题目
数控音频放大器
（二）选题的目的和意义、课题选择的依据
（1）选题的目的和意义
伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。
音频是多媒体中的一种重要媒体。
人能够听见的音频信号的频率范围大约是 60Hz-20kHz 其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。
如何通过分析仪器让音频功放达到更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域，频域内一系列特性的过程。
数控音频放大器电路是一种可以采用数控方式产生计数脉冲实现音量调节的装置，从原理上讲是一种典型的数字电路和模拟集成电路的组合和综合运用，因此，我们次设计就是为了了解数控电路和功率放大电路的原理，从而学会制作数字控制电路而且通过制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。
（2）课题选择依据
数控音频放大器的电路分为音频运放电路、音频功放电、模拟选择开关电路、按键防抖动电路、计数器计数电路、编码器编码电路、数码管显示电路等。
要用到的相关知识在数字电子技术基础和模拟电子技术基础两本教程中都有涉及，所以本课题的选择是根据这两本教材再结合网上的相关资料而选择的。
（三）系统设计功能简介，本设计已实现的功能：
（1）系统基本设计功能
①电路设有一个3.5mm的音频接入口，可将手机或电脑的音频通过音频口输入进行运放和功放，然后通过喇叭输出音频。
②电路音量的调节分为0-7八个等级，通过按键调节音量，音量逐级递增。
③电路当前的音量级数通过数码管显示
（2）系统扩展设计公功能
①按键防抖动
②电源稳压
③按键实现加减计数
④音量检测
（3）本设计已实现的功能
本设计的电源稳压模块直接用DC直流电源，内部已自带降压、稳压电路，可直接到的5V2A的直流电。
本设计设计了减计数按键，在用protues仿真时可以进行减计数，但当实物电路焊出来后发现减计数只能减一次,。
比如当前音量等级是6，按一次减计数变成5，当再按一次时又变回6。
由用电路是用PCB雕刻机雕刻出来的，要修改电路只能重新做电路板，需要花费大量的时间，所以本设计的减计数未能实现。
除了以上两项功能未能实现外，其他的功能都已实现。
（四）创新性、实用性和课题特点
（1）创新性：
本设计的电路板是用PCB雕刻机刻出来的，没有飞线，电路路线清晰，比起手工焊接更美观。
同时做出PCB板后将无法进行电路的更改，所以比起手工焊接做PCB板需要对电路整体有很好的把握，在仿真时要确保每一部分的电路在实际中都能实现。
（2）实用性：
本设计可以作为音频输出在休闲时听音乐、广播等。
（3）课题特点：
本课题的主要特点是数电和模电相结合，在实践中掌握数电和模电的相关知识。
（五）总体方案选择的论证
（1）运放选择：
运放选择LM324。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
[1]
（2）功放选择：
功放选择LM386。
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。
[2]
（3）模拟选择开关选择：
模拟选择开关选择CD4051。
模拟开关有很多种，如CD4051、74HC4051等。
CD4051的工作电源电压范围很宽大约在2.5V~20V，但速度较慢些。
而74HC4051的工作电源电压范围就没那么宽，大约在2V~6V，但速度则快得多，两者相差大约一个数量级。
由于本项目的电路比较简单所以不需要太快的速度，所以选CD4051。
（4）音量检测选择：
音量检测选择LM3914。
LM3914内含输入缓冲器、10级精密电压比较器、1.25V基准电压源及点/条显示方式选择电路等。
内部设有迟滞电路，显示不是从一个LED立刻跳到另一个LED，而是平缓过度，可消除噪声干扰，改善输入信号快速变化时引起的闪烁现象。
由于内部电阻分压器是浮接的，所以电压测量范围很宽。
[3]
（5）按键防抖动选择：
按键防抖动选择NE555。
按键要防抖动则需要在按下时延时一段时间，可用NE555。
NE555的特点有：
只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用；其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久；它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合；其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载；它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
[4]
（6）计数器的选择：
计数器选择74LS191。
74LS191是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。
（7）译码器选择：
译码器选择CD451。
CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器。
