广西民族大学课程设计报告数控功放

1、广西民族大学 本科综合课程设计报告 题目：数控音量调节集成音频功率放大器 学院（系）： 信息科学与工程学院 专 业 ： 自动化 年级班级 ： *自动化*班 学 号 ： * 学生姓名 ： * 指导教师 ： * 目录摘要31 设计任务41.1基本要求41.2设计内容42 方案论证52.1功放芯片选择52.2功放模块工作方式的选择62.2.1双电源供电ocl音频功率放大器62.2.2单电源供电otl音频功率放大器62.2.3双电源供电btl音频功率放大器72.3功放工作方式的综合比较选择83.硬件设计83.1 增益分配83.2功率放大器93.3数控音量调节93.3.1数控音量调节原理框图93.3.2

2、cd4051八路模拟开关103.3.3cd4516计数器123.3.4 计数脉冲143.4电源设计143.4.1功放模块电源143.4.2数控模块的电源设计163.5散热设计173.6总方案174 电路的制作和焊接194.1 pcb的制作194.1.1 pcb设计要点194.1.2 pcb图194.2 调试215数据处理与记录226 心得体会24参考文献25数控音量调节集成音频功率放大器作者：*摘要 本设计采用tda2030作为功放芯片，采用ocl电路供电，用按钮开关作为cd4516的计数脉冲，作为计数器的输入，然后计数器的低三位输出控制八路模拟开关cd4051，选择不同的衰减倍数，达到对电平

3、的控制，将音频信号经过八个电阻组成的衰减网络，输入给tda2030功放芯片，实现音频信号的放大，通过一个阻抗为8的喇叭表现出来。关键词：tda2030功放芯片、cd4516计数器、cd4051八路模拟开关、7805稳压芯片、整流滤波、衰减式音调、电压增益、功率增益。1 设计任务 设计一款额定输出功率为10 20w的数控音量调节集成音频功率放大器，要求电路简洁，制作方便、性能可靠。其原理示意图如 图1：1.1基本要求（1）在音频信号处输入正弦波输入电压幅度800mv，等效负载电阻rl为8.2情况下，功率放大器应满足： 额定功率输出功率：por10w； 频率响应：bw20hz 100khz（3db

4、） 在por和bw内非线性失真系数：1 (10w,30hz20khz）； 在por下的效率55%；（2）数控音量调节部分尽量能多档位。（3） 电源稳压部分不要自制，但要求必须有整流滤波电路（功放模块无需稳压，数控模块需要稳压）。（4）功放部分不能使用集成功率放大器。1.2设计内容（1）根据具体电路图计算电路参数；（2）选取元件、识别和测试。包括各类电阻、电容、变压器的数值、质量、电器性能的准确判断、解决大功率放大器散热的问题；（3）了解有关集成电路特点和性能资料情况；（4）使用protel绘制电路原理图sch；（5）使用protel绘制并制作印刷线路板pcb；（6）电路板焊接、调试有关放大器测

5、试过程；（7）撰写完成设计报告；2 方案论证2.1功放芯片选择我们熟悉的集成功放有tda2030a、lm1875、tda1514等，其中tda1514外围电路较复杂，且容易自激。lm1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，但是高频特性较差（bw70khz）。tda2030a上升速率高、瞬态互调失真小；输出功率大，而保护性能以较完善；外围电路简单，使用方便；频带宽bw（10140khz），缺点是低频特性欠缺。综合题目要求，选用tda2030a作功放。tda 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路

6、中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括tda 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。tda2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20w，而tda 2030的输出功率却能达18w，若使用两块电路组成btl电路，输出功率可增至35w。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在tda 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有

7、条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。tda2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。tda2030 在电源电压14v，负载电阻为4时输出14瓦功率（失真度05）；在电源电压 16v，负载电阻为4时输出18瓦功率（失真度05）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。2.2功放模块工作方式的选择2.2.1双电源供电ocl音频功率放大器（1）电路图： 图2 双电源ocl电路原理图 （2）优缺点优点是省去体积较

