应用电子技术教育论文（设计）无线抢答器设计

PAGEPAGE0本科毕业生论文（设计）论文（设计）题目：无线抢答器设计学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：目录TOC\o"1-3"\u1绪论 12系统的整体设计原理及其分析 13音响放大器的基本组成 13.1话音放大器 13.2电子混响器 23.3混合前置放大器 23.4功率放大器 64音响放大器的主要技术指标及测试方法 105电路安装与调试技术 116MP3的结构 127音乐芯片原理 148结束语 14参考文献 15附录一 161绪论随着科学技术的发展，电子世界越来越丰富，经济实惠的电子产品充斥着日常生活的各个角落。随着大规模集成电路设计技术的成熟，本次设计的一种新型家用电器主要由两部分电路构成：MP3电路和音响放大器电路。MP3电路主要是用CMOS芯片设计而成的。CMOS电路是国内外近年来发展很迅速的一种电路，其应用范围越来越广泛。当前电子工业正经历着日新月异的加速发展过程，它已经成为人类认识世界和改造世界的强有力的工具。作为电子技术最重要的基础产品之一的集成电路，也已经纵深广泛地渗入各个应用领域。从人们对微观世界基本粒子的研究，到茫无边际宇宙空间的探索；从大型联合企业的设计到交通运输的自动控制；从与人们健康休戚相关的医疗设备到戴在手腕上的电子表，都离不开集成电路。可以毫不夸张地说，现在集成电路已经成为电子工业的基石，自动化的尖兵，是当前国际上最富于竞争意义和最活跃的电子产品之一。电子产品的价格也越来便宜了，几年前的MP3价格很高，而现在基本上是常用的电子产品了。这次设计的主要目的是用简单的电子产品经过组合完成一些特殊的功能。即用MP3和音频功率放大器完成收录机的功能。2系统的整体设计原理及其分析本次设计的一种新型家用电器主要由两部分组成：即音响放大器和MP3.其基本组成框图如图1所示。MP3电路音响放大器电路图MP3电路音响放大器电路3音响放大器的基本组成音响放大器的基本组成框图如图2所示：3.1话音放大器由于话筒的输出信号一般只有5mv左右，而输出阻抗达到20kΩ,所以话音放大器的作用是不失真的放大声音信号，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。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的输出信号相对于输入信号延迟了一段时间。BBD的级数越多，时钟脉冲的频率越高，延迟时间越长。BBD配有专用时钟电路，如MN3102时钟电路与MN3200系列的BBD配套。话音放大器话音放大器电子混响器话筒磁带放音机混合前置放大器音调控制器功率放大器扬声器图2音响放大器基本组成框图3.2电子混响器电子混响器的基本组成框图如图3二阶低通滤波器二阶低通滤波器1BBD延时器二阶低通滤波器2时钟脉冲产生器缓冲器输入输出图3电子混响器的基本组成框图电子混响器的实验电路如附录1所示，其中两级二阶低通滤波器（MFB）A1、A2滤去4KHz(语音)以上的高频成分，反相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调节时钟频率，RP4控制混响器的输出电压。图中MN3207与MN3102各引脚的电压表1所示：3.3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后的声音信号混合放大，其电路如图4所示。这是一个反相加法器电路，输出与输入电压的关系为：表1MN3207与MN3102各引脚电压引脚12345678MN3207的电压/V0.03.20.05.66.03.22.62.6MN3102的电压/V6.03.20.03.23.23.22.85.6式中,为话筒放大器输出电压，为放音机输出电压。音响放大器的性能主要由音频控制器与功率放大器决定，下面详细介绍这两极电路的工作原理及其设计方法。图4反相加法器电路音调控制器主要是控制，调节音响放大器的幅频特性，理想的控制曲线如图5所示。图中，f0(等于1kHZ)表示中音频率，要求增益AV0=0dB:fL1表示低音频转折（或截止频率），一般为几十赫兹;fL2(等于10fL1)表示低音频区的中音频转折频率；fH1表示高音频区的中音频转折频率：fH2(等于10fH1)表示高音频转折频率，一般为几十千赫兹。