[工学]数控音频播放器设计与实现_数电综合实验报告.doc

数控音频播放器的硬件实现实验报告信息与通信工程学院2010暑期实习题目: 数控音频播放器的硬件实现成员班级学号序号0811308113指导教师:杨钢老师2010年7月目录(Contents)一.报告摘要(Abstract)2二.前期准备(Preparation)21.实验内容(Contents)22.实验材料(Materials)3三.设计方案(Design Scheme)41.整体框架(General Frame)42.基本模块设计(Basic Module Design)41)电源模块(Power Module)42)555 振荡电路(Oscillatory Circuit)53)逻辑门电路(Logic Gate Circuit)64)音频放大模块(Audio Amplification Module)75)功放模块(Power Amplification Module)83.创新拓展(Innovations)91)USB供电模块92)计数器拓展计数93)多档数字增益可调104)二阶巴特沃斯滤波器105)双功放输出增大功率12四.调试修改(Problem Solving)131.电源模块(Power Module)132.振荡电路模块(Oscillatory Circuit)133.逻辑门电路(Logic Gate Circuit)154.音频放大模块（Audio Amplification Module）165.功放模块(Power Amplification Module)18五.性能测试(Performance Test)191.测试条件(Testing Condition)192.测试方法(Testing Techniques)193.测试指标(Testing Results)201)分级测试(Module Testing)202)整体测试(Overall Testing)25六.实验总结(Summary)27七.附录(Appendix)291.整机电路图(Overall Schematic)292.电路实物照片(Picture Of The Circuit)303.参考文献(Bibliography)30一. 报告摘要(Abstract)音频播放器主要实现音频的放大与播放。本实验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、功率放大电路等五部分组成，实现了或等输出音频的放大。在设计上，采用构成二阶滤波器对音频信号进行滤波，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四档位调控，另用双数码管进行秒钟计时。本报告分模块详细介绍了系统的设计过程，给出了设计原理、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，给出了相应的分析和结论。除完成基本设计要求之外，对系统进行了拓展和创新设计，主要包括供电、双计数器计数、四档增益可调、前置独立滤波电路、双功放桥接输出等。既体现了电路设计的基本原理与应用，又突出了创新性和新颖性。关键词：数控音频放大，滤波，音量调节，功放桥接二. 前期准备(Preparation)1. 实验内容(Contents)类别(Category)实现细节(Implemental Detail)系统设计(System Design)功能分析、基本设计、拓展设计模块设计(Module Design)模块功能分析、模块原理、模块电路图创新拓展(Innovation & Extention)供电、计数器拓展计数、四档数字增益可调、二阶巴特沃斯滤波器、双功放桥接输出模块实现(Module Implemention)搭建电路、调试模块、解决问题、改进设计模块测试(Module Testing)测试各模块参数、分析性能指标、提出改进方案整机分析(Overall Analysis)综合给出整机的功能测试和分析结果2. 