机电一体化毕业设计（论文）数字式音响控制器的原理及设计

1、 上饶职业技术学院毕 业 论 文题目：【数字式音响控制器的原理及设计】姓名：饶学号：学院：上饶职业技术学院专业：机电一体化指导老师： 2011 年 12 月 15 日 引言 本设计的基本思路是分两个系统一通道选择系统和音量控制系统进行设计，然后进行整合。这样分系统的设计，大大降低了设计复杂度，各系统的设计和修改只影响系统本身，而不会影响其他系统，这样就使电路有了局部性。系统的原理框图如图1所示。 系统的设计没有考虑输入设备，输入的音频信号不予以考虑，默认是优良的音频信号；在这里将输入的8个音频输入进行选择以达到8种音效，我们通过一级放大电路将选择的音频送入到音量控制系统，这之间的传输采用的是直

2、接耦合，直接连接到了音量控制电路的输入端，之后进行音量的自由选择，这样就实现了音效和音量的控制。1 通道选择系统11 系统实现功能1)对8个通道实行选择；2)通道选择用按键实现，按一次，通道选择加1，加至第8通道，再按回到第1通道；3)持续按下按键，每200ms转下一个通道；4)一位led实现通道选择的显示。12 电路总体框图13 系统工作原理 通道选择系统由计数脉冲发生器、二进制计数器、数据分配器等部分组成。原理图见附录图示。其工作原理如下：555及其外围电路组成计数脉冲发生器，当电路接通电源后，它将输出一连串周期约为200ms的脉冲信号，通过按钮a1将脉冲信号送入加法计数器74ls161作

3、为计数脉冲；计数器输出送入作为数据分配器使用的74ls138，通过数字输出控制“电子开关”，对与“电子开关”相连接的各个通道进行选择输出；同时计数器输出到译码显示电路，进行通道选择的数字显示。按下a1，工作加法计数状态，计数器输出按bcd码依次变为高电平，数据分配器按照计数器送入的bcd码分配相应的数据，控制相应“电子开关”对通道进行选择，进而实现对通道的数字控制选择；同时led数码管显示所选通道。(例如：按下a1持续450ms，计数器记录为2，相应bcd码为010，送入数据分配器，则要分配控制第2通道开启，选择第2通道的音频输入；led数码管显示为2)14 各部分电路原理 (1)计数器电路。

4、74ls161是四位同步加法计数器，当时钟脉冲信号施加于cp端时，进行加法计数开始计数。co是进位信号输出端，可供级联使用；pe控制p0p3并行数据输入，q0q3是计数器状态输出端。 (2)通道选择电路。74ls138是3-8译码器和分配器，当e3=1，且e1=e2=0时分配器工作，a0a3是输出控制端，y0y7是输出端。“电子开关”采用两支npn和pnp三极管和前置运放构成，由y0y7经过反相器74ls04后控制，开关输出通过控制各通道经过的运算放大电路，进行选择，如图3所示。 (3)译码显示电路。74ls248是bcd一七段译码器，适用于共阴极管子；oc输出、有2k上拉电阻、1电平驱动，a

5、d是输入端，ag是译码输出端。与共阴极数码管接线如图4所示。 (3)译码显示电路。74ls248是bcd一七段译码器，适用于共阴极管子；oc输出、有2k上拉电阻、1电平驱动，ad是输入端，ag是译码输出端。与共阴极数码管接线如图4所示。 (4)脉冲产生电路。555时基电路，又称为555集成定时器，是一种将模拟功能和逻辑功能巧妙地集成在同一硅片上的新颖线性集成电路，一般采用陶瓷双列直插封装形式。在图6所示的电路中，产生计数脉冲的555时基电路工作于无稳态(自激多谐振荡)状态，其输出脉冲信号周期为：t=(r1+2r2)c2in2，频率为其倒数。由此可见，要改变计数脉冲的频率可以通过改变r1、r2和

