家用音响设计制作论文经典.docx

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家用音响设计制作论文经典

编号：

毕业设计（论文）说明书

题目：

家用音响设计、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

2006年06月05日

摘要

随着人们生活水平的进一步提高，高保真音响设备和家庭影院系统已经逐步进入了人们的家庭，人们对娱乐消费类电子产品的需求欲望亦日渐高涨，建立适合自己口味的高保真梦幻组合和家庭影院也已经不再是梦想。

本论文将以性价比为导向，兼顾基本的高保真的技术指标，讨论了适合一般家用的多媒体高保真功放。

论文由浅至深，结合图示介绍了家用音响的组成和相关知识，以及整个功放的工作过程的细节，内容涉及输入前置放大电路、音调控制和音色处理电路、功率放大电路、电源电路。

同时还对各个主要芯片自身的特点及如何去设计这个系统来满足一定的技术指标进行了讲解。

论文尽可能通俗地来介绍家用音响，让大家能从中学到基本的家用组合音响的知识的同时，还能学会如何制作高保真音频放大器以及对音响器材选购作出正确的选择。

在技术层面上，系统主要是采用集成芯片来完成的，这个设计中用NS（NationalSemiconductor）公司带有3D环绕声场处理功能的LM4610N做音调芯片，通过改变直流控制电压来实现音调控制；前置放大使用了曾经的“运放之皇”NE5532，典型的增益为20dB；后级功率放大部分用的也是NS公司的一款经典芯片――LM1875芯片，每声道两片，驳接成桥式推挽BTL电路,以取得更大的功率以及更好的音效；此外此音响还带有无信号或定时智能关机的电源控制设计，以适应一般家用的使用习惯。

在论文的后面部分，着重讲述了制作和调试中遇到的软件、硬件上的问题以及如何解决，并给出了音频功率放大器性能指标的国家标准测量方法。

这些可以成为大家制作过程中的一些的提示以及测试的依据。

关键词：

3D环绕；集成芯片；直流电压音调控制；BTL；无信号自动关机

Abstract

Withthedevelopmentofpeople’slivingstandards,thehi-fiaudiosystemandfamilyvideosystemhavecomeintopeople’slife.It’snolongeradreamtoestablishasuitableandfavorablehi-fiaudiosystemaspeople’sdesiresforelectronicproductsarebecomingstronger.

Undertheguidanceoftheratiobetweenqualityandprice,consideringthebasictechnicalindex,theessaydiscussestheordinarymulti-mediahi-fiaudioamplifiers.Thecontentoftheessaydevelopsfromshallowtoprofound,andisillustratedwithdiagramstointroducethestructuresandrelativeknowledgeofthehouseholdaudiosystem,andalsothedetailedworkingprocedures,includingtheentryoffrontextendingcircus,volumecontroller,voicedealingcircus,efficiencyextendingcircusandsupplycircus.Andmeanwhiletheessaydescribesthefeaturesofthemainchipandalsoonhowtouseandtolearnfromthissystem.

I’vetriedmybesttomakethelanguageofthisessayeasyandsimpleforreaders,andwitheverywishthattheycanlearnsomethingusefulfrommyworks:

howtomakeanaudiosystem,andhowtochoosetherightmaterialsforit.

Aspertechniques,thedesignchieflyadoptstheintegratedchips.Inthisdesign,IadoptedtheNS’sLM4610Nwith3Dvoiceencirclingfunctionastheleadingchips,bychangingthevoltageofdirectcircustocontrolthevolume.Thefrontamplifieristhe“Masterofamplifier”NE5532,withthetypicalincrease20dB.TherearefficiencyamplifieralsoadoptsNS’sLM1875,everysteptwopieces,bridgingintoBTLpush-pullcircussoastoachievethehigherefficiencyandbettervoice.Besides,forcustomers’convenience,thesystemcantimelybeturnedoffautomaticallywhenthereisnosignal.

Attheendofmyessay,Ialsostateaboutthedifficultiesandproblemsduringmydesignandtest,thewaystosolvestheseproblemsandalsooffersomestandardnationaltestingapproachesforreader’sreferences.

