实用功率放大器 电子设计竞赛

2014年全国大学生电子设计竞赛摘要随着社会快速断的进步，人们的生活水平正在不断提高，因此对音乐欣赏的要求也变得越来越高，音频功放作为承担声音放大任务的重要设备，正日益受到人们的重视。对于功率放大器，一般要求其有较大的输出功率、较小的失真、平坦的音频特性、较高的信噪比和较大的动态范围。因此，这次我组研究的对象就是实用音频放大器，制作一款最大不失真输出功率Por>15W（失真度小于5%）;带宽BW>（40〜20000）Hz（功放部分）；在POR下的效率>50%;在前置放大级输入端交流短接到地时，Rl=8Q上的交流声Vpp<400mV;前置放大器具有低音、中音、高音调节功能;具有音量调节功能的实用功率放大器。关键词：功率放大；音量调节；音调调节目录一、任务错误!未定义书签。基本要求错误!未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z发挥部分2二、要求1基本要求错误!未定义书签。发挥部分2三、设计总思路2分析2系统总体框图3\o"CurrentDocument"四、音频信号放大模块3前置放大电路3功率放大3五、电源模块4六、音量调节及显示模块5七、音调调节模块7\o"CurrentDocument"八、四路音源选择模块8九、测试9仿真模拟9\o"CurrentDocument"面包版搭建10十、焊接10十-一、结论10一、任务设计并制作低频功率放大器。其原理示意图如下:负载电叩R=8欢二、要求1.基本要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5〜700）mVpp,采用双电源供电，供电）’等效、L，口

最大不失真输出功率Por>15W；（失真度小于5%）带宽BW>（40〜20000）Hz；（功放部分）在POR下的效率>50%；④在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Q上的交流声Vpp<400mVo.前置放大器具有低音、中音、高音调节功能。负载电叩R=8欢.具有音量调节功能。（前置放大器只能用常规运放或三极管不得采用专用前置集成电路、功放部分只采用分立元件不得采用专用集成功放）2.发挥部分制作数字音量控制电路（不可使用专用音响音量控制集成电路，可用通用数字电路及单片机控制电路实现），用两只轻触开关分别实现音量的加减，控制等级不小于8级。制作四路音源选择电路，用轻触开关（单只或四只）实现音源转换。功能显示：音源选择显示，音量等级显示。.自制放大器所需的电源（电源变压器可购成品）。.其它。三、设计总思路分析：实用音频放大电路主要功能为：1具有基本的音频信号的放大功能。2可以对四路输入信号进行选择。3具有音量的调节及显示功能。4具有对低、中、高、音的调节功能。设计电路围绕以上功能大致分为五个模块：电源模块，音频信号放大模块，音量调节及显示模块，音调调节模块，四路音源选择模块。系统总体框图：四路音源选择前级放大电路音调调节音量加减调节控制音量大小显示功率放大电路四路音源选择前级放大电路音调调节音量加减调节控制音量大小显示功率放大电路运放8Q负载，输出功率15W,输出电压为P=四Uo="xR=、15x8=10.95V«11VUopp=2、我Uo=2.828x11=31.1VR1LL考虑到三极管压降，使用±18V电源15.6V^8Q=1.95A~2A电源电压〉±15.6V功放输出峰值电流电路带宽较宽，应考虑使用直流耦合的放大电路前置放大器主要起电压放大作用，该系统中电压增益为100电路为GND莲花座音源入VinW110KGND音■调整+18VTVO1-18V电放力01倍测试点R110KU1A40071NE5532V100k104，2IN4007T1IP122NE5532R11k考虑到三极管压降，使用±18V电源15.6V^8Q=1.95A~2AGND莲花座音源入VinW110KGND音■调整+18VTVO1-18V电放力01倍测试点R110KU1A40071NE5532V100k104，2IN4007T1IP122NE5532R11kGNDR210K电压大倍数1V0T2TIP127-18VRL>GNDSPEAKER单位增益带宽...10MHz典型值高dc电压增益...100V/mV典型值VCC±=±18V和RL=600欧姆电源电压范围宽...±3V至±20VTIP122的hFE值：1000，所需驱动电流：2A：1000=2mA，NE5532能满足驱动要求。功率放大功放效率：甲类＜25%乙类＜78.5%甲类〈甲乙类〈乙类-因为在PorT的效率＞50%，所以采用甲乙类互补推挽结构电路图为其中D1、D2用于减小或消除交越失真T3、T4用于减小或消除交越失真。电路以及测试结果如下图：输入信号是60Hz,50mV交流信号，明显实现放大功能且没有明显的失真现象。五、电源模块在前级放大电路中需要提供18V以及5V电压所以电源模块设计要能提供18V以及5V的输出电压以供实用。仿真电路及结果如下:得到18.492V,-18.498V,5.007V输出电压，误差属于可接受范围。六、音量调节及显示模块制作数字音量控制电路（不可使用专用音响音量控制集成电路，可用通用数字电路及单片机控制电路实现），用两只轻触开关分别实现音量的加减，控制等级不小于8级。我们的方法是通过两按键的输入改变74LS192芯片的输出，从而利用4个继电器改变接入电路的电阻个数，进而达到控制加减音量的效果。74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：74LS192的引脚排列及逻辑符号图中：尹£为置数端，'珞为加计数端，。片3为减计数端，兀^为非同步进位输出端，实^为非同步借位输出端，po、p1、p2、P3为计数器输入端，"为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下:

MRPLP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXdcbadcba011XXXX加计数011XXXX减计数输入输出主旦曰壬曰里显示：在74ls192芯片的输出端额外设计音量显示电路，通过74ls47芯片以及数码管实现。74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字，通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。1二274LS47N引脚图74LS47NABCD-LT-RBI-BI/RBO

音量及显示模块仿真图1二274LS47N引脚图七、音调调节模块音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的高、低音调节范围，同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号（一般指1kHz）不发生明显的幅值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小，并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。电路如下图：

对于低音信号来说，由于C5的容抗很大，相当于开路，此时高音调节电位器W2在任何位置对低音都不会影响太大。当低音调节电位器w1滑动端调到最左端时，C1被短路，由于电容C2对于低音信号容抗大，所以相对地提高了低音信号的放大倍数，起到了对低音提升的作用。从定性的角度来说，就是在中、高音域，增益仅取决于R2与R1的比值，即等于1；在低音域，增益可以得到提升，最大增益为(Rwi+R2)/Ri。同理，电路对于高音信号来说，电容C1、C2的容抗很小，可以认为短路。调节高音调节电位器W2,即可实现对高音信号的提升或衰减。音调调节模块仿真图八、四路音源选择模块利用两个JK_FF芯片以及74145N芯片设计电路通过按键改变74145N的输出，进而控制4个继电器的闭合，实现音源选择功能。九、测试过程1.仿真模拟在测试过程中我们实用multisim12进行仿真模拟，首先对五个模块分别仿真测试。再整体进行模拟。模拟结果正常。±=±=在保持音源信号不变的情况下，通过加音量键可以观察放大倍数明显改变:Q£ji—m段圜琶|电零|一^^：一卫|膺M阵▼|毋*@h&rrII■艺长小波器-XSC1R32R：Kft24ZTE_rrt?i~E?通道_A819.709mV819.709mV0.000V通道_B-20.345mV-20.345mV0.000V:wim心口T1SS口HET2-T1时间2.552s2.552s0.000s丽I•添加I厕1译列*ES1EBIDD恒［单次TOC\o"1-5"\h\z7J普皮器-XSC1通道_A1.013V1.013V通道一日-20,404mV-20,WmV通道日刻度：|m（je7J普皮器-XSC1通道_