8、大的输出电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求稍高。2.2.2单电源供电otl音频功率放大器 （1）电路图 图3 单电源otl电路原理图（2）优缺点： 优点是可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路。缺点是需要通过体积较大电解电容作为输出耦合。 2.2.3双电源供电btl音频功率放大器（1）电路图 图4 双电源btl电路原理图 （2）优缺点 优点是无论使用单电源还是双电源供电都不需要输出电容，理想输出功率是单个ocl电路的4倍。优点是功率做得更大，缺点是电路比较复杂。2.3功放工作方式的综合比较选择 otl，无变压器功放电路，优点是可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路。缺点是

9、需要通过体积较大的电解电容作为输出耦合。 ocl，无输出电容功放电路，优点是省去体积较大的输出电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求稍高。btl，由两个相同的ocl电路组成一个功率更大的功放电路，无论使用单电源还是双电源供电都不需要输出电容，理想输出功率是单个ocl电路的4倍。优点是功率做得更大，缺点是电路比较复杂。综合比较，适合本次课程设计的方案是ocl电路。原因有以下：我们不追求电源的简化，不要求电池供电，所以，虽然otl对电源要求相对较低，但是要求有较大的电解电容作为输出耦合，增加的设计的成本和危险性。所以，ocl相对于otl，更加安全一点，可以不用输出耦合电容，而且频率特

10、性相对较好。虽然是双电源供电，但是我们只需要两个滤波电容即可。其次，btl实验电路复杂，虽然输出功率较大，但是作为课程设计，不需要如此大的输出功率，复杂的电路只会引来更加多的问题。最后，综合比较，本次课程设计功放模块最终选用ocl电路。3.硬件设计 3.1 增益分配考虑到功率要求，初步选定输出功率p0=10w，由于负载为8.2，则要求输出正弦波幅度值为 vom=12.8v13v考虑到管压降等因素，电源可以取稍高一些，在这里可以取15v。由于输入正弦波幅度最小为160mv，故整个放大通道的电压增益为 avo=20lg(15/160103)39db功率放大仍采用大环电压并联负反馈，电压增益为 av

11、2=20lg(r1/r2)20lg(22k/680)30db所以, avo和av2相差不大，可以考虑不用前置放大电路，采用一级放大即可。3.2功率放大器tda2030是德律风根生产的音频功放电路，采用v型5 脚单列直插式塑料封装结构。如图6所示，按引脚的形状引可分为h型和v型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利sgs公司、美国rca公司、日本日立公司、nec公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。 图6 tda2030芯片的引脚图3.3数控音量调节3.3.1数控音量

12、调节原理框图利用一按钮开关产生计数脉冲，作为计数器的输入。cd4516为一单时钟可逆十六进制（十进制）计数器，计数器的低三位输出控制八路模拟开关cd4051，选择不同的衰减倍数，达到对信号电平的控制。图7 数控音量调节原理框图3.3.2cd4051八路模拟开关芯片简介：如图8，cd4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有a、b和c三个二进制控制输入端以及inh共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520v的数字信号可控制峰值至20v的模拟信号。例如，若vdd=+5v，vss=0，vee=-13.5v，则05v的数字信号可控制-13.54.5v的模拟信号。这些开关电路在整个v

13、dd-vss和vdd-vee电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当inh输入端=“1”时，所有的通道截止。只有当inh=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中vee可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，vee必须接负电压，其他时候可以接地。 图8 cd4051芯片引脚图 控制端输入不同的电位，对应的通道不同，从而实现八路模拟开关的功能，如图9是每个通道对应的输入状态。如图9是由电阻和芯片组成的衰减网络，左边八个电阻起到分压作用，在相同的输入电压状况下，前置电阻越大，分压越大，从而衰减越多，从而实现音频档位的控制。如表1，是每个档位

14、对应的音量大小。 图9 cd4051控制端输入状态对应的接通通道图 图10 电阻衰减网络表1 衰减网络中每个电阻对应的档位电阻对应的档位r1 390k1档 最小（无声音）r2 200k2档r3 51k3档r4 30k4档r5 10k5档r7 1k6档r8 107档r9 4.78档 最大3.3.3cd4516计数器 cd4516是一个十六进制的计数器，工作电压+5v。在本次设计中，芯片16脚vdd接+5v，8脚vss接地。由于我们只需要利用到八进制的计数器功能，所以，把计数器的2脚（q3）悬空，相当于只取后三位（八进制），如图12，按照q3q2q1q0顺序排的主循环状态图，我么不看q3，只看q2

