885191290电子琴功放电路设计（含PCB图）

1、 目目 录录摘 要1英文摘要2引 言31 电路功能实现要求32 方案设计 32. 1 整体框图32. 2 61 键电子琴介绍43 硬件电路设计 43. 1 数字音乐信号处理43. 2 音频 da 转换电路设计 63. 2.1 单元电路 da 转换63. 2.2 单元电路音频运放83. 3 功率放大电路93. 3.1 d 类音频功率放大器工作原理93. 3.2 单元电路设计103. 3.3 d 类音频功放电路图144 电子琴功放总电路图165 5 总结与谢辞 176 参考文献18附件 1 da 转换 pcb 图19- 1 -电子琴功放电路设计电子琴功放电路设计信息工程学院应用电子专业信息工程学院

2、应用电子专业摘要摘要: : 电子琴主要原理是应用数字频率合成技术，形成键控数字信号发出乐音，用蜂鸣器制作的电子琴声音效果不好，本文通过电子琴音频功率放大器电路设计,以pcm1754 芯片,d 类音频功率放大器为基础的设计方案。本文主要以模拟电路为主，由数字信号放大电路，da 转换电路，音频功率放大电路等组成。da 转换电路主要是通过pcm1754 对电子琴输出的信号进行数模转换；音频功率放大电路是对转换好的模拟信号进行功率放大，通过扬声器发出优美的声音。关键词关键词: : 电子琴 pcm1754 da 转换 d 音频功放- 2 -flower power amplifier circuit d

3、esign(information engineering college of applied electronic technology )abstract: the main organ is the application of the principle of digital frequency synthesis technology to create music keying digital signal sent by buzzer sound effects produced by electric piano well, this paper flower audio p

4、ower amplifier circuit design, in order to pcm1754 chip, d audio power amplifier based on design. in this paper, mainly to analog circuits, digital signal amplification circuit, da conversion circuit, audio power amplifier circuit and so on. da conversion circuit of the main organ through the pcm175

5、4 output signal digital-analog conversion; audio power amplifier circuit is a good analog signal conversion for power amplifier, through the voice of the beautiful loudspeakers.keyword: flower pcm1754 da conversion audio amplifier- 3 -引言引言近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器

6、所不能比拟的。自从八十年代电子琴进入我国以来，电子琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱者、专业音乐工作者，音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。不过，对于一些用蜂鸣图器制作的简易电子琴来讲，声音效果就不怎么理想了。可能会有噪声严重，音质差等问题。因此，我们需要通过电路设计来改变电子琴的音响效果。1 1 电路功能实现电路功能实现要求要求1.1 数字音乐信号处理。1.2 单频率数字音乐信号转换成单频率模拟音乐信号。1.3 对模拟音乐信号进行功率放大，音亮大小要求从0调至50w，声音没有失真具有良好的音质。2 2 方案设计方案设计从 61 键电子

7、琴 m1000 获取数字音乐信号,通过对数字音乐信号进行小信号放大,然后通过音频 da 转换器 pcm1754 将数字音频信号转换成左右双声道模拟信号输出，然后进行音频信号放大,最后通过 50w 音频功率放大器实现声音的播放。2.12.1 整体框图整体框图hpl-outhpr-outoutroutlsclkbclkwsadbdlcd 显示io portm1000键盘扫描口键盘da 转换电路amplifterhpamplifter - 4 -2.22.2 6161 键电子琴介绍键电子琴介绍61 标准钢琴键 图 2-1 为电子琴样式20 种音色20 种节奏8 种打击乐亲声升调降调功能(6 级)和弦

8、自动低音和弦单指多指和弦及同步功能颤音延音插进低音效果led 数码显示相应数字节奏编程录音放音电脑内存 8 首示范歌曲16 级音量控制32 级节拍控制大规模集成电路外接话筒ac 电源双喇叭立体声输出规格：935 x355 x125mm重量：5.0kgs琴键：61 键音域：c2 一 c7输出功率：4w额定电压：9v 一 12v可录音，自动打击乐电源 1 号电池 6 只（1.5v）或外接插座3 3 硬件电路设计硬件电路设计3.13.1 数字音乐信号处理数字音乐信号处理数字音乐信号的处理有 m1000 芯片来完成。m1000 是美得理微电子为了迎合市场对低价位音源产品需要，定义的一款内含 16位 m