实验材料(Materials)模块名称(Module Name)器件名称(Component Name)数量(Quantity)作用(Function Description)电源模块电源适配器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 2指示电路通断状态555振荡模块二极管 1电容充放电在不同通路NE5551产生矩形波100k滑动变阻器2调整占空比及频率数字逻辑模块74LS161芯片2实现60进制计数74LS48 芯片2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2显示数字继电器1不同通路以控制清零按键开关2实现手动计数及清零1k上拉电阻 1使得按键开关稳定音频放大模块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0.1uF3耦合电容电容220uF2旁路电容继电器2控制不同音量档位通断0k,3k,6k,9k电阻1同继电器实现四档控制功放模块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0.05uF1滤波电容1uF1旁路电容其他器件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 若干用于调测电路三. 设计方案(Design Scheme)1. 整体框架(General Frame) 图1.音频播放器整体框架图2. 基本模块设计(Basic Module Design)1) 电源模块(Power Module)A. 设计要求(Design Specification)a) 设计电源模块，提供 直流电源适配器；利用直流产生直流输出。b) 安置电源开关，同时控制正负 电流输出；为正负电压输出设置指示灯。B. 设计原理(Design Principle)电源适配器提供的电压，再由电压转换芯片(Voltage Converter) 获得约负电压，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(Negative Regulators) 获得更加稳定的负压输出，后通过变阻器分压调节，进而可获得稳定的负压。C. 电路图(Schematic) 图2.电源模块基本电路图2) 555 振荡电路(Oscillatory Circuit)A. 设计要求(Design Specification)a) 本实验中产生可控频率的时钟，时钟频率范围至少包括可调；b) 输出方波占空比可调，并且可以调整到；c) 该时钟作为其他模块的输入条件，这是一个基础模块，所用芯片：。B. 设计原理(Design Principle)由于振荡器的应用较多，设计也十分灵活，参考器件手册(Data Sheet) 给出的典型电路(Typical Application)，初步设计了电路，但频率(Frequency)和占空比(Duty Cycle)不独立，相互影响较大，给调节带来诸多不便(报告后续“调试修改”部分将作进一步分析)。考虑改进设计方案，使得频率和占空比独立可调。如图3所示，此时可给出如下理论计算公式。时间常数(Time Constant)分别为频率为当时，即占空比为，由于脉冲频率仅与相关，故实现了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，设计参数如图标注。C. 电路图(Schematic) 图3.振荡电路模块基本电路图3) 逻辑门电路(Logic Gate Circuit)A. 设计要求(Design Specification)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。A. 设计原理(Design Principle)计数器设计采用的芯片为进制计数(4-Bit Counter)，与译码器(Decoder)构成七段数码管(7-Segment LED Display)驱动电路。其计数频率由振荡模块输出方波频率决定。此处采用拓展设计方案，如图4所示，使用双数码管构成进制计数器，两片芯片均采用同步预置(Synchronous Load)，计数工作周期分别为 (个位)和 (十位)，预置端均接低电位。低位芯片由QA和QD接与非门引回反馈到预置端，实现进制计数，同时QA和QD接与门引到高位芯片使能端和，高位芯片自身输出反馈回端，在计数到时同步预置，实现进制计数。由两片输出端QAQBQCQD分别接入输入端，输出端连接数码管，驱动数码管显示的数码。通过一个继电器(Delay)即可实现手动输出低电压，接入端异步清零。B. 电路图(Schematic) 图4.逻辑门模块基本电路图4) 音频放大模块(Audio Amplification Module)A. 设计要求(Design Specification)a) 从音频头输入语音信号（调试过程中可以用正弦波信号发生器代替），利用运算放大器 搭建放大电路，自行设计方案，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，建议做到个档。