毕业设计（论文）-音响放大器

1、 届本科生毕业论文设计档案 存档编号： 学 院音响放大器系 别： 哥们的一个论文拿来晒晒 专 业： 年 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 武汉大学珞珈学院教务处印制年 月 日摘要本毕业设计以D类功放为核心，通过设计、制作具有语音放大、电子混响、音调控制以及卡拉OK伴唱的音响放大器，了解了电子混响延时器M65831的工作原理以及相关应用，同时也通过对D类功放的设计，认识到PWM型开关功率放大器的工作原理，掌握其电路设计与主要参数的测试方法，并掌握音响放大器的设计方法与中小型电子线路系统的组装与调试技术。该系统通过对话筒输出信号进行放大，进入电子混响器延时，再与磁带放音机输出信号共同进入混合前

2、置放大器进行混合，然后通过反应式音调控制器对混合后的信号进行高音和低音的提升或是压缩制造回声效果，最后通过D类功放以获得更大的声音输出。关键词：电子混响延时器 混合前置放大器 反应式音调控制器 PWM型开关功率放大器AbstractThe graduation design of power amplifier as the core in D, through design, production with voice amplification, electronic reverberation, tone control and karaoke BanChang audio amplif

3、ier, learned about the electronic reverberation time delay is the working principle and M65831 relevant application, but also through such power amplifier for D design, realize PWM switch power amplifier, to master the working principle of the main parameters of circuit design and testing method, wh

4、ich master audio amplifier design method and small and medium-sized electronic circuit system assembly and debug technology. The system through the receiver output signal into electronic amplification, delay, again with reverb units output signal cassette tape together preamplifier mixed into the mi

5、x, then through feedback type to the mixture of tones controller for soprano and bass signal of ascension or compression manufacturing echo effect, finally through D class power amplifier to achieve even greater sound output.Keywords：Electronic reverberation time delay device The mixed preamplifier

6、Feedback type tones controller PWM switch power amplifier前言随着电子技术的开展，各类电子电路的应用领域也愈加扩大，现今社会，产品智能化、数字化、集成化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、开展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注，而声音是人们日常生活中接触的最多的现象之一。伴随着人们生活水平的日益提升，人们也在追求能够提取更加完美的音质，从某个角度上讲以往的各类音频设备似乎已经满足不了广阔消费者的追求。于是乎，一股改善音频放大器的热潮也随之而来，就功放局部而言，其种类也由当初的A类功放开展到如今的T类乃至更

7、高级更高效的功放也将随之而出现。自从1906年美国的德福雷斯创造了真空三极管，开创了揉电声技术的先河之后，各类型的音频放大器也如雨后春笋般崛起，音频放大器也在经历了电子管、晶体管、集成电路、场效应管等几个阶段之后，也迎来了属于它的新时代。在此，对于在做本毕业设计中给予帮助的老师以及同学们致以中心的感谢，由于在本设计中还存在着一些缺乏之处，希望各位专家、老师以及同学们能够加以批评指正。目录摘要前言第一章 绪论.1.1 选题的目的和意义1.2 国内外关于该论题的开展现状及意义1.3 本课题的研究内容1.3.1 主要内容1.3.2 研究方法以及技术路线第二章 音响放大器的根本组成简介2.1 音响放放

8、大器的根本组成框图2.2 语音放大器2.3 电子混响延时器2.4 混合前置放大器2.5 音调控制器2.6 功率放大器第三章 设计方案选择.3.1 设计方案探讨3.2 以PWM型开关功率放大器为主的设计方案与工作原理3.2.1 各类功率放大器的简介以及简单比拟3.2.2 D类功率放大器的优势以及应用前景.第四章 音响放大器单元电路的设计与分析4.1 语音信号提取电路原理及设计4.2 语音放大电路应用电路设计4.3 电子混响延时器应用电路设计4.4 音调控制电路与音色处理电路4.4.1 反应型音调控制器电路的特点4.4.2 反应型音调控制器第五章 系统制作5.1 制作PCB的流程图.5.2 原理图

9、的制作5.3 PCB的制作5.4 制作指导第六章 调试、仿真6.1 各局部电路仿真现象及结果6.1.1 语音放大信号处理局部6.1.2 音调控制电路信号处理局部6.15.3 功率放大器信号处理局部第七章 总结第八章 致谢第九章 附录第十章 参考文献第一章 绪论1.1 选题的目的和意义伴随着科学技术的开展，人们生活水平的不断提高，对音频功率放大器的要求越来越高。音频是多媒体中的一种重要媒体，人能够听见的音频信号的频率范围大约是60Hz20KHz，其中语音大约分布在300Hz3400Hz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。如何利用分析仪器让音频功放到达更高的要求是许多人为之努力的永恒的课题，