Keywords:

3Dencircling;Integratedchips;Voltagecontrollerofdirectcurrent;BTL;

Automaticallyturnedoffwithoutsignal;

引言

音乐这种传递人类感情的艺术形式，它是需要一种载体来表达，而最好表达的便是高保真音响，如实地还原音乐，表达音乐。

让人们从完全真实的音乐重放中汲取音乐的灵魂。

音响是心理学、建筑声学、光学、电子学、计算机、自动控制及音乐等多学科相互渗透而形成的一门边缘。

它是一门技术，同时又是一门艺术，技术是手段，艺术是目的。

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家庭高保真音响系统的最终目的是供人们欣赏音乐、戏剧及影视等艺术作品，因此设计时必须考虑到与人们的主观因素紧密相关的音质问题，这就是“高保真度”的概念。

另外，人们为了追求音乐厅的听音效果，又提出了立体声的概念。

随着人们生活水平的提高，又出现了自娱自乐的卡拉OK音响系统。

近几年，家庭影院开始成为家庭电子消费的新时尚。

随着电子科学技术的发展，用于音响系统的器材和材料都有长足的进步和发展。

在我国，进入家庭最早和普及率最高的音响器材当数收音机。

在20多年以前，收音机曾以家庭时尚“三大件”的身份自居。

时至今日，形形色色的高级音响设备也早已进入了普通百姓家。

诸如CD、VCD、DVD、MD、MP3等等现代音响套餐无处不见。

相比之下，哪怕是高档次的收音机也很难再登当代家庭的大雅之堂！

甚至一些当年酷爱收音机的“土老帽儿”，现如今也玩起了“Hi-Fi”“Hi-end”，成为新兴发烧族中的一员。

现在的音响技术可以说是到达了一个相当成熟的阶段。

在技术如此成熟的环境下，从各种媒介能获得相当多的技术支持。

为了培养自己的动手能力，结合自己的兴趣和一直以来对音乐的爱好，参考过相关电路后，设计并制作一个适合家用的集成芯片HI－FI音频功率放大器。

设计制作过程中考虑到满足给定的技术指标，同时也尽量提高性价比。

希望本论文能给音响初级爱好者带来音响基本知识以及制作过程中的注意事项，要是能同时为普及音响事业的发展做一点点小推动就更好了。

1家用音响系统

1.1家用音响概述

家用音响设备包括收音机、录音机、激光唱机、环绕声处理器、卡拉OK机、功率放大器等，将这些单独的音响设备组合起来，就够成了组合音响；将组合音响与影碟机、大屏幕彩电结合起来，就购成了家庭影院，可营造出与专业影院相媲美的声像效果。

家庭高保真音响系统的最终目的是供人们欣赏音乐、戏剧及影视等艺术作品，因此设计时必须考虑到与人们的主观因素紧密相关的音质问题，这就是“高保真度”的概念。

高保真度（HighFidelity，简称Hi—Fi）是用于评价高质量放音系统如实重现原有声源特性的术语。

高保真度是指重放声音的各种畸变（失真）非常小，以致主观感觉已无法分辨。

高保真就是要求如实地记录和重放原有声源的特性而在主观上不引起畸变的感觉。

高保真放声是指建立在客观物理基础上并得到大多数听众确认的音质的声音记录――重放系统，当然也包括对录、放声进行必要的加工，按照主观爱好来美化声音的技术（例如频率校正、信号延时、人工混响等）

其实，高保真度的定义并不是那么重要的。

我们可以思考这个问题，高保真音响，它为什么要是高保真呢。

因为它可以让人们更好的去享受音乐，去记录逝去的声音。

那这本身就是一个主观的过程。

其实是不是真实的还原音乐本身并不是重要的，我觉得音乐这种艺术给每个独立的不同的个人带来的一个享受的过程，它是非常重要的，我们不能单单从技术角度来评论对一种艺术的看法。

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音响是一个相当综合的学科，也就是渗透型的学科，它综合了相当多的学科在里面，比如模拟电路，信号处理，以及元器件的材料选择涉及到的材料学，还要对声音的各种运动、性质阐述的声学，还有设计中涉及到的模型处理等等，不一而足。