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。具体实现方法自行设计，方式不限。增益至少可以达到倍和 倍，如果做出了多档可调，可以定义更高的倍数，同时会用到更多的译码器输出位。c) 单频扫频测试，内波动小于。B. 设计原理(Design Principle)音频模块基本设计为基本运算放大电路，参考器件手册给出设计即可。采用拓展设置，实现档增益控制(Gain Control)，在负反馈环(Negative Feedback Circuit)加入继电器控制(Relay Control)，串接个固定电阻，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。直接用反馈支路替代即可。反馈支路的详细设计将在本报告后续“创新与拓展”部分详细论述，此处从简。C. 电路图(Schematic) 图5.音频放大模块基本电路图5) 功放模块(Power Amplification Module)A. 设计要求(Design Specification)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 倍；b) 单频测试最大输出功率，不要采用供电（电流不够）。最大输出功率在负载为的情况下不小于；c) 不允许产生自激；d) 能够驱动扩音器，声音无明显失真。B. 设计原理(Design Principle)参考器件手册的说明和基本应用图，搭建功放模块。管脚和断开，使用芯片内置电阻，将增益(Gain)设定在倍。管脚接旁路电容，对音质的提升有一定作用。实际搭建电路测试后，对电路进行了进一步的拓展和改进（将在后续“调试和修改”部分详细展开论述），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。C. 电路图(Schematic) 图6.功放模块基本电路图3. 创新拓展(Innovations)1) USB供电模块思路来源(Inspiration)：由于数控音频放大电路常用于和等播放的音频放大输出，自然联想到使用接口供电，实用性大大增加。设计思路(Design):查阅相关资料，特别是标准定义，主要关注了以下参数：接口标准电压，标准单路电流，最大电流，最大功率。从实验室获得了接口和接线。按照接口定义将电源接入电路供电。设计结果(Results)：从理论分析和最终测试的数据来看，功放一级功耗仅，加上其他级的功耗，也远远小于的极限值，应该是能够驱动的。搭建电路接入线，测试过程中出现不能驱动的现象，分析可能是电路前级电源输入的设计需要调整，以适应供电的特殊要求。由于小学期时间的限制，没能成功完成模块供电的制作与调试，不免遗憾。2) 计数器拓展计数思路来源(Inspiration)：通常的数控音频播放器都带有计时功能，方便用户知道播放的音频的时间长度。可采用数码管计数显示时间。设计思路(Design):通过振荡器输出方波信号作为时钟，驱动计数器获得计数信号，解码器构成数码管驱动电路驱动数码管计数。通过调节振荡器周期，产生的方波信号就能实现秒钟计数。设计结果(Results)：本部分已在报告前述基本模块设计中的逻辑门设计处详述。不再赘述。实际运行测试结果（见后续“性能测试”部分）表明秒计数完整，清零端正常，手动计数也正常。3) 多档数字增益可调思路来源(Inspiration)：音量调节是音频播放电路不可获取的部分。实现两档音量调节电路虽然简单但实用性不强。因而将其拓展为四档音量调节。设计思路(Design):基本的想法是设计电阻可调节的反馈支路，然后接入音频放大模块，替代固定的反馈电阻，从而改变功放放大倍数，调节音量。电阻可调支路有两种方案可采用：一是用三个继电器(Delay)构成串联型，如图7第一个子图所示；二是用两个继电器构成并联型，如图7第二个子图所示。后者是一种相对优化的设计，可节省一个芯片和一个继电器。此处采用后者进行设计。 图7.音频放大反馈支路两种结构对比通过对四个电阻取定不同的数值，可实现增益的倍数调整。设计结果(Results)： 图8.反馈支路电路图和状态转移图 图8第一个子图为电路图，第二个子图为逻辑状态转移图(State Transition Diagram)。默认状态（Default Status）为和接通，对应状态，默认放大倍数为倍，此为档，即档。此后按照如图所示状态转移，可依次得到、的反馈电阻值，分别对应档，对应、倍的放大倍数。