10、声音通过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成数字音频，音频分析就是以数字音频信号为分析对象以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取信号在时域、频域内一系列特性的过程。音响放大器是日常生活中常用的设备，其作用是将语音等经过电声转换装置得到的微弱音频信号放大后推动喇叭发声。本文所设计的一个集成化的利用直流电源供电的音响放大器可有效增强各种电子设备的轻巧性、便携性，同时其设计所依据的原理及方法对今后的数字音响的研究也有重要的指导意义。1.2 国内外关于该论题的开展现状及意义音频放大器技术的开展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国的德福雷斯创造了真空三极管，

11、开创了揉电声技术的先河；1927年贝尔实验室创造了负反应NFBNegative feedback技术后，使音响技术的开展进入了一个崭新的时代，比拟有代表性的如“威廉逊放大器，而1947年威廉逊在一篇设计Hi-FiHigh Fidelity放大器的文章中介绍了一种成功运用反应技术，成为Hi-Fi史上的一个重要里程碑。60年代由于晶体管的出现，使功率放大器步入了一个更为广阔的天地。基于晶体管放大器细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点，各种电路也相应产生，如“OTLOutput transformer less无输出放大器、“OCLOutput capaciror less放大器等

12、。直到70年代晶体管放大技术的应用已相当成熟，各种新型电路不断产生，如较成功地解决了了负反应电路的瞬态失真和高频相位反转问题的无反应放大电路，成功的将甲乙类放大器的特点结合在一起的超甲类放大电路，具有输出功率大、失真小的电流倾注式放大电路等等。从而使晶体管放大电路成为音响开展技术中的主流。在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。开展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛应用于音响电路。近几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器额定输出功率一直占据统治位置，以至于开展到如今普遍采用

13、的D类音频功率放大器。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，其工作于开关状态以及高效、节能、数字化特点渐渐进入全球音频功放研究人员的眼球。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大 HYPERLINK :/baike.baidu /view/44147.htm t _blank 功率的电子设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真 HYPERLINK :/baike.baidu /view/68529.htm t _blank 音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放

14、大器就成为其中的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/396589.htm t _blank 关键部件。随着社会的开展，人们居住条件的改善，高保真 HYPERLINK :/baike.baidu /view/68529.htm t _blank 音响设备和更高档的家庭影院逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/396589.htm t _blank 关键部件。进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的开展趋势。从作为通信

15、工具的 ，到作为娱乐设备的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1310.htm t _blank MP3播放器等，各种便携式电子设备已经和人们的生活密不可分。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6066.htm t _blank DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下， HYPERLINK :/baike.baidu /view/1325458.htm t _bl

16、ank D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。1.3 本课题的研究内容1.3.1 主要内容主攻方向及主要内容：设计一个额定输出功率为3w，负载阻抗8，失真度3%，频率响应范围在40Hz10KHz，同时要求采用DC：12v电源，满足输入灵敏度：5mV、阻抗20的音响放大器。1.3.2 研究方法以及技术路线研究方法及技术路线：本设计定于设计制作D类音响放大器，故打算采用PWM型开关功率放大器。拟定本系统由语音放大器、电子混响器、混合前置放大器、音调控制器和功率放大器等五局部组成如图2.1；其工作原理大致如下：当语音信号经话筒输出后，进入语音放大器放大并

17、传入电子混响器产生混响效果，混响后的信号连同磁带放音机产生的信号一同进入混合前置放大器，并进行放大。放大后的信号进入音调放大器，然后进入功率放大器进行功率放大，再由扬声器输出。具体的技术路线将基于D类功放的PWM模式进行语音信号放大器的设计与制作来完成第二章 音响放大器的根本组成简介2.1 音响放放大器的根本组成框图图2.1.1 音响放大器系统框图图2.1.2 音响放大器内部组成框图2.2 语音放大器由于话筒输出信号一般只有5mV左右，而输出阻抗到达20，所以话音放大器的作用是不失真的放大声音信号，其输入阻抗应该远大于话筒输出阻抗。2.3 电子混响延时器电子混响器是用电路模拟声音的屡次反射，产