6、c2的值来实现。 在调试本电路时，一般在按下按钮a1，通道变换一次的时间可适当改变r1、r2或c2取值来选取。本次采用200ms为周期，可相应调整。(如r1=280k，r2=20k，c2=1f)振荡电路构成如图5所示。2 音量控制系统21 实现功能 1)用两个按键控制音量，一个用于增加音量，一个用于减小音量；2)音量控制分为8档，每按键一下，增加或减小一档；3)当音量增加(减小)到最大(最小)时，继续按音量增减开关无效，即音量被保持，不再继续增(减)；4)持续按下按键，每200ms音量变化一档；5)用一位led数码管显示音量的大小。22 电路总体原理框图23 电路工作原理音量控制系统由计数脉冲

7、发生器、双向移位寄存器、编码器、可变音频衰减器和电流-电压转换器等部分组成(见图6)。其工作原理如下：555及其外围电路组成计数脉冲发生器(图5)，当电路接通电源后，它将输出一连串周期约为200ms的脉冲信号，送入寄存器clk端，作为移位脉冲。两片74ls194串接成8位双向移位寄存器，通过74hc148对寄存器输出进行8-3优先编码，编码后的输出分别送入七段译码器74ls248和da转换器dac0832。按下a1，工作在加计数状态，寄存器编码后各位输出依次变为高电位，即dac0832输入的数字量依次增大，从而使dac0832对输入音频信号的衰减减小，达到增大输出音量的目的，同时led数码管显

8、示音量，松开按钮a1后，移位寄存器停止工作，原来的计数状态被锁定，输出音量保持不变。按下a2，工作在减计数状态，工作原理与加计数状态相反。dac0832及其外围元件组成可变音频衰减器，其工作原理详见dac0832的工作原理。由于dac0832的模拟输出量为电流信号，因此电路中接一运算放大器lm081作为电流，电压转换器，将输出的模拟电流信号变换为电压信号输出。24 各部分电路原理 (1)双向移位寄存电路。74ls194是4位双向移位寄存器，当脉冲加到clk端时，进行移位操作，dsr和dsl分别为右移和左移串行数码输入端，q0q7并行数码输出端，s0右移状态，s1左移状态控制端。级联电路如图7所

9、示。(例如：按下a1寄存电路实现串行右移，按下a2时进行串行左移) (2)音量控制电路。da芯片的功能是将输入的数字量转换成与其成比例的模拟量，输出模拟量的大小随输入数字量的不同而变化。 dac0832是用cmos工艺集成的8位数据输入da芯片，具有20个引脚，其引脚排列如图11所示，其输出模拟量可有28=256个不同的等级。 dac0832输出与输入的数字关系可以用下式表示： 式中，d0d7是输入的二进制数据“1”或“0”，vref为参考电压，rref、r0为参考电阻。从上式可见，输出电压vout随d0d7取值不同成比例变化。如果用模拟输入信号vi取代参考电压vref，则可建立输出电压vou

10、t与模拟输入信号vi的比例关系，且该比例受控于数字量d0d7，受控等级达256级，这就是后面介绍的数字式音量控制电路的依据。此处只要求8档，所以只输入d10d12。电路连接如图8。 (3)编码电路。74hc148是8-3优先编码器，当e1=0时编码器工作，07是数码输入端，a1a2是编码输出端，引脚，真值表，如图9所示。 (4)译码及显示电路。该电路可参照通道数字选择系统中的译码及显示电路(如图4)。3 总结 数字式音响控制器完全是基于数字、模拟电子技术的基本知识设计的，主要采用了组合逻辑电路和时序逻辑电路，采用的元器件也都是平常时常接触的集成电路。这次设计中主要选用的都是ttl电路，虽然其功

11、耗大，兼容性不稳定，但是应用是十分广泛的。经过电路仿真和实物测试，此音响控制器可以广泛应用于数字音响设备中。 数字式音箱通常指一种内装数字分频网络和功率放大器的音箱。数字式音箱输入的信号为数字比特流，在用数字信号处理的方法将音频频谱分割后，便分别将这些信号变换为模拟信号，然后再由各自的功率放大器放大后再去推动音箱中的相应发音单元。 首先来说一下ux-wd700的功能，它可以播放的盘片类型相当多，dvd、vcd、cd、cd-rw、md这些盘片它都可以读取，还可以播放传统的磁带和接收广播，而且它还可以在其中的一部分盘片介质上写入要录制的歌曲。比如它有两个md插入口，你可以将自己喜欢的碟片放在左边，