特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
（六）系统框图
图6-1系统框图
（七）总电路图
（1）总体原理图
图7-1总体原理图
（2）总体PCB图
图7-2总体PCB图
（八）系统实现基本原理和电路原理
（1）按键防抖动电路
图8-1NE555按键防抖动电路
引脚
名称
功能
1
GND
地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
2
TR
触发NE555使其启动它的时间周期，触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
3
Q
当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
4
R
一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
5
CV
这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
6
TH
重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
7
DC
这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
8
VCC
这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
表8-1NE555引脚定义
电路分析：
当按键未按下时，2、4脚输入高电平，此时3脚输出低电平。
当按键按下时，2、4脚输入低电平，此时3脚输出高电平。
按键按下同时电容C16充电，当充电到2/3VCC时3脚再次输出低电平。
充电过程中不论2、4脚的电平是变为高还是低，3脚都输出高电平，这样就形成了一个短暂的高电平，叫做暂稳态，而低电平叫稳态。
高电平持续的时间由电容充电的时间长短决定，公式为T=1.1*R22*C16=1.1*10000*10*0.000001=0.110s=110ms，所以按键延时的时间为110ms。
（2）模拟开关信号产生电路
图8-2模拟开关信号产生电路
引脚
名称
功能
15、1、10、9
D0、D1、D2、D3
并行数据输入端。
3、2、6、7
Q0、Q1、Q2、Q3
输出端。
4
E
计数控制端（低电平有效）。
5
D/U
加减计数方式控制端。
8
GND
地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
11
PL
异步并行置入控制端（低电平有效）。
12
TC
进位输出/借位输出端。
13
RCO
行波时钟输出端（低电平有效）。
14
CLK
时钟输入端（上升沿有效）.。
16
VCC
正电源电压端
表8-274LS191引脚定义
电路分析：
D0-D4为并行数据输入端，一开始全部接地则预置数为0，所以一开始从0开始计算。
当给CLK一个脉冲时进行一次计算，数值以二进制形式冲Q0-Q3输出。
进行加计数时，按下右边的按键，此时或门的2脚输入高电平，而左边的按键未按下，所以或门的1脚输入低电平，最后从1脚输出高电平作为一个脉冲输入到CLK。
而74LS191的5脚，即加减计数方式控制端输入为低电平，选择的是加计数，计数值加1。
同理，当按下左边的按键时，或门的1脚输出高电平作为一个脉冲输入到CLK。
同时74LS191的5脚输入高电平，选择的是减计数，计数值减1。
（3）运放和功放电路
图8-3运放和功放电路图
引脚
名称
功能
1
V1out
输出1
2
-INPUT1
反相输入1
3
+INPUT2
正相输入1
4
VCC
正电源电压端
5
+INPUT2
正相输入2
6
-INPUT2
反相输入2
7
V2out
输出2
8
V3out
输出3
9
-INPUT3
反相输入3
10
+INPUT3
正相输入3
11
GND
地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
12
+INPUT4
正相输入4
13
-INPUT4
反相输入4
14
V4out
输出4
表8-3-1LM324引脚定义
引脚
名称
功能
1
GAIN
增益设定
2
-INPUT
反相输入
3
+INPUT
正相输入
4
GND
地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
5
Vout
输出
6
VCC
正电源电压端
7
BYPASS
旁路
8
GAIN
增益设定
表8-3-2LM386引脚定义
运放电路分析：
运放电路是用来调节输入音频的音量级数，其调节原理为：
用集成运放组成的同相输入比例放大器，AA、BB间接入等效可变电阻Rf，其电压放大倍数Auf=1+（Rf/R1）。
取R1=10K，则：
当Rf=0时，Auf=1。
当Rf=10K时，Auf=2；
当Rf=20K时，Auf=3；
……………………
当Rf=70K时，Auf=8。
从而只要改变Rf的电阻值即可以达到调节音频的音量级数的目的。
功放电路分析：
功放电路主要是将经过运放电路的音频信号功率放大从而驱动扬声器发声，其中要注意的是1脚和8脚加电容时增益为200，断开时增益为20，因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还可以减小噪声。