18、生混响效果，使声音听起来具有一定的深度感。在卡拉OK伴唱机中都带有电子混响器，其组成框图如图2.3.1所示。其中，集成电路BBD称为模拟延时器，其内部有由场效应管构成的多级电子开关和高精度存储器。在外加时钟脉冲作用下，这些电子开关不断地接通和断开，对输入信号进行取样、保持并向后级传递，从而使BBD的级数越多，时钟脉冲的平率越高，延时时间越长。电子混响器的实验电路如图2.3.2所示，其中两级二阶低通滤波器MFBA1、A2滤去4KHz以上的高频成分，反相器A3用于隔离混响器的输出与输入级间的相互影响。RP1调节混响器的输入电压，RP2调节MN3207的平衡输出以减小失真。RP3调节始终频率，RP4

19、控制混响器的输出电压。图中MN3207和MN3102个引脚的电压如下：引脚 1 2 3 4 5 6 7 8注：实际在本设计中所运用到的是电子混响延时器集成芯片，这是因为本设计的重点放在了D类功率放大器的设计与应用上，此处对于BBD延时器知识略作表达，不纳入实际实践中。图2.3.1 电子混响器组成框图图2.3.2 BBD延时器的实验电路图2.4 混合前置放大器混合前置放大器的作用是将磁带放音机输出的音乐信号与电子混响器混向后的声音信号混合放大。其电路如图2.4所示。这是一个反相加法器电路，输出与输入电压间的关系为：，式中为话筒放大器的输出电压；为磁带放音机的输出电压。音响放大器的性能主要由音调控

20、制器与功率放大器决定，后面将陆续介绍这两种电路的工作原理及其设计方法。2.5 音调控制器表示中音频率，要求增益=0dB；表示低音频转折频率，一般为几十赫兹；等于10表示低音频区域的中音频转折点频率；表示高音频区的中音转折频率；等于10表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。图2.5 音调控制曲线2.6 功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载扬声器提供一定的输出功率，裆负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，功率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有OTLOutput transformer less电路和OCLOutput capaciror less电路。有集

21、成运算放大器简称运放和晶体管组成的功率放大器，也有专用集成电路功率放大器第三章 设计方案选择3.1 设计方案探讨在开始进行实践时，首先先确定整机电路的级数分配，再根据各级的功能及技术指标要求分配电压增益，然后分别计算各级电路的参数，通常从功放级开始向前逐级计算。由于本设计要求在输入信号为5mV负载为8 时得到的输出功率为3W，根据公式 得到输出电压约为=5V，以及公式得整个系统的电压放大倍数=1000，各级增益如图3.1所示：图3.1 整机增益分配3.2 以PWM型开关功率放大器为主的设计方案与工作原理3.2.1 各类功率放大器的简介以及简单比拟3.2.2 D类功率放大器的优势以及应用前景第四

22、章 音响放大器单元电路的设计与分析4.1 语音信号提取电路原理及设计及分析4.2 语音放大电路应用电路设计及分析4.3 前置放大器的设计要求及技术指标分析对前置放大器的技术要求，就是必须要和放大器的特性相适应，即对功率放大器的技术要求同时也适应前置放大器，甚至于对前置放大器还应该要高一些否那么就不能成为一个高保真的“系统，也就是说，构成高保真系统的每一个单元都必须是一个高保真单元。下面简述一些在本设计中有所考虑的指标：1失真度：包括谐波失真和互调失真，要求分别小于0.1%和0.05.2信噪比：应大于90dB。3频率响应：在20Hz20KHz 0.5dB。4移动速度：应大于5V/us。5动态范围

23、：应大于7580dB。6输入/输出信号匹配：前置放大器的输入端和输出端分别和节目源设备以及功率放大器相连。要使信号高质量传输，必须满足匹配条件，包括阻抗匹配、电平匹配、传输方式匹配等。7均衡网络要符合RIAA标准和NAB标准。8电源：高质量的电源是前置放大器性能好坏的因素之一，应包括低噪声、大容量和低内阻等条件。前置放大器的电源应与功率放大器的电源分开，单独的供电。4.4 电子混响延时器应用电路设计及分析由M65831构成的电子混响实验电路图如图4.3.1所示。电路工作原理是：输入信号通过22脚与23脚组成的低通滤波器进行滤波，控制器发出取样信号通过20脚与21脚组成的运放和内部比拟，对输入信

24、号进行采样、存储、A/D和D/A转换、延时、低通滤波后，经13脚输出延时信号。当9脚为高电平时延时时间由开关控制；当9脚为低电平时，延时时间由微机控制。10脚为低电平时，M65831芯片处于工作模式；为高电平时，芯片处于睡眠模式，仅消耗14mA的电流。图4.3.1 电子混响器实验电路图4.5 音调控制电路与音色处理电路设计及分析4.5.1 音调控制电路在高保真音响电路的前置级中往往都要参加音调控制电路，这是因为一般的语言和音乐，在重放音时所需的频率范围有所不同。语言放音的频率范围为100Hz到几KHz；交响乐放音的频率范围那么大于40Hz14KHz，这样他们对放大电路的频率响应就要求不同了。再