4) 二阶巴特沃斯滤波器思路来源(Inspiration)：滤波器(Filter)是在电路中常用的模块，特别是在实际的音频处理中应用广泛，可起到滤除特定频率成分的作用，对消除噪声有重要意义。设计思路(Design):数字信号处理(DSP)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9.二阶巴特沃斯滤波器电路图5) 双功放输出增大功率思路来源(Inspiration)：单功放的测试结果（参看报告第五部分“性能测试”的数据）表明，单功放输出难以保证在不失真的情况下功率达到，实际仅为，输出的功率不够大，驱动能力不强。考虑能否采用双功放驱动，以达到在单个功放不失真的情况下输出更高的功率，反映在应用中就是保真度(Fidelity)更高且音量更大。设计思路(Design):查阅相关资料，得知功放桥接(Bridge)可实现前述想法。在分析了桥接的风险之后，搭建电路进行测试，最终采用桥接的方式进行连接。设计结果(Results)：测试改进后的桥接双功放输出电路图如图10所示。 图10.改进的双功放桥接电路图实际的测试结果（见后文中“性能测试”部分）表明，运放桥接起到了提升输出功率且增加了保真度。四. 调试修改(Problem Solving)1. 电源模块(Power Module)问题描述1：在的负输出端不接指示灯，电压可达要求，但接上灯之后，电压就变得很小，约左右，达不到电压要求。解决过程：调变阻器并未起作用。仔细检查电路，发现是把直接接在地与输出端间，导致接通时两端电压始终保持在左右。于是在和输出端串接电阻，负压输出端电压便可由调节滑动变阻器连续调节，得到很稳定的电压输出。问题描述2：电路中毛刺的消除。解决过程：由于刚开始搭电路，对电路中噪声的消除还没有敏锐的观察力。只能是试探着添加一定阻值的耦合电容和旁路电容。耦合电容加到，旁路电容在左右时毛刺明显减小。电路中耦合电容和旁路电容对电路影响很大，应深刻体会，灵活应用。2. 振荡电路模块(Oscillatory Circuit)问题描述：占空比和频率相关性过强，不独立可调，且频率和不能同时满足设计要求。解决过程：我们初步设计的电路如图11第一个子图所示。 图11.振荡电路初步设计和改进后对比图 电路最初设计完成之后，我们开始调试，顺利在时调节出占空比的方波，我们此时乐观地认为由于和可调范围都在，应该能很容易在时调节出的占空比，但实际调试了将近两小时，依旧没有成功。我们的思路很容易地走向了更换电容然后再调的这条路。但结果却是“顾头不能顾尾”，不能在和同时达标。陷入困境之后，我们开始意识到可能电路本身存在固有缺陷。我们不再“乐观”地认为调节范围大就一定可以得出达标的结果。我们进行理论分析，根据图11第一个子图，很容易得到一组判断公式。电阻：，占空时间：，频率：可知，频率和占空比不独立，且当选定了电容的值之后，频率在变化时，将变化倍。又因为振荡电路参考电压，故滑动变阻器阻值可调范围受限。可知在倍程范围内，理论上是无法取得合适的阻值。这也就是为什么不能在和同时达标的原因。于是，我们重新设计电路，如图11第二个子图所示，最终达到了占空比独立可调的设计目标。改进后的方案和设计在报告前面部分的振荡电路模块设计中已有过详细叙述，不再赘述。3. 逻辑门电路(Logic Gate Circuit)问题描述：手动按键产生时钟信号不稳定，手动计数时而有跳变产生。问题解决：按键器由手动按下之后产生反向的的电压，形成方波电压，但由于按键持续的时间长度不能稳定，方波的跳变将不规律。另外，按键器的接触瞬间可能产生一些并不期望产生的瞬时脉冲和波纹，混叠在正常的方波之上，导致短时内的多次跳变，计数也就随之产生跳变（图12第一个子图）。这一点还可以由接入振荡器输出的标准方波（图12第二个子图），进行对比看出，后者不存在跳变的现象。 图12.按键器和振荡器产生的方波对比图我们尝试了多种方案进行解决。首先是有意识地让按键器多经过一个与非门进行逻辑运算，期望通过门电路产生延时来消除瞬时脉冲，同时由逻辑运算控制高低电压使得方波稳定，尽量避免中间态的产生。实测结果是跳变次数并无明显减少，但每次跳变的幅度有减小。另外，我们还尝试了接入电阻，进一步消除中间态，实测达到了进一步消除中间态的目的，但是并不十分明显，也没能完全解决跳变的问题。其他同学也遇到了这个棘手的问题。有一组同学采用了一种变通的解决方案，她们改用按键器控制使能端和，而非直接控制产生信号，这样需要手动计数时，按住按键器不放，使用振荡器产生的方波作为时钟信号驱动芯片计数。这种方法不是解决问题本身，而是绕开了问题产生的根源，实际上并没有一按一计数，但由于不存在手动按键中的瞬时脉冲影响，此法可实现无跳变计数。