总之，音响技术是向着高保真化、立体生化、环绕声化、自动化、数字化技术方向发展的。

1.2家用音响系统组成

总的来说，家庭高保真音响系统由三大部件组成，即节目源设备、功率放大器和扬声器系统。

1.2.1节目源设备

节目源是指重播声音时的信号源部分，一般都包括CD机、卡座、收音头、视盘机、LP唱机、录像机等，这些器材的共同特点是，均可通过机器自身将存录于唱盘、卡带乃至空间电波中的信号转化为弱电信号播出，例如CD机可通过其内部电路将刻在CD唱盘上的数码信号转化为模拟弱电信号，并从其输出端输出。

音源送出的弱电信号，由于其电压处于毫伏级，不能直接去推动音箱，所以，音源输出信号就必先要经过功放的放大，这就需要使用功放放大器。

1.2.2功率放大器

放大器的任务是把节目源送来的比较微弱的信号充分放大，同时进行控制和修饰美化，以驱动扬声器系统。

放大器包括前置放大器、功率放大器等。

（1）前置放大器

前置放大器位于后级功率放大器之前、信号源设备之后。

它对改善整机特性，提高音质、音色，以尽可能以理想的方式将高纯度的音频信号进行切换、放大与处理并输入到功放级，具有极重要的作用。

要达到高质量的放大，并能获得良好的信噪比，在前级放大器中对噪声的抑制是非常重要的。

因为在输入1mV的音频信号（例如话筒信号）中，如果混有0.1mV的轻微噪声，经过1000倍的放大，此噪声即可达到0.1V，输入后级功率放大器后再经过放大，此噪声即会达到不能容忍的地步。

因此，前级必须采取各种有效措施，以清除微弱的噪声。

其中信号源与前级之间一般均用屏蔽线进行连接。

（2）后级功率放大器

后级功率放大器的作用是将来自前置放大器的信号放大到足够能推动相应扬声器系统所需的功率。

就其功能来说远比前置放大器简单，就其消耗的电源功率来说远比前置放大器大，因为功率放大的本质就是将交流电能“转化”为音频信号，当然其中不可避免地会有能量损失，其中尤以甲类放大和电子管放大器为甚。

后级功放部分，是进行单纯功率的部分，它的作用就是尽可能地原原本本地放大来自于前级的信号，我们对后级的要求是，放大倍数尽可能地高，而放大后信号的失真程度应尽可能地小。

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1.2.3扬声器系统

音箱作为最终的还声设备，将放大后的电信号转换为声信号，传入我们的耳朵，一般来讲一只音箱中含多个扬声器单元。

一对音箱，分左右两声道播放两路不同的信号构成立体声效果，最终将一个声场较为完整地展现于我们的面前。

其实一个高保真音响，它是否让发烧友们满意还有很多因素，比如：

前置放大器的输入线缆，放置音响的房间墙壁，房间形状，音箱之间的距离及摆位等等。

不仅如此，就单线材，如果是非常发烧级的，就要几千人民币，不要说功放，音箱本身了。

而能真正地欣赏高保真音响还需要一定的音乐素养。

所以说高保真音响是一个生活水平上升之后的高级精神享受。

2家用高保真功率放大器

由于高保真音响系统范围太过广泛，为了达到论文的针对性和专业性，该论文只集中阐述家用高保真功率放大器。

2.1功率放大器种类

按放大器所使用的放大元件不同可以分为三种：

电子管放大器、晶体管放大器和集成电路放大器，目前在高保真领域中，晶体管和集成电路两类放大器以其轻巧、省电和寿命长等许多优点而占有绝对优势。

2.1.1电子管放大器

俗称“胆机”。

采用电子管作为放大级，主要优点是：

动态范围大，线性好，音色甜美、悦耳温顺。

电子管与晶体管的传输特性不同，两者有一定差异，如因信号过大发生激励（信号刺激超过承受范围）时，电子管波形变化较和缓，晶体管的则不大平滑，直接影响音质，又如电子管的放大多激发“偶次谐波”，这些“偶次谐波”与音质无损，而晶体管放大器多激发“奇次谐波”，会引起听感的不适。

但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性，二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大，还会导致失真，而且体积大，由于在汽车里面使用环境较为恶劣（高温、振动、电源等问题）从而很大程度限制了胆机在汽车音响系统中的使用，因此在市场上流通率并不高。