25、加上放音环境的差异，每个人在听觉上的习惯和爱好不同，所以在放大器中就需要参加音调控制电路，用它来接实际需要突出或减弱高音区或低音区，以期望改善听觉效果。常用的音调控制电路有两种：一种是衰减型RC音调控制电路，另一种是反应型音调控制电路。还有一种是将衰减和反应结合起来的衰减反应NF-CR型音调控制电路，可以称为是第三种音调控制电路。在本设计中采用的是反应型音调控制电路。4.5.2 反应型音调控制器电路的特点1结合反应型音调控制电路的控制特性曲线，RC型衰减型音调控制电路的控制特性曲线。通过比拟可以知道，前者的转折频率点随着音调的调节而发生移动，但其控制特性曲线的斜率确保每倍频衰减6dB，并不受音

26、调调节的影响；后者的控制特性正好与前者相反，在调节音调时，其转折频率保持固定不变，但特性曲线的斜率却随之改变。2反应型音调控制电路的构成，如图4.5.2所示，该电路是一个电压并联反应型负反应电路，放大单元可由晶体管、场效应管和集成运算放大器构成。如果用代表反应系数B= / 。当放大器的开环放大倍数很高，且满足与B的乘积远大于1是，电压并联负反应电路的闭环增益= / =1/B=/ 代表电路的开环增益。图4.5.2 电压并联负反应电路为了分析简便起见，可以按照电路的四种不同的工作特性分解成如图4.5.3所示的反应型低音提升电路。在图a中，反应回路的总阻抗有和串联而成，即= + 。输入回路的总阻抗就

27、是，所以。频率高于中音时，可认为短路即=0，= ，那么，与频率无关；当频率低于中音是，的容抗增大，增大，也随频率的降低而增高，频率每降低一半，增益那么增加一倍，形成每倍频程按6dB增大的低音提升曲线。图4.5.3 反应型低音提升电路在图b中，输入回路的总阻抗是由与并联而成的，即。反应回路的阻抗。那么电压闭环增益为。在中低音时，近似开路，此时为一恒定值。即：；频率一旦高于中音，就不能认为短路，的容抗随频率升高而减小，于是引起减小，增大。4.5.3 反应型音调控制器由图4.5.4所示，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0dB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器

28、与高通滤波器构成。如图4.5.4，由运算放大器构成的音调控制器调节方便，元器件较少，在一般收录机、音响放大器中应用较多。下面分析该电路的工作原理。设，在中、低音频区，可视为开路，作为低通滤波器；在中、高音频区，、可视为短路，作为高通滤波器。1当时，音调控制器的低频等效电路如图4.5.5所示。其中，图a为RP1的滑臂在最左端，对应于低频提升最大的情况；图b为RP1滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析说明，图a所示电路是一个一阶低通滤波器，其增益函数表达式为 式4.5.3-1式中 或者式4.5.3-2或者式4.5.3-3当时，可视为开路，运算放大器的反相输入端视为虚地，的影响可以忽略，此时

29、电压增益为式4.5.3-24当时，因为式4.5.3-5模 式4.5.3-6此时电压增益相对下降3dB。当式4.5.3-7模 式4.5.3-8此时电压增益相当于下降17dB。同理可以得出图b所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。图4.5.5 音调控制器的低频等效电路1当时，音调控制器的高频等效电路如图4.5.6所示。由于此时可将、可视为短路，与、组成星型连接，将其转换成三角形连接后的电路如图4.5.7所示，电阻的关系式为 式4.5.3-9 式4.5.3-10 式4.5.3-11取，那么上述几式可化为 式4.5.3-12图4.5.7所示的高频等效电路图如图4.5.8所示。其中，图a为

30、RP2的滑臂在最左端是，对应于高频提升最大的情况；图b为RP2的滑臂在最右端时，对应于高频衰减最大的情况。分析说明，图a所示电路为一阶有源高通滤波器，其增益函数表达式为式4.5.3-13式中 或式4.5.3-14或式4.5.3-15类同于低频等效电路的分析方式，可以等处下述各类关系式。当时，可视为开路，此时电压增益=0dB。在时，有式4.5.3-16此时电压增益相对于提升了3dB。在时，有式4.5.3-17此时电压增益相对于提升了17dB。当时，视为短路，此时电压增益为式4.5.3-18同理可以得到图b所示电路的表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。实际应用中，通常先提出对低频区处和高频区处的