第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！
实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。
减少输出耦合电容，此电容的作用有二：
隔直+耦合。
隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。
它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。
减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率（fc=1/（2π*RL*Cout））提高。
分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适。
（4）调节放大倍数电路
图8-4调节放大倍数电路图
引脚
名称
功能
1、2、4、5、12、13、14、15
IN/OUT
输入/输出端
9、10、11
A、B、C
地址段
3
OUT/IN
公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
模拟信号接地端
8
VSS
数字信号接地端
16
VCC
电压+
表8-4CD4051引脚定义
电路分析：
手工调节放大倍数的方法，一般用电位器代替图中的Rf，为达到用数字方式控制放大倍数的目的，以一组电阻网络代替图中的Rf，用一组转换开关控制将不同的电阻接入电路中，当转换开关将不同的电阻接入代替Rf时，就实现了分级改变放大倍数的目的。
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
三位地址码ABC的信号来自计数器产生的三位二进制码，例如当计数器计数为“1”时，相应的二进制码为“001”，则输入到ABC的地址码为“001”，此时X1和X端接通，AA、BB间的等效电阻为20K，所以运放的放大倍数为2倍。
（5）译码显示电路
图8-5译码显示电路图
引脚
名称
功能
7、1、2、6
A、B、C、D
BCD码输入端
13、12、11、10、9、15、14
QA、QB、QC、QD、QE、QF
译码输出端，输出为高电平1有效。
3
LT
测试输入端
4
BI
消隐输入控制端
5
LE/STB
锁定控制端
表8-5CD4511引脚定义
电路分析：
当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入ABCD状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
所以只有BI=1，LT=1时数码管才显示BCD码的数字
当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
（6）音量检测电路
图8-6音量检测电路图
引脚
名称
功能
1、10～18
1、10～18
输出端
2
GND
地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
3
VCC
正电源电压端
4
RLO
发光管最低亮度设定
5
SIG
信号输入
6
RHI
发光管最高亮度设定
7
VRO
基准电压输出
8
ADJ
基准电压设定
9
MODE
模式设定
表8-6LM3915引脚定义
电路分析：
LM3914是10位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出驱动10位发光二极管来进行点显示或柱显示，4脚和6脚之间连接有10个精密分压电阻。
LM3914参考电压源输出约5V，即在7脚和8脚之间维持一个5V的基准电压Vref，该基准可以直接给内部分压器使用，这样当Vin（5脚）输入一个0～5V电压时，通过比较器即可点亮0～10个发光二极管。
（九）计算机虚拟仿真过程及其结果
（1）模拟信号产生电路及数码管显示仿真
图9-1-1模拟信号产生电路及数码管显示电路图（加计数）
图9-1-2模拟信号产生电路及数码管显示电路图（减计数）
（2）按键防抖动仿真
图9-2-1增加按键防抖动电路图（加计数）
图9-2-1增加按键防抖动电路图（减计数）
（3）运放及功放仿真
图9-3-1运放及功放仿真电路图
图9-3-2示波器输出波形图
在图9-3-1中音乐输入端输入的是峰值为30mv的正弦波，示波器的A（黄色）接音乐输入端，B（蓝色）接运放输出端，C（红色）接功放输出端，此时电路的放大倍数为7。
即理论上运放输出的正弦波峰值应为240mv，由图9-3-2可知仿真的结果正确，且波形没有失真。
经过功放后的正弦波峰值约为980mv，所以输入的功率放大了约4倍。
（4）音量检测仿真
图9-4音量检测仿真图
在音频输入端用protues的generatormode输入了一个音频信号，在音量检测电路可以看到10个LED灯随输入的音频呈火点状跳动。
（十）单元电路的设计、参数计算和元器件的选择
此部分在前面已有所涉及此处不在描述。
（十一）实施方案说明
（1）前期准备
在拿到这个课题前首先是仔细看了老师发的课题资料，对电路的制作有一个初步的认识。
然后再上网查各个芯片的数据手册，外围电路，熟悉芯片。