9、cu 和音色合成处理器(dmsp)的通用数码 midi 音源芯片。能同时产生 32 个复音数。内建 gm 标准 128 个音色，47 个打击乐音色。具有功能全、成本低、音质好等特点。可解决各类通用数码 midi 音源类应用（如电子乐器、midi 伴奏） m1000 内建 3kwords 的 sram 和 8mbits 的 mask rom。能够响应标准的 midi in。具有良好的音质。内部 8mbits mask rom 可2-1：61 键电子琴- 5 -根据用户产品需求重新定制进行 mask。 m1000 音色优美而价格实在，极具性价比，远超出目前一般中低端解决方案的音质效果。图 3-1

10、为 m1000 管脚分布图。br 05m k05br 04m k04t3t2t1t0br 03m k03br 02m k02br 01m k01br 00m k00bg07bg06bg05bg04bg03bg02mk06br06mk07br07t4t5t6mk08br08mk09br09mk10br10midiinmidiout/r ese tm clkbc lksdoutlr clkan2an0bg01bg00p00p01p02p03p04p05p06p07p08p09p10p11p12p13vccbg021bg032bg043bg054bg065bg076gnd7vc38m k009br

11、0010m k0111br 0112m k0213br 0214m k0315br 0316t017t118t219t320m k0421br 0422m k0523br 0524mk0625br0626mk0727br0728t429t530t631t732mk0833br0834mk0935br0936mk1037br1038m-in39m-out40/r ese t41m clk42bc lk43lr clk45an246an047vc348gnd49p0.1350p0.1251p0.1152p0.1053p0.954p0.855p0.756p0.657p0.558p0.459p0.36

12、0p0.261p0.162p0.063bg0064bg0165sdout44ic1m 1000t7 3-1：m1000 管脚分布- 6 -3.23.2音频音频 dada 转换电路设计转换电路设计bc k1dat a2lr ck3dgnd4nc5vcc6voutl7voutr8agnd9vcom10ze roa11te st12dem p13m ut e14fm t15sc k16ic8pc m1754r38100r39100r40100r41100bc lksdoutlr clkc2104c147ufc57122c6410uf+5vaout1ain-2ain+3v-4bin+5bin-6bou

13、t7v+8ic9njm4580c5610ufr4382kr46100kr4282kr445.1kr455.1kr47100kc58122c624.7ufc60121c614.7ufc59121c6310ufroutloutm clk+5v 3-1：da 转换电路m1000 芯片出来的音乐数字信号，从 2 号管脚 data 进入 pcm1754，经过芯片内部处理，将数字音频信号转换为左右双声道模拟信号从 7 号管脚 voutl 和 8 号管脚 voutr输出。转换为模拟信号后通过 njm4580 运放进行信号放大，从 1 号管脚 aout 和 2 号管脚 bout 输出，进入下一单元电路的音频功

14、率放大器便可发出声音。3.2.13.2.1 单元电路单元电路 dada 转换转换音频 da 转换器 pcm1754 的主要功能是将数字音频信号转换成左右双声道模拟信号输出，然后进行音频信号放大。pcm1754 是 cmos 立体声集成电路。它采用 ti 公司的增强型多级- 结构和噪声整形技术，执着 1624 位的工业标准音频数据以及三线串行控制端口操作，最高采样率可达 100khz。pcm 是用于将一个模拟信号（如话音）嫁接到一个 64kbps 的数字位流上，以便于传输。pcm 将连续的模拟信号变换成离散的数字信号，在数字音响中普遍采用的是脉冲编码研制方式，即所谓的 pcm（pulse cod

15、e modulation）。- 7 -pcm 编码是 pulse code modulation 的缩写，又叫脉冲编码调制，它是数字通信的编码方式之一，其编码主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。pcm 编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。pcm 方式是由取样，量化和编码三个基本环节完成的。音频信号经低通滤波器带限滤波后，由取样，量化，编码三个环节完成 pcm 调制，实现 a/d 变化，形成的 pcm 数字信号再经纠错编码和调制后，录制在记录媒介上。数字音响的记录媒