31、提升量或衰减量xdB，再根据下式求转折频率或和或，即式4.5.3-19式4.5.3-20图4.5.7 音调控制器的高频等效电路第五章 系统制作5.1 制作PCB的流程图图5.1 PCB制作流程图5.2 原理图的制作下面简单介绍原理图制作的根本方法：1.翻开protel 99 SE，点击File菜单上的New命令，系统将弹出protel 99 SE建立新设计数据库的文件路径设置选项卡，然后单击Browse的按钮，输入文件名，单击OK完成操作。2.执行菜单中的File/New命令，弹出New Document对话框，选取Document图标，然后单击OK。3.设计所用到的芯片，LM324，M658

32、31，亦可从protel 99 SE Dos Schematic Libraries ddb的protel 99 Dos Schematic TTL Lib原件库中装载。4.把所有的原件调出来后在画出原理图，并把各元件进行封装。5.封装完毕后，对原理图进行电气检查，检查无误后在执行Design/Creat的命令生成网络表。6.对网络表进行检查。5.3 PCB的制作1首先执行File/New命令，建立新的设计数据库，这样可以进行PCB图的制作。2接着执行菜单中的File/New命令，弹出New Document的对话框，选取PCB，3用鼠标单击编辑区下方的标签Keep Out，然后执行菜单Pla

33、ce/Keep Out/Track画出电路板的电气边界。4在Net List File输入框中输入网络表与元件。5单击Excute按钮即可完成实现装入网络表与元件，并把各个元件的位置调整好。6设置PCB板，首先执行Design/Rules，单击Routing Layers，在执行Add命令，选择Not Used，再单击Close完成层面设计。7菜单命令Auto Route/All单击Route All程序，即可以对电路进行自动布线。8参阅附录。5.4 制作指导制作时只需按照印刷版电路板上的元件采购，并按照电路板上锁标注的位置安装，即可正常工作。按图将印刷电路板制作完成之后，即可进行元件的焊接。

34、焊接时可将零件先插上再焊接，从最小的零件开始焊接，零件尽可能贴紧电路板外表；电解电容要注意其正负极性，否那么会造成击穿，金属膜电容以及云母电容虽没有极性分别但应保持统一朝向，这样外观上看起来就会整洁整齐美观。由于电解电容在高频上表现不佳，所以采用聚丙烯电容来改善音质，也可用想进材料电容代替，耐压值越高越好。第六章 调试、仿真6.1 各局部电路调试及方法、仿真现象及其结果6.1.1 语音信号放大局部6.1.2 音调控制电路局部6.1.3 功率放大器局部看自己的结果 这里就不多赘述总结通过此次毕业设计让我学习了很多的东西，了解所学专业到底是什么，要学什么，从哪里下手等等都有了比拟明确的目标。纸上得

35、来终觉浅，得知此事要躬行，平常在课堂上对于很多的知识点不管是自觉理解得多么透彻，在实践中才更加深刻的认识到在实际生活中有些东西的用途以及意义。当然更加使得我认识到学无止境，大学四年的点点滴滴学习时刻将会是我今后学习生活的指导和方向。在设计中，我遇到不少困难，比方在我并不是非常明确自己应该如何入手去做，整个系统很模糊、思路不清晰时，多亏有指导老师的提点与教导，使我能尽快的找准方向，非常感谢。设计并不是想象中的那么简单，我也一度认为凡事事在人为对于这个毕业设计存在着轻视和大意，也有几次使得自己陷入迷茫，不过所幸实验指导老师给予我提供了帮助，同时通过自己查阅相关资料以及结合自己大学几年来的所学知识和

36、相关的一些技巧，从而使得自己继续有勇气去坚持。在设计中我学习到我们不仅要熟练掌握书本的根底知识，而且还要大量的翻阅有关的参阅资料，熟练掌握计算机操作，对于office办公软件、viso、protel99se等等的熟练使用，对各种芯片的引脚和功能也是要清楚并合理分配运用。刚开始总觉自己设计的东西让人发觉不到其整机的系统系，在写论文是也有点接不上以前的思绪，但是在遇到这些困难时我并没轻易放弃，而是去冷静地思考这些问题出现的原因，这使得我学会了耐心分析问题，并加强锻炼了自己处理问题的能力。后来在经过反复查阅资料，回归教材所学所述的知识点上，再加上对涉及具体要求进行全面仔细的分析思考，终于发现了问题的所在。当然在设计中并非只是存在着这些许的小问题，需要注意的问题也有很多，比方在画原理图设计时，元器件库中是否存在我所采用的芯片以及新建元器件问题，画图