12、然后把一张空白的放在右边，按下录制键，ux-wd700会帮你进行转录，也就是我们通常说的翻录一张。如果你觉得以前翻录的时候时间很长，那么ux-wd700为你考虑的很周到，它可以帮你进行2倍速度的翻录，时间缩短一半，很不错的功能吧。在你选择从cd盘片录制歌曲到md碟片上时，ux-wd700更能提供惊人的5倍速翻录功能，使您的等待时间大大减短。具体的说这个机器就是个翻录专家，它可以在各个不同的介质之间进行转录，从这张图片介绍上我们就能看得明明白白。数字音响系统与模拟音响设备的差别有哪些 激光唱片唱机和数字磁带录音机都属于数字音响设备，它们与密纹唱片和传统的磁带录音机模拟音响设备相比，有着很大的差异

13、，其基本的不同点是： 数字音响设备每秒所传送的码数（码率）很高，因而所需要的带宽很大，至少为模拟音响设备的50倍以上。 数字音响设备记录的不是连续的波形，而是只有0、1二值的bit（比特）。 例如，模拟磁带录音机记录的是声音的原来连续的信号，因此在录放过程中所受到诸如磁带噪声等的影响，要叠加在声音原信号上使音质变差。尽管可用降噪系统或高级磁带等减小噪声的影响，但无法从根本上加以消除。数字录音机对上述这种磁带噪声的影响能完全予以消除。而且，由于数字录音机是以比特形式记录和传送的，故一路信息可以很方便地分割成几路磁迹记录，也可以将几路信息通过时分复用方法重叠在一个磁迹中记录。由于数字音响设备记录的

14、只有0、1二值，故没有线性的要求。在模拟式录音机中，为减小失真，对磁头工作的线性状态提出很高的要求，而在数字录音机中，磁头只工作在磁饱和和无磁两种状态，用1和0二值表示，对线性没有要求。研究数字技术 对城市功能和形态的影响,意在预测数字技术 时代的城市空间演变趋向,对城市规划与设计具有指导价值.运用综合分析与逻辑推理的方法,探讨了基于数字技术 的城市空间理论以及城市空间的网络复合性演变.数字技术 衍生的虚拟空间使城市空间的可达性最大化,通过节省时间、成本并提高效率的方式拓展物质空间,城市区位取决于数字区位与地理区位的综合作用xp4是一款整合本公司经典的音箱处理器和有源音箱功率放大技术，为系统后

15、级的x4a 音箱提供可经调教的音频信号和功率持久的直流电源支持的复合设备。在专业音响设备中,房间频率均衡处理并不是通过听音,而是需要使用专用的频谱分析装置进行调节。房间的频率均衡处理不当,放音效果将有可能出现一些奇怪的问题,如产生某种特殊的谐振音。因此,许多设备生产厂家纷纷推出了可以进行实时频谱分析的自动房间均衡器,使普通的音响师也能方便地使用此类设备。音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的cd、dat、md、dvd等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却长期在数字化的大门外徘徊。人们对音

16、响重放高保真度的追求是永无止境的，而模拟功率放大器经过了几十年发展，在技术上已经相当成熟，可以说已难于有新的突破。随着生活水平的提高，环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，人们再一次把目光投向数字功放。其实早在20世纪60年代末期就有人着手数字放大器的研究，为什么在这数十年以来的音响发展历程，一直不见其产品面市？究其原因，是在数字音频放大器的设计与制作过程中，最大的难题就是高速转换控制系统。因为其需要极高的精确度，但在如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应，以及如何避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破，故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前，举步维艰。