16、介有激光唱片和盒式磁带等。放音时，从记录媒介上取出的数字信号经解调，纠错等处理后，恢复为 pcm 数字信号，由 d/a 变换器和低通滤波器还原成模拟音频信号。高分辨率音频 dac 大都采用多级幅度量化高阶 - 调制器结构。这样，在实际应用中可以提高音频动态范围，减小对时钟抖动的敏感度，降低由此引发的失真；内置过采样的数字滤波器具有 2 种可供选择的滚降特性： 慢滚降和陡滚降。对于pcm1748， 其内部是采用 8 级幅度量化和 4 级噪声整形技术。8 级调制器结构具有更高的稳定性和抗抖动能力。过采样调制器和内插滤波器的采样率是 64 fs。图 3-2 是pcm1754 的内部结构图。图 3-3

17、 是 pcm1754 管脚分布图。vccagndvoutlvcomvoutrzerolzerorvdddgadsckbcklrckdata音频串行接口控制串行接口系 统 时 钟8倍过采样数据滤波器和功能控制增强型多级s-？调制器零 检 测 电 源 管 理输出运放低通滤波输出运放低通滤波dacdac系统时钟mlmcmd 图 3-2： pcm1754 结构图- 8 -bc k1dat a2lr ck3dgnd4nc5vcc6voutl7voutr8agnd9vcom10ze roa11te st12dem p13m ut e14fm t15sc k16ic8pc m 1754图 3-3：是 pcm

18、1754 管脚分布bck： 音频数据位时钟；data： 音频数据输入；lrck： 左右声道音频数据的锁存；以上 3 个引脚都是数字逻辑， 耐压能力 5v。ml： 模式控制锁存输入；mc： 模式控制数据输入；sck： 系统时钟输入；zerol、zeror： 左右声道零标志位；vdd、dgnd： 数字电源；vcc、agnd： 模拟电源；voutl、voutr： 左右声道模拟输出；vcom： 公共端。3.2.23.2.2 单元电路音频运放单元电路音频运放njm4580 新一代的低成本高性能低噪声音频运放，大量被专业音响设备大公司采用。aout1ain-2ain+3v-4bin+5bin-6bout7

19、v+8ic9njm4580njm4580 是双路运算放大器，专门设计用于提升音频控制，最适用于音响应用。该- 9 -产品具有无噪声、更高的增益带宽、高输出电流和低失真度，不仅非常适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器，还适用于工业测量工具。它也适用于更高输出电流的耳机放大器等，它可应用于通用方便型运算放大器，以及应用于适当偏置低电压源的低电压单电源型。 njm4580m 特征:工作电压 (2v 到18v) 低输入噪声电压 (一般为 0.8vrms) 宽增益带宽积 (一般为 15mhz) 低失真度 (一般为 0.0005%) 转换速率 (一般为 5v/s)3.33.3 功率放大电路功率放

20、大电路我们知道传统模拟放大器（音频）有甲类（a 类） 、乙类（b 类）和甲乙类（ab 类）等。a 类放大器通常需要偏置电压才能工作，放大输出的电压幅度不能超出偏置范围，所以能量转换效率很低，理论效率最高不超过 50%；b 类虽不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效率高达 78.5%，但实际上这种放大电路小信号时失真严重；而 ab类功放即在 b 类电路的基础上略加一点偏置，这样一来，效率也随之下降。d 类音频功率放大器与模拟功放不同，它的输出器件不作为线性元件，而是作为开关，在 d 类放大器中，晶体管等输出器件利用其高速开关特性和低的饱和压降的特点，其功耗小、效率很高，通常可达 90%以上，

21、又此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比甲乙类放大器高 4 倍功率的输出，所以 d 类是高效、节能、数字化音频功率放大器。3.3.13.3.1 d d 类音频功率放大器工作原理类音频功率放大器工作原理d 类音频功率放大器通常由 pwm 调制器、pcm-pwm 转换器、脉冲推动器/功率放大器、低通滤波器这几部分组成。- 10 -框图如下： 振荡器pwm 调制器 开关电路 滤波器 pcm 信号 输入信号 pcm-pwm 转换器 扬声器原理：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经 pwm 调制电路后变成与其幅度相对应脉宽的高频率 pwm 脉