15、q1q0，就是一个八进制的循环状态图。 图11 cd4516引脚图0000000100100011110101000101011011110111100011101001110010111010图12 cd4516主循环状态图 如图13 芯片状态图，p0、p1、p2、p3预置输入端，在pe上升沿有效。u/d加减设置端，1位加，0位减。clk时钟端，上升沿有效；rst复位端，高电平复位 ；q0、q1、q2、q3十六进制输出端；cin低端进位；cout加减到输出端。 图13 cd4516状态图3.3.4 计数脉冲 芯片cd4516是高电平触发，将按钮开关按照如图14的接法，当按下开关时候可以产生一

16、个高电平，触发计数器4516计数加1。 图 14 计数脉冲的设计3.4电源设计3.4.1功放模块电源 功放使用/，220v降压滤波，不稳压。原理图如图15。 图15 功放模块电源原理图 理论上，整流桥出来的负载电压vl应满足15v以上，才能保证芯片正常工作。故变压器变压后的有效电压应该是： 直流电流为 输出功率：整流桥中四个二极管，两两轮流导通，所以流经每个二极管的平均电流是 整流桥内的二极管承受的最大反向电压为： 但是，实际上，经过电容滤波电路后， 所以，负载上的电压 负载上的电流 负载上的功率： 整流桥上的二极管的平均电流是： 整流桥内的二极管承受的最大反向电压为： 整流桥的内部二极管的击

17、穿电压要高于17.67v，最好是20v以上，比如in4007和in4001。 在滤波电容的选择上，我们选择一个较大的2200uf的电解电容和一个0.1uf的104瓷片电容，可以分别滤掉不同频率的交流信号。 考虑到功率要足够，实际生活中，变压器输出电压都比额定输出电压高一点，tda2030用的是双电源ocl供电。所以我们选择的变压器是双12v40w的变压器。 3.4.2数控模块的电源设计 音量调节采用5v直流稳压电源，用三端稳压集成块7805。7805的稳压集成块的极限输入电压是36v，最低输入电压为输出电压的3-4v以上。引脚如图16，1脚输入，2脚接地，3脚输出。在电路中的放置如图17，由于

18、稳压芯片远离整流桥的滤波电容，所以为了避免会有交流电出现，加上两个电容c1和c9，去除交流成分。c10和c11是为了防止电路的瞬态响应，改善电路的稳定性。led灯显示稳压芯片是否开始工作。 图16 7805稳压芯片引脚图 图17 数控模块的电源设计3.5散热设计 tda功放芯片工作时候会产生大量的热量，所以必须得安装散热片，本设计中是利用散热效果较好的铝合金散热片，7.5*2*4.5cm的规格。由于数控模块电路功率不大，7805稳压芯片工作时候不会产生太大的热量，可以考虑不安装散热片，鉴于安全性，本设计安装了一个小型的散热片。3.6总方案 综合以上的分析论证，最终得出原理图如图18。 图18整

19、个电路的设计4 电路的制作和焊接4.1 pcb的制作4.1.1 pcb设计要点 1、数控音量调节电路部分和集成功放部分要求分别做到2块独立的pcb板（大小为10cm10cm）上，注意留出它们之间的连接头。 2、变压器的封装是大3p插头。 3、集成功放部分请注意： 散热问题设计，pcb注意留出散热片安装位置； tda2030的反面是和负电压连通的，可以不加绝缘片，但要注意不要碰到了“地”。 此部分电流较大，请适当加粗铜线； 喇叭输出、音频信号输入、变压器电源输入不要靠得太近。 4、为了制作和焊接时候方便，一般要求焊盘直径2.5mm，铜线1.5mm。（能大就尽量大，以免断线打飞）直径可以3mm 5