我们没有借鉴此法，选择了尝试各种方法解决问题本身，历经了将近一周的反复调试与改进，遗憾的是依旧没能彻底解决该问题。最终的效果是，计数大约每个数会有一次到两次跨度为一的跳变。4. 音频放大模块（Audio Amplification Module）问题描述1：电路接入巴特沃思二阶低通滤波电路后，输出波形只有上部，而下部被削掉。解决过程：二阶滤波器实现结构是简单而明确的，我们检查电路图之后确认无误，参数计算也正确。阅读器件手册，认识到了芯片的内部结构是两个独立的运放，才明白削去的负压部分是由于运放工作不正常，负压管脚错误地接地了。这是一个看似低级的错误，其本源是我们对芯片还不够熟悉，不明白到底是单电源还是双电源供电。问题描述2：实测音频放大级到波动为，增益波动过大，且低频增益不足，未达到设计指标要求的。（测试数据详见“性能测试”部分）解决过程：低频增益不足是系统固有问题，根据以往实现扩音机电路的经验，只需引入简单的一级音调控制器即可顺利解决问题。音调控制器的功能是，根据需要对音频放大器的频率响应进行控制和，更好地满足人耳听觉特性。具体到这里，设计低频提升电路即可。如图13所示。 图13.低频提升电路图在低频段，调节增大，则随着容抗的增大，增益也将变大。这就实现了低频调节的功效。由于小学期时间的关系，没能再实际搭建音调控制级进行测试。即便如此，我们有十足的把握此解决方案可行，因为此电路已在扩音机电路实验中实测验证并验收通过了。问题描述3：四档（定义为档）增益可调拓展后，后两档不能够连续跳变，即、档连续正常跳变后，下一档可能跳变为、这三档位中任一种，无明显规律。解决过程：芯片正常的计数状态转移图如图14所示。 图14.芯片74LS161正常计数时状态转移图测试中前两个状态和正常，从态转换到其它状态可能出现不可预知的情况，如图15所示。 图15.芯片74LS161紊乱计数时状态转移图我们首先怀疑是按键器的输出不稳定，导致计数紊乱。为加以确认，我们直接将计数器使用振荡器产生的稳定方波进行时钟驱动，结果也是在状态之后跳变值也不稳定，由此排除了时钟不稳的原因。进一步分析发现，到的跳变同其它状态间的跳变存在微小的差异，那就是，到状态转变时两个继电器均需要状态反转。这里就牵涉到同步反转的问题：如果同步反转，则计数正常，音量档位跳变正常；如果不同步，则可能出现、的中间态产生，进而计数出现紊乱。考虑到继电器内部构造为普通机械构造，动作时间较长，同步动作的概率比较小，而不同步的概率相对较大，这也就解释了为何测试中只有少数情况下能正常顺序换档。 图16.BCD循环码状态转移示意图自然的解决方案是将计数转移状态进行调整，改为图16所示的循环码形式，就可保证每次换档有且仅有一个继电器反转，消除中间态产生的条件，从而解决问题。为此，增加一片逻辑门芯片，调整计数状态，产生循环码计数即可。5. 功放模块(Power Amplification Module)问题描述1：初步测试时信号从功放输出后有较大失真，音乐不够清晰。解决过程：功放的连接相对简单和固定，我们设计的电路参考了器件手册给出的典型设计，如图17所示。但测试发现输出存在较大失真。这一问题再次反映了我们对芯片的不熟悉。各端口排布和作用如图18所示。脚和脚间的电容将使增益为，增益过大导致失真。只要将其电容撤去，增益可下降为，便不再失真。图18.芯片LM386管脚作用示意图 图17.功放初步设计时采用的电路图由此可见，许多问题的产生都是由于对器件的不熟悉，而许多问题可以在加深对器件理解的基础上顺利解决。后续的学习中应重视对器件的学习，达到熟练。问题描述2：功放级扩展为双功放输出，采用桥接技术，防止烧坏芯片。解决过程：查阅国内网站和论坛上的许多资料，了解到桥接功放存在一定的安全隐患，如果接入错误，而功放本身又没有保护电路，容易烧坏芯片。而在国外的论坛上有不少喜欢的网友自行采用桥接的方式设计或修改了多款功放，而且做出了成品，发布到网络和其他发烧友交流讨论。这坚定了我们采用功放桥接的决心。设计的电路图如“创新拓展”部分图10所示。为防止芯片烧坏，桥接时必须确保两个功放尽量工作在相同的状态，因而通过滑动变阻器引出输入，采用一正一反输入。输出端接入平衡电阻进行调节，使得输出更加平衡。最后以滤波电容引出输出，驱动喇叭发声。测试结果详见“性能测试”部分。五. 性能测试(Performance Test)1. 测试条件(Testing Condition)仪器名称(Device Name)型号(Model)作用(Function)函数信号发生器RIGOL DG1022产生不同频率和幅度的正弦测试信号数字万用表UNI-7 U7804测试电阻值、电压值数字示波器RIGOL DS5152M观察输入输出信号波形计算机LENOVO 与示波器相连记录波形2. 