22、冲信号（即音频 pwm 编码） ，然后经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，最后经功率低通滤波器带动扬声器。当输入音频信号为 pcm 数字信号时，该数字信号经 pcm-pwm 转换器成为 pwm 脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，然后经功率低通滤波器带动扬声器。d 类功放的特点:放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利

23、于超大功率的场合。在理想情况下，d 类功放的效率为 100%，b 类功放的效率为 78.5%，a 类功放的效率才 50%或 25%（按负载方式而定）。所以选择该类功放进行设计。3.3.2 单元电路设计单元电路设计高频率 pwm 脉冲信号的产生：它可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模数转换直接产生 pwm 数字音频：二是对其他编码的数字音频。pwm 调制器在电路中的作用是把加在它的输入端的模拟信号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。它由三角波产生器、电压比较器和驱动功率场效应管的栅极驱动电路组成。如图所示（中间部分为电压比较器） ，栅极驱动电路利用电压比较器输出的脉冲宽度调制信号形

24、成功率输出电路中各场效应晶体管的栅极驱动信号，加在功率输出电路中。- 11 -123456abcd654321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:9-may-2004 sheet of file:d:program filesdesign explorer 99 selibrarypcbconnectorsmydesign9.ddbdrawn by:200300khz20h20khzar?opamp3-4：波形比较功率输出电路通常由两只功率 mosfet 管组成，并采用双电源供电，具体详图见后面总的工作原理图，其中脉冲宽度调制器所输出的两路脉冲信号决定这两只功率m

25、osfet 管的状态，一路加在 vt1 的栅极，另一路加在 vt2 的栅极，由于两路脉冲信号的极性是相反的，当 vt1 导通时，vt2 截止，电流经低通滤波器进入负载（扬声器） ，从接地端流出来；当 vt1 截止，vt2 导通，进入负载的电流相反。为了提高输出功率和除去单电源供电时输出信号的直流成分，d 类放大器可以以btl 方式连接，使扬声器两端的直流电压为 0v。 （图中大方框为栅极驱动电路，小方框为负载）由于两路脉冲信号的 极性使相反的，当 vt1vt2 导通时，vt2vt4 截止，电流经过低通滤波器进入负载。 123456abcd654321dcbatitlenumberrevisio

26、nsizebdate:9-may-2004 sheet of file:d:program filesdesign explorer 99 selibrarypcbconnectorsmydesign9.ddbdrawn by:vt1vt3vt2vt4gnd12vgnd80v3-5：栅极驱动电路- 12 -脉冲宽度调制器和功率输出电路的增益定义为输出电压的平均值与输入模拟电压之间的比值，它等于：cpwm=2vdd/vpp.式中，vdd 是功率输出的供电电压，vpp 是三角波产生器输出的三角波的峰峰值。功率输出电路送到负载的信号是一串脉冲，脉冲的占空比和加在脉冲宽度调制器输入端的模拟信号幅度成正

27、比，但脉冲包含的基频和谐波是有害的，必须通过低通滤波器把基频和谐波信号滤除，仅留调制音频信号的部分，用以驱动扬声器。低通滤波器的截止频率决定功放频率响应的高频上限。此高频上限随着输出负载不同而改变，可选 3040khz.但是输出低通滤波器由于其电感中流过的电流很大，电感线圈的电阻和电容器的等效电阻会消耗功率，因此而降低 d 类功率放大器的效率，必须使用等效串联电阻小的电容器，通常该电路采用功率损耗较小的二阶低通 lc 滤波器，具体电路图如下：二阶低通 lc 滤波器就是用电感器 l1 和电容器 c23,c24(一个声道)组成的巴特沃斯滤波器。 （vcc 处为低通 lc 滤波器，输出是扬声器 a