20、、制作pcb时请注意元件封装要跟实际元器件相符合。 6、接口安排如图19。 图19整个电路的接口安排4.1.2 pcb图 如图20，功放模块pcb图，上面空出来一个散热片的位置，四角的焊盘位置是预留打孔，用来给固定螺丝用的，可调电位器位于左下角，旋钮开关避开其他元器件，处在电路板的外围；变压器位于右下角，由于要拔插频繁，所以在这里可以避免拔插时候造成对其他元器件的损坏，还可以避免高电流电压对其他电路的干扰。tda2030在上方正中，方便安装散热器。其它元器件酌情安排。尽量让地线，和电流较大的线路宽一点。 图20 功放模块的pcb图 如图21，数控模块的pcb图，稳压芯片7805放在了右上角，按

21、钮开关放在了下方的正中间，方便按下。 图21 数控模块的pcb图4.2 调试1、 对照原理图，检查各个元器件的引脚是否接对了，不对的修改好。2、 测量变压器输出电压是否低于14v，高于14v会造成2030工作状态不稳定。3、通电时，用手摸住tda2030，观察tda2030，如芯片迅速发烫则立即关断电源，排除故障。4、功放模块不发烫状况下，测量整流桥出来的正负电压是否正常，偏低或偏高都要断电检查，到底是变压器不合格还是电路的问题。5、连接音箱前先测量下tda2030输出端的直流电压，正常应该很小（接近0）；如直流电压输出很大则不要接入音箱，排除故障后才能接。为了以防万一，我们可以在音箱的线路上

22、串联一个大电容，把直流成分滤掉。6、正负电源千万不能接反；7、tda2030芯片引脚很容易断，安装时请注意。8、功放模块正常工作后，拔掉数控模块的4516和4051芯片，给数控模块供电，通电时候用手摸住7805，如果快速发烫，马上断电排除故障。9、故障排除后，用万用表测量7805输出电压是否是5v，或者接近5v。测量4516和4051芯片的16脚和8脚，看电压是否是5v。如果不是，检查电路，排除故障。5数据处理与记录负载电阻为8.2。将数控音量调节调到最大输入的情况。1测量输出电压放大倍数au。 测试条件：调节输入信号1kh，幅度最大不失真输出，记录录输入电压、输出电压，填入表2，计算放大倍数

23、。 公式：放大倍数au=vom / |vi| 电压增益av=20lg|au|db 表2 测量输出电压倍数 输入电压vi-0.16v输出电压vom8.98v放大倍数au44.9电压增益av33db 把测量值经过计算得出，电压增益av为33db，基本达到预期，满足实验要求，数据属于正常。2测量上、下限频率fh和fl。 测试条件：步骤1：输入信号幅度不变，加大输入信号频率，当输出信号下降到步骤1输出电压的0.707时，此时的频率即为上限频率fh；减小输入信号频率，当输出信号下降到步骤1输出电压的0.707时，此时的频率即为下限频率fh。并将数据填入表3。公式：通频带bw=fh-fl表3 测量上、下限

24、频率改变频率前输出电压增大频率后输出电压上限频率fh减小频率后输出电压下限频率fh1.426v1v240khz1v28hz 经过测量，通频带为28hz240khz，下限频率稍微比要求的高一点点，可以忽略不计，基本满足任务要求。 本报告中，凡是红色字体都是测量得出的数据。3效率测试 测量tda2030直流电源电压？计算效率。并将数据填入表4。 表4 效率测试电源正电压电源负电压平均电压16.86v-17.32v17v计算：要求输出到8.2电阻负载上的功率por10w，测量得电源电压为17v。 计算效率为 满足任务要求的55%。 6 心得体会 本次课程设计过程前期比较轻松，后期做pcb图时候出现不少问题，不合理的安排极容易产生飞线。功放模块中芯片2030，我们给它1脚接一个接地电阻，防止开路时候引入感应噪声。4脚接个电阻和电容组成退耦电路，可以有效避免高频自激。 在把整流桥接入电路时候，需要用万用表测量，确定后正负后才能接入电路，不能只看元器件上标志的“+”号，不少“+”都是标歪掉的，很难区分。 变压器电压不能超过14v，否则，经过整流后，电压会增加到2030不能正常工作的地步。 变压器到整流桥的电路要原理功放部分，因为