17、如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日渐突显，新品不断推出，也越来越受到人们的关注了。低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。工作在开关状态下的d类功率放大器却很容易实现，大功率，高效率，低失真。传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。功率输出受到限制。此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点:1.电路复杂，成

18、本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路，体积较大，电路复杂。2.效率低，输出功率不可能做的很大。d类开关音频功率放大器的工作基于pwm模式:将音频信号与采样频率比较，经自然采样，得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的pwm波，然后经过驱动电路，加到功率mos的栅极，控制功率器件的开关，实现放大，将放大的pwm送入滤波器，则还原为音频信号。d类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小，产生热量少，可以大大减小散热器的尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦。功率mos有自保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线性失

19、真。对于高电感的扬声器，在设计电路时，是可以省去低通滤波器lpf)，这样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度，这一点，在国外的svd类功率放大器中已经开始运用，如:texas公司的tpa2002d2。近年来，国外的公司对d类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用pwm方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，d类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。2 音响的基础知识2.1 声音的基本特性音量:它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大

20、小是人耳听音的主观感觉。音调:是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对应人耳的听觉范围:20hz20khz称之为可听声，低于20hz称为次声，高于20khz称为超声，人耳对3k4k的声音最敏感。音色:又叫音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。2.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号放大到0.5-1v，进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器，承担放大任务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬

21、声器发声。有电压放大，电流放大，要求是宏亮而不失真。2.3 放大器的技术指标1.额定功率:音响放大器输出失真度小于某一数值(r1%)的最大功率称为额定功率，表达式；p= u/r, u为负载两端的最大不失真电压，r为额定负载阻抗。测量条件如下:信号发生器输出频率为1kh，电压u=20mv正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻凡(代替扬声器)，输入端接u，逐渐增大输入电压u，直到u的波形刚好不出现谐波失真(r 60 db和thd 0.01%的高保真音质。但反馈使得放大器的设计变得复杂，因为必须满足环路的稳定性(对于高阶设计是一种很复杂的考虑)。连续时间模拟反馈对于捕获有关脉冲时序误差的重要信息

22、也是必需的，因此控制环路必须包括模拟电路以处理反馈信号。在集成电路放大器实现中，这会增加管芯成本。为了将ic成本减至最低，一些制造商喜欢不使用或使用最少的模拟电路部分。有些产品用一个数字开环调制器和一个模数转换器来检测电源变化，并且用调整调制器进行补偿。这样可以改善psr，但不会解决任何失真问题。其它的数字调制器试图对预期的输出级时序误差进行预补偿，或对非理想的调制器进行校正。这样至少会处理一部分失真源，但不是全部。对于音质要求宽松的应用，可通过这些开环d类放大器进行处理，但对于最佳音质，有些形式的反馈似乎是必需的。5.2.4 emi处理d类放大器输出的高频分量值得认真考虑。如果不正确理解和处

23、理，这些分量会产生大量emi并且干扰其它设备的工作。两种emi需要考虑：辐射到空间的信号和通过扬声器及电源线传导的信号。d类放大器调制方案决定传导emi和辐射emi分量的基线谱。但是，可以使用一些板级的设计方法减少d类放大器发射的emi，而不管其基线谱如何。一条有用的原则是将承载高频电流的环路面积减至最小，因为与emi相关的强度与环路面积及环路与其它电路的接近程度有关。例如，整个lc滤波器(包括扬声器接线)的布局应尽可能地紧密，并且保持靠近放大器。电流驱动和回路印制线应当集中在一起以将环路面积减至最小(扬声器使用双绞线对接线很有帮助)。另一个要注意的地方是当输出级晶体管栅极电容开关时会产生大的

24、瞬态电荷。通常这个电荷来自储能电容，从而形成一个包含两个电容的电流环路。通过将环路面积减至最小可降低环路中瞬态的emi影响，意味着储能电容应尽可能靠近晶体管对它充电。有时，插入与放大器电源串联的rf厄流线圈很有帮助。正确布置它们可将高频瞬态电流限制在靠近放大器的本地环路内，而不会沿电源线长距离传导。如果栅极驱动非重叠时间非常长，扬声器或lc滤波器的感应电流会正向偏置输出级晶体管端的寄生二极管。当非重叠时间结束时，二极管偏置从正向变为反向。在二极管完全断开之前，会出现大的反向恢复电流尖峰，从而产生麻烦的emi源。通过保持非重叠时间非常短(还建议将音频失真减至最小)使emi减至最小。如果反向恢复方