2.1.2晶体管放大器

与电子管功放相比，晶体管功放具有更高的可靠性和更长久的耐用性。

由于末级采用严格对称的OCL互补推挽电路，进一步减少了因输出变压器而引起的种种噪声干扰、频响缺陷和谐波失真，从而令晶体管功放有极宽的频率响应（低频放大可直到直流信号，高频可延伸至听域极限）和极高的保真度（总谐波失真可轻易达到0.001%），阻尼系数非常高，瞬态响应也较电子管功放优秀得多。

声音清脆开扬，极具穿透力且力度十足。

特别音乐的背景噪声音宁静达到寂静无声的至高境界。

一般而言，晶体管音色较电子管硬朗、冲劲十足，最适合于人声、重金属打击乐、现代摇滚乐、迪斯科舞曲以及大动态的重播。

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它克服了电子管功放的两个缺点，一是阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感，力度上要比胆机明快、爽朗、有力；二是无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。

晶体管放大器是现时市场上汽车音响功率放大器的主流产品，品种繁多，档次齐全，是车主选用的主要产品。

2.1.3集成电路放大器

它的最突出优点是可靠性高，外围电路简单，组装方便，占用空间比较小，而且保护电路都内置了，一般情况下不会发生烧毁器件的问题，不足之处是电声指标（功率、频响、失真度、信噪比等）和音质皆不如分立元件组成的放大器，但是现在随着集成芯片的进一步发展，差别也是越来越小了。

由于集成放大器电路简洁且容易调试，更适合刚入门的电子爱好者自行制作，故本设计以其为重点作较详细的讲述。

2.2高保真功率放大器主要技术指标

高保真功率放大器的主要技术指标有额定输出功率、总谐波失真、频率响应、信噪比、瞬态响应、转换速率、动态范围等。

2.2.1额定输出功率与功率储备

放大器额定输出功率也称RMS功率或连续功率,是指在一定的失真范围内,在喇叭阻抗一定的条件下,放大器输出的最大功率，那么对于一台音频功率放大器来说，其额定输出功率并不是惟一值，而是随失真和负载的不同而变化.

以前人们往往将功率放大器的额定输出功率定得和削波功率一样高，这样就严重影响了放音质量，后来又规定额定功率应为削波功率的二分之一，但实践证明额定功率仍然偏高，有的国家这样规定：

两个声道各驱动一个阻抗为8欧的扬声器，在20-20000HZ范围谐波失真小于1%时,测得的最大输出功率的有效值，即为放大器的额定输出功率。

通过音乐节目的分析可以发现，音乐节目电平包络中总会不时地出现一些短暂的高峰，这对放音的平均实际响度会有影响,但不是很大，不过放大器的削波功率需避开这些高峰,否则将产生削波，音乐节目会变得干燥，发硬，并产生所谓的“动态畸变”。

要克服这种失真，音频功率放大器的削波功率必须大于额定功率的10倍，也就是说音频功率放大器要有一定的功率储备，一台削波功率为80W的晶体管音频功率放大器，其平均功率能用到4－5W左右，若削波功率为50W，则平均功率只能用到3－4W左右。

而且在使用时，如果平均功率大于该数值，则功放的音质会明显下降。

2.2.2总谐波失真

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任何一个自然物理系统在受到外界的扰动后大都会出现一个呈衰减的周期性振动。

举例来说，一根半米长两端固定的弦线在中间受到弹拨的话，会产生一个1米波长的振动波，称为基波。

弦线除了沿中心点作大幅度摆动外，线的本身也人作出许多肉眼很难察觉的细小振动，其频率一般都是比基波高，而且不止一个频率。

其大小种类由弦线的物理特性决定。

在物理学上这些振动波被称为谐波（Harmonics）。

为了方便区别，由乐器所产生的谐波常称为泛音（Overtone）。

谐波除了由信号源产生外，在振动波传播的时候如果遇上障碍物而产生反射，绕射和折射时同样是会产生谐波的。

无论是基波或谐波本身都是“纯正”的正弦波（注：

正弦波是周期性函数，由正半周和负半周组成，但决不能将其负半周称为负弦波）但它们合成在一起时却会产生出许多奇形怪状的波形。

放大器的线路充满着各种各样电子零件，接线和焊点，这些东西或多或少都会降低放大器的线性表现，当音乐信号通过放大器时，非线性特性会使音乐信号产生一定程度的扭曲变形，根据前述理论这相当于在信号中加入了一些谐波，所以这种信号变形的失真被为谐波失真。