当这两步完成后就开始画电路图，一部分一部分的完成课题的要求，并在画的过程仿真验证。
电路图画好后根据电路图列元件清单购买元件，然后就是开始电路板的制作。
（2）制作过程
由于电路板是用PCB板，此次尝试用PCB雕刻机制作。
PCB雕刻机制作的电路板不同于用腐蚀法制作的电路板。
腐蚀制作电路板的原理是用石墨将画好的电路在铜板上印出来，然后用腐蚀液将没有被石墨遮住的部分的铜片腐蚀掉，剩下的就是需要的电路图的通路。
而用PCB雕刻机制作的电路板是在画好的电路两边刻出两条沟，将画好的电路与铜板其他部分绝缘开。
用雕刻机做PCB板的过程为：
先将画好的电路图用G代码转换软件转换成雕刻机可以识别的G代码，然后将G代码载入雕刻机中。
在转换的过程中需要将定位孔、引脚焊盘大小、走线宽带大小等一些参数设定好。
先给雕刻机换上打孔用的刀头，在板四个角打四个定位孔，然后打引脚焊盘的孔。
打好后停止雕刻机，给雕刻机换上雕刻铜路用的刀头，再开始雕刻电路，直到整个电路雕刻完成，完成电路板的制作。
（3）调试过程
在做好PCB板后就按照电路图一部分一部分的将电路焊上去。
首先焊的是按键、放大等级调节及数码管显示电路。
当焊好后发现只有数码管能显示，按键按下去没反应。
经过调试发现原来是NE555在画PCB图时没有供电，因此用跳线给NE555供电后按键有反应了。
之后是焊运放和功放电路，当焊好后发现喇叭又没有响。
用万用表次电路通断发现是有几处地方短路了，短路的原因是在用雕刻机雕刻电路时下刀太浅了导致一部分电路与外围的铜片没有很好的绝缘。
所以又手动的用刻刀将铜路重新的刻了一边就没有短路了。
接上手机输入音乐喇叭也发出了声音。
最后是音量检测电路的调试。
在焊好这部分电路后输入音频可以看到LED灯随音乐有节奏的跳动，这部分电路比较成功，不用怎么调试。
以下是制作电路板的几个步骤：
图10-1mach3软件控制界面
图10-2雕刻机正在雕刻电路
图10-3雕刻好后的电路板
图10-4焊好元件正常运行的电路板
（十二）系统运行的结果和现象
焊好调试好整个电路后运行的现象为：
给电路板输入一个5V2A的电源，同时给音频口输入音频。
可以看到数码管显示当前音量等级，喇叭发出输入音频的声音，LED灯随着音频的节奏跳动。
当按下加计数按键数码管显示的数字加1，喇叭输出的声音变大。
一开始喇叭的声音又很大的，通过调整功放的电位器后可以明显减小一些噪声，但噪声依然存在。
后来发现是LM386的7脚没有接旁路电容，在加上一个10uF的电解电容后效果好很多，不过也没有彻底解决噪声。
原因可能是LM324的11脚没有接-5v电压而直接接地，所以信号的范围比较小导致噪声存在。
由于电路板是用PCB做的已经成型，不可能像用万用板焊的一样可以再加上-5v的电压，所以不再去增加这部分电路。
还可能是喇叭性能比较差，本身输出就有少许噪音。
（十三）元器件列表清单
序号
名称
数量
1
10kΩ电阻
13
2
470Ω电阻
10
3
10Ω电阻
2
4
560Ω电阻
1
5
20kΩ电阻
1
6
1kΩ电阻
3
7
100Ω电阻
1
8
104瓷片电容
4
9
10uF瓷片电容
2
10
0.05uF瓷片电容
1
11
10uF电解电容
2
12
LM324
1
13
CD4051
1
14
LM386
1
15
LM3914
1
16
CD4511
1
17
74LS191
1
18
7432
1
19
NE555
2
20
按键开关
2
21
3.5mm音频插孔
1
22
音频线
1
23
DC电源
1
24
电源插口
1
25
1位共阴数码管
1
26
10k电位器
1
27
50k电位器
1
28
蓝色LED灯
8
29
红色LED灯
2
30
1w8Ω喇叭
1
31
PCB铜板
1
（十四）系统（本电子作品）的用户使用方法指南
用户可以将手机或电脑里的音乐通过音频线输入到本电子作品内，然后给电子做个供5v电即可以在喇叭处听到手机或电脑里的音乐，同时可以同LED灯会随着音乐有节奏的跳动。
若用户觉得音量不够大可以按黑色的按键调节喇叭的音量，当前音量等级会在数码管上显示出来，0为最小，7为最大，级数调节是循环变化的。
（十五）问题讨论
本次由于是第一次使用PCB雕刻机，所以花了三天的时间来研究如何使用。
期间弄断了几把刀头，刻坏了三个铜板，第四个板才成功。
使用PCB雕刻机需要很好的控制好进刀的深度，刀进的太深刻出来的电路太细很容易断，到进的太浅刻出来的电路有些地方又没有与铜板绝缘，需要自己再用刻刀重新刻，只有把握好进刀深度才能刻出好的电路板。
本次的电路板由于进刀不够深导致很多地方没有绝缘所以在调试时非常麻烦，需要用万用表一处处的测哪里短路了，然后再重新刻深，浪费了大量的时间。
同时在画PCB图时也需要注意画的线必须要宽一些，最少要1mm，这样才不会再雕刻的时候将铜路刻没了。
由于第一次画图时是用系统默认的线宽，当雕刻时才意识到线太细了，所以又得重新布线加粗线宽。
焊盘也许要放大一些的，最小的直径需要2.54mm，太小的话会把焊盘周围的铜片刻没了导致焊接时没有铜片焊不上去。
所以使用PCB雕刻机比起用腐蚀的方法要难的多，但效果也要好得多。
通过这次数控音频放大器的制作让我学到了许多还没学到的数电知识，使得今后学起数电来比较轻松，同时也巩固了模电的知识。
参考文献
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