25、案仍不可接受，可使用肖特基(schottky)二极管与该晶体管的寄生二极管并联，以转移电流并且防止寄生二极管一直导通。这很有帮助，因为schottky二极管的金属半导体结本质上不受反向恢复效应的影响。具有环形电感器磁芯的lc滤波器可将放大器电流导致的杂散现场输电线影响减至最小。在成本和emi性能之间的一种好的折衷方法是通过屏蔽减小来自低成本鼓形磁芯的辐射。5.2.5 lc滤波器设计为了节省成本和pcb面积，大多数d类放大器的lc滤波器采用二阶低通设计。下图示出一个差分式二阶lc滤波器。扬声器用于减弱电路的固有谐振。尽管扬声器阻抗有时近似于简单的电阻，但实际阻抗比较复杂并且可能包括显著的无功分量

26、。要获得最佳滤波器设计效果，设计工程师应当总是争取使用精确的扬声器模型。图5-5 差分开关输出级和lc低通滤波器常见的滤波器设计选择目的是为了在所需要的最高音频频率条件下将滤波器响应下降减至最小以获得最低带宽。如果对于高达20 khz频率，要求下降小于1 db，则要求典型的滤波器具有40 khz巴特沃斯(butterworth)响应(以达到最大平坦通带)。对于常见的扬声器阻抗以及标准的l值和c值，表5-1给出了标称元器件值及其相应的近似butterworth响应。表5-1 标称元器件值如果设计不包括扬声器反馈，扬声器thd会对lc滤波器元器件的线性度敏感。电感器设计考虑因素：设计或选择电感器的

27、重要因素包括磁芯的额定电流和形状，以及绕线电阻。额定电流：选用磁芯的额定电流应当大于期望的放大器的最高电流。原因是如果电流超过额定电流阈值并且电流密度太高，许多电感器磁芯会发生磁性饱和，导致电感急剧减小，这是我们所不期望的。通过在磁芯周围绕线而形成电感。如果绕线匝数很多，与总绕线长度相关的电阻很重要。由于该电阻串联于半桥和扬声器之间，因而会消耗一些输出功率。如果电阻太高，应当使用较粗的绕线或选用要求绕线匝数较少的其它金属材质的磁芯，用以提供需要的电感。最后，不要忘记所使用的电感器的形状也会影响emi，正如上面所提到的。5.2.6系统成本d类放大器的有源器件是开关输出级和调制器。构成该电路的成本

28、大致与模拟线性放大器相同。真正需要考虑的折衷是系统的其它元器件。d类放大器的低功耗节省了散热装置的成本(以及pcb面积)，例如，散热片或风扇。d类集成电路放大器可采用比模拟线性放大器尺寸小和成本低的封装。当驱动数字音频源时，模拟线性放大器需要数模转换器(dac)将音频信号转换为模拟信号。对于处理模拟输入的d类放大器也需如此转换，但对于数字输入的d类放大器有效地集成了dac功能。另一方面，d类放大器的主要成本缺点是lc滤波器。lc滤波器的元器件，尤其是电感器，占用pcb面积并且增加成本。在大功率放大器中，d类放大器的总体系统成本仍具有竞争力，因为在散热装置节省的大量成本可以抵消lc滤波器的成本。但是在低成本、低功耗应用中，电感器的成本很高。在极个别情况下，例如，用于蜂窝电话的低成本放大器，放大器ic的成本可能比lc滤波器的总成本还要低。即使是忽略成本方面的考虑，lc滤波器占用的pcb面积也是小型应用中的一个问题。5.2.7 散热注意事项d类放大器相比ab类放大器具有更高的效率和更好