谐波失真并非完全一无是处，胆机的声音之所以柔美动听，原因之一是胆机主要产生偶次谐波失真。

即频率是基波频率2、4、6、8…倍的谐波。

在40年代时，有许多较“小型”的收音机故意加入相当程度的二次谐波失真。

目的是制造“重低音”去取悦消费者。

2.2.3频率响应

在众多技术指标中，频率响应是最为人们所熟悉的一种规格。

一部分放大器而言。

理论上只需要做到20至20000HZ频率响应频率就已足够，但是真正的乐音中含有的泛

图2.1：

放大器的通频带

音（谐波）是有可能超越这个范围的，虽然这些谐波，人类的耳朵根本就感觉不到，但是人类还是可以通过其他的途径感知到这些谐波的存在。

加上为了改善瞬态反应的表现，所以对放大器要求有更高的频率响应范围，例如从10Hz～100KHz等。

习惯上对频率响应范围的规定是：

当输出电平在某个低频点下降了3分贝，则该点为下限频率，同样在某个高频点处下降了3分贝，则定为上限频率。

按照一般的规定，高保真功率放大器的频率响应为20Hz~20kHz（±3dB）。

如图2.1所示。

2.2.4信噪比

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信噪比（SignalNoiseRatio）是指信号通过音频设备后增加的各种噪声（如低频哼声、感应交流声、咝咝声等）于指定信号电平的dB差值，或信号幅度与噪声幅度之比，由于值比较大，一般用分贝来表示其值，有时也以重放设备输出的绝对噪声电压或电平值来表示，此时称为噪声电平（这实际上也是一个用电压来计算的信噪比数值，只不过分母是一个固定的数：

0.775V，而分子则是噪声电压）。

由于信噪比和功率或者是电压成对数关系，要提高信噪比的话便要大幅度地提高输出值和噪声值之比，举例来说，当信噪比为100dB时，输出电压是噪声电压的一万倍，以电子线路来说，这并不是一件容易的事。

下面将列出信噪比的数值计算公式：

设噪声信号功率（或电压）为PN（VN），有用信号的额定输出功率（或电压）为Ps（Vs），则定义信噪比S／N为：

S／N＝20lg（Ps/P）=20lg（Vs/V）

一台放大器如有高的信噪比意味着背景宁静，由于噪声电平低，很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使空气感加强，动态范围增大。

放大器的信噪比一般来说以大约85dB以上为佳，低于此值则有可能在某些大音量聆听情况下，在音乐间隙中听到明显的噪音。

2.2.5瞬态响应

瞬态响应是指放大器跟随瞬态（猝发）信号变化能力大小的一种标准。

现代音乐中包括了很多此种信号，比如：

打击乐器弹拨乐器，都能产生猝发声脉冲，即瞬态信号,当瞬态信号输入到音频功率放大器输入端时,如果放大器的瞬态响应差,其输出就跟不上

图2.2：

瞬态响应不良时的波形

瞬态信号的变化,猝发信号的包络将产生畸变，这就是瞬态失真。

我们平时测量瞬态响应常用方波信号，当方波信号输入放大器时，如果输出信号的波形是方波，说明放大器的瞬态响应良好。

而瞬态反应不良的就如图2.2所示。

若音频功率放大器的瞬态响应良好，那么放音时钢琴的声音就特别悦耳，特别是跳跃式的短促音符，清晰度会增大。

2.2.6转换速率

转换速率SR主要是描述放大器对音源高频分量的跟随（反映）速度快慢的一项指标。

SR和放大器的瞬态响应雷同。

一个大SR的扩音机，它的高频响应一定很出色，而且瞬态失真TD（transientdistortion）和瞬态交互失真非常的小。

转换速率的单位是uV/s。

要是一款Hi－