测试方法(Testing Techniques)测试工作主要采用先局部后整体的思路。采用分级测试(Module Testing)和整体测试(Overall Testing)两种方法。分级测试是在搭建好每一级电路或者每个模块之后的基础测试。用于检查单个模块或部分是否正常工作，能否达到预期的设计要求。若分级测试通过，可以确保局部工作正常，为整体测试作必要的铺垫。整体测试是在全部电路搭建完成之后，对多个模块或整机进行联合测试，评价整机的性能能否达标。局部测试通过之后并不能确保整机工作正常，所以整体测试是十分必要的。3. 测试指标(Testing Results)1) 分级测试(Module Testing)a) 电源模块的输出正压，负压，LM7905稳压输出。电压稳定，噪声和抖动较小。b) 555振荡器模块图19所示为输出频率为时占空比调节为时的方波输出。图20所示为输出频率为时占空比调节为时的方波输出。图20.振荡电路输出20Hz方波图19.振荡电路输出1Hz方波不难看出，达到了频率可调的目标，且占空比独立可调。且在频段内占空比均可调节到。c) 逻辑门模块计数器工作正常，实现了循环计数，不存在计数跳变或紊乱的情况。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。清零端工作正常，实现了按键清零功能。d) 音频放大模块首先给出二阶巴特沃斯滤波器(Butterworth Filter)测试。测试的幅频数据如下表：频率f(Hz)20.081.00k10.10k16.81k20.01k电压幅度(mV)204208192148132备注输入电压幅度为100mV作出幅频特性曲线(Amplitude-Frequency Characteristic)，如图21。图21.巴特沃斯滤波器幅频特性已知理论计算值，通带增益，截止频率。根据表中测试数据，实际通带增益为，实际截止频率为。在带宽时，处增益下降为中频增益的。可知基本满足性能要求。值得说明的是，实际测试值较理论值偏小，影响的一个因素是不能找到与计算值完全匹配的电阻和电容，实际中根据距离标称值远近进行了合理的近似，因而产生一定误差。另外，电路中存在的分布参数(Distributed Parameter)，如分布电容(Distributed Capacitance)和分布电感(Distributed Inductance)，也对频率准确度产生影响。下面给出音频增益控制部分的测试结果。四档增益测试。如图22四个子图分别为放大倍数为、倍时的输出。图22.四档增益调节输出波形图可见，四档增益增益可调，且输出波形未出现失真，毛刺较小。接下来给出音频放大幅频特性的测试。测试条件为输入电压。为使观察更加清楚，中频时放大倍数设定在倍左右。测试数据如下表：频率f(Hz)296.75001.01k5.03k10.00k15.04k20.00k电压幅度(V)0.7521.222.044.044.124.124.24同时作出幅频特性曲线，如图23所示。可以看出，低频放大不明显，对音频播放的低频信号影响将十分明显，播放音乐时低音效果不好，这是芯片或者说电路固有的缺陷。前续电路课程中进行过扩音机的设计和实现，我们在电路中引入了音调控制级，加入了低频提升和高频抑制电路，成功实现过低音拓展高音抑制的效果。如有时间再对电路进行进一步优化，可以考虑引入低频提升电路以增强音效。图23.四档增益调节输出波形图从图表中的数据可知，到波动为表明增益波动超过，未能达到设计指标要求。其原因在于电路设计本身固有的缺陷，为解决这一问题，增加一级简单的音调控制电路即可实现。实现方法在前述“调试修改”部分已有详细叙述，此处不再重复。e) 功放模块单功放最大不失真输出测试结果如图24所示。图25.双功放最大不失真输出波形图24.单功放最大不失真输出波形双功放最大不失真输出测试结果如图25所示。此时单个功放输出测试如图26所示。图26.双功放最大不失真输出时单个功放输出波形由测试图24可以看出，单功放输出时时不会有失真。单功放不失真输出功率为双功桥接放不失真输出功率为且有可见，双功放桥接总输出功率增加了一倍，约等于桥接的两个功放的输出功率之和。这样就可以在尽量保证音效不失真的情况下，达到更高的输出功率。需要说明的是，在实际应用中，并不一定要求双功放严格成立。此处测试的是绝对不失真输出电压值，实际播放音频时允许一定的失真，只要失真度不能不被人耳明显察觉即可。