28、和 b）123456abcd654321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:8-may-2004 sheet of file:d:program filesdesign explorer 99 selibrarypcbconnectorsmydesign9.ddbdrawn by:20vhl1l220vhc23470nc26470nc25470nc24470nvcc lcvcc lcab3-6：低通滤波电路 为了稳定 d 类音频功率放大器的增益并优化频率特性，d 类音频功率放大器通常设计有反馈放大器如图。反馈放大器是一个差动放大器，它把脉冲宽度调制器的 两路相位相

29、反的脉冲宽度调制信号 v+和 v-转换成单端电压信号 vf。 （图中左端为脉冲输- 13 -入，下面分别为音频信号输入和调制信号，在右端输出的 同时，一反馈信号输入经过rfb。.123456abcd654321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:9-may-2004 sheet of file:d:program filesdesign explorer 99 selibrarypcbconnectorsmydesign9.ddbdrawn by:rsqcintrfb res2pwm3-7：反馈电路3.3.3 d 类音频功放电路图类音频功放电路图成型后 50w 集

30、成 d 类音频功率放大器原理电路图如下:123456abcd654321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:7-may-2004 sheet of file:c:documents and settingsadministratormydesign1.ddbdrawn by:audio a1triangle a2osca3dist4cosc5oscb6tringle b75v516out a159va14vcc13gnd 211out b10gnd99vb12audio b8ic1 zxcd1000r11kc222ufr22100kc147pr1022kr1322

31、kr1422k231411ic2ane5532r16390c322u567411ic2bne5532r115.6kr125.6kc2222ufc21100nr15390c722ufc96.8nc547nc447nc6330pc86.8nc11100nc10 22uc13100nc1522uc12100nc1422uc16100ufvcc 12vvcc 12vport1port2- 14 -123456abcd654321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:7-may-2004 sheet of file:c:documents and settingsadmini

32、stratormydesign1.ddbdrawn by:vt1zxm64n03xvt4zxm64n03xvt3zxm64p03xvt2zxm64p03xvd1vd5vd7vd2vd8vd4vd6vd3l220uhl120uhr447kc181ufc171ufr247kr356r556c27470nvccc23470nc24470nr647kr756c191ufc201ufr947kr856c28470nc25470nc26470nvcc8portport3-8：50w 音频功放电路以上集成 d 类音频功率放大器中的 zxcd1000 配合外部的 4 只超高速 mosfet 功率管，在 35v

33、 单电源电压时，可以向4 的负载提供每声道 150w 以上的输出功率，其效率高达 90以上，且噪声小于115db,总谐波失真度低于 0.05。具体电路的参数如下：参参 数数条条 件件最小最小值值典典 型型 值值最最 大大 值值单单位位电源电压121618vvcc=12v45ma工作电流vcc=18v50ma开关频率cosc=330pf150200250khz频率允许误差cosc=330pf2.5%输入电阻1.35k1.8k2.3k偏置电压2.953.13.26v4 4 电子琴功放总电路图电子琴功放总电路图- 15 -bt?batterybt?batterybt?batterybt?batter

34、ybt?batterybt?batterybt?batterybt?batterybt?batterybt?batterybt?batterybt?batterybt?batteryc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?capc?electr o1c?electr o1c?electr o1c?electr o1ar?opampvcc+12var?opamp+12vvccvccc?electr o1vcc11621531441351261171089ic1zx

35、c d1000vccvccvccc?capc?capls?speaker116r?arespack1116r?arespack1q?m osfet nq?m osfet pd?ledd?ledd?ledd?ledbt?batterybt?batterybt?batterybt?batteryc?capc?capq?m osfet nq?m osfet pd?ledd?ledd?ledd?ledd?ledvccvccbc k1data2lr ck3dgnd4nc5vcc6voutl7voutr8agnd9vcom10zeroa11test12dem p13m ute14fm t15sc k16i

36、c8pc m1754r38100r39100r40100r41100bc lksdoutlr clkc2104c147ufc57122c6410uf+5vaout1ain-2ain+3v-4bin+5bin-6bout7v+8ic9njm4580c5610ufr4382kr46100kr4282kr445.1kr455.1kr47100kc58122c624.7ufc60121c614.7ufc59121c6310ufroutloutm clk+5vbr 05m k05br 04m k04t3t2t1t0br 03m k03br 02m k02br 01m k01br 00m k00bg07bg06bg05bg04bg03