因而输出功率可突破的限制。2) 整体测试(Overall Testing)a) 噪声测试如图27为音频输入端悬空开路时功放输出端的噪声波形图。如图28为音频输入端接地短路时功放输出端的噪声波形图。图28.输入接地时整机噪声图图27.输入悬空时整机噪声图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，可见电路内部噪声在正常可接受的范围内。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。b) 线性度测试此处给出的是整机放大的线性度测试结果。测试时保证了输出电压无失真。采用线性增加的输入电压测试，结果如下表。输入电压(mV)102030405060708090输出电压(mV)2283403524965687048009201030备注输入输出电压均为正弦峰峰值，输入信号频率为5kHz作出对应的曲线图，如图29所示。图29.整机线性放大性能测试图对图中曲线进行线性拟合，可得一阶拟合曲线为：（单位mV）线性系数为：可见，整机输出与输入具有良好的线性关系，在中频时可实现一定范围内的线性放大。但输入信号较小时线性度不够好，原因是输入噪声过大，形成干扰。如图30所示为频率、幅值分别为和正弦输入时输出电压图。注意到图中的波形和示波器显示的输出频率，可以发现明显的噪声干扰。图30.输入为10mV、20mV时整机输出波形图图六. 实验总结(Summary)总 结（一） 谢小学期的短暂的21天过去了，在充满热情和颇具挑战的时间里，我度过了大学里一段难忘的时光。万事开头难，第一眼看到实验题目，茫然而不知所措，多少有几分忐忑。正如杨老师所说，开始觉得难，最后大家都发自心底感觉简单。我知道，这由难变易的过程，并不是想当然就得来的，而是在老师的指导下，在与队友合作的基础上，加上自己的探索和思考，点滴积累，不断超越，最后凝结而来的硕果。感谢杨老师的指导和关心，感谢队友曾的配合与付出。漫长时间的学习和积累充实着我们的大脑，但缺少实践的锻炼却使得书本知识仅仅存在于脑海中的某个角落，渐渐地被疏远，慢慢地被遗忘。而每一次难得的实践的机会，总能让知识迸发出能量，让知识在运用中得到升华。实验中遇到多处理论和实际间的作用和矛盾，举例来说，一方面，我们设计振荡器电路，认为阻值可调范围大，而忽略了严格的理论计算，导致实际电路不能满足设计指标，在重新理论计算之后采用了理论可实现的方案才使得设计达标，这里可以看出理论对实践的重要指导意义；另一方面，在继电器跳变的过程中，逻辑上的跳变是没有问题，但实际由于不同步带来跳变的紊乱，理论和实际却又存在一定的差距，这一点值得警醒。精细地把握好理论和工程的关系，是我们做工程实践所必备的素质。拿到实验题目的第一天，我就在思考一个问题，那就是如何在这次实验中使得收获最大化。我的想法是：简单的事情重复做，重复的事情有创造性地做。首先，基本的实验步骤和设计方法需要掌握和熟练，这是最基本的收获。其次，在遇到问题时，要先自己独立思考，和队友协商提出可能的解决方案，实在不能解决的问题再和老师或者师兄师姐或者同学一起讨论。此外，只有不断地尝试更多，才能收获更多。实际上，我们一直把做拓展部分当作必做的任务，而创新和拓展这一做法，也得到了老师的鼓励和帮助，这无疑给了我们很大的信心，真的十分感谢杨老师。其间我们遇到了很多其他同学没有遇到过的，我们也从未想过的问题。比如巴特沃斯滤波器的设计，DSP课程中详细讲过，不仅是二阶，高阶的也在理论上设计过。本以为会很简单，可算出了传输函数，如何才能把系数转化成电阻和电容值呢？老师没有讲过，书上也没有具体给出计算方法。我们查阅很多资料，最终采用三个方程组求解六个未知数，附加查表的方法艰难地设计出了滤波器。再比如功放桥接提升功率减小失真的设计思路，桥接一般是不提倡的，容易烧毁期间，国内的网站上没有类似的案例，我们在搜索英文网页的过程中，发现有一些论坛上有功放发烧友做出的播放器，其中就有采用桥接功放的，这才坚定了我们设计的决心，事实上我们最后做出了成品，取得了良好的测试数据和试听效果。创新是有难度的，也是有风险的，我们确实为此付出了很多，同时也收获了很多。综观此次试验，我成功地使收获最大化，这是值得高兴的。以后的学习和工作中，要不断挑战自己，创造性完成工作，让自己在锻炼中不断超越。这短暂的21天里，热情始终陪伴着我，有时几乎近于癫狂，一有时间就查找学习电路的知识，空闲时心里就在不断思索着如何创新和改进电路。我不觉得累，反而觉得很开心很充实，大学的时光，难得如此忙碌充实，难得如此热情迸发，难得如此投入与忘我！总 结（二） 曾时光