由图5可见，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频增益保持不变，因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成，由运算放大器构成的音调控制器，如图6所示。这种电路调节方便，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。设电容c1=c2>>c3，在中、低音频区，c3可视为开路，在中、高音频区，c1、c2可视为短路。（1）当f<f0时，音频控制器的低频等效电路如图所示。其中，图（6）为的滑臂在最左端。对应于低频提升最大的情况：图为滑臂在最右端，对应于低频衰减最大的情况。分析表明，图所示电路是一个一阶有源低通滤波器，其增益函数的表达式为图5音调控制曲线上式中，或，或当时，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，此时电压增益为：在时，因为，故可由式得：此时电压增益相对于下降。在时，由式得：此时电压增益相对下降。同理可以得出图（7）所示电路的相对应得表达式，其增益相对于中频增益为衰减量，音调控制器低频时的幅频特性曲线如图中左半部分的实线所示。（2）当时，音调控制器的高频等效电路如图所示。由于此时可将c1、c2视为短路，R4与R1、R2组成星形连接，将其转换成三角形连接后的电路如图所图6音调控制电路示，电阻的关系式为图7低频等效电路与分析低频等效电路的方法相同，得到下列关系式：此时电压增益相对于提升了。在时，电压增益的公式应该为：此时电压增益相对于提升了。当时，视为短路，此时电压增益同理可以得出图8高频等效电路图（8）所示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量。音调控制器高频时的幅频特性曲线如图中有半部分实线所示。实际应用中，通常先提出对低频区处和高频区处的提升量或衰减量,在根据下式求转折频率（或）和（或），即3.4功率放大器功率放大器（简称功放）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。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能小，效率尽可能高。功率放大器的常见电路形式有电路和电路。有用集成运算放大器（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。（1）集成运放与晶体管组成的功率放大器由集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器电路如图9所示，其中，运放为驱动级，晶体管组成复合式晶体管互补对称电路。1）电路工作原理三极管T1、T2为相同类型的NPN管，所组成的复合管仍为NPN型。T3、T4为不同类型的晶体管，所组成的复合管的导电极性由第一只管决定，即为PNP型。R4、R5、RP2及二极管D1、D2所组成的支路是两对复合管的基极偏置电路，静态时支路电流I0可以由下式计算：式中，Vd为二极管的正向压降。为减小静态功耗和克服交越失真，静态时T1、T3应工作在微导通状态，既满足下列关系：称此类状态为甲乙类状态，二极管D1、D2与三极管T1、T3应为相同类型的半导体材料，如D1、D2为硅二极管2CP10,则T1,T3也应为硅三极管。RP2用于调整复合管的微导通状态，其调节范围不能太大，一般采用几百欧姆或一千欧姆电位器（最好采用精密可调电位器）。安装电路时首先应使RP2的阻值为零，在调整输出级静态工作电流或输出波形的交越失真时在逐渐增大阻值。否则会因RP2的组值较大而使复合管损坏。R6、R7用于减小复合管的穿透电流，提高电路的稳定性，一般为几十欧之至几百欧姆。R8、R9为负反馈电阻，可以改善功率放大器的性能。一般为几欧姆。R10、R11成为平衡电阻。使T1、T3的输出对称，一般为几十欧之至几百欧姆。R12、C3称为消振网络，可改善负载为扬声器时的高频特性。因为扬声器呈感性，容易引起高频自激，此容性网络并入可使等效等效负载呈阻性。此外，感性负载容易产生瞬时过电压，有可能损坏晶体三极管。T2、T4、R12、C3的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。一般情况下R12为几十欧姆，C3为几千皮法至0.1微法。功放在交流信号输入时的工作过程如下：当音频信号Vi为正半周时，运放的输出电压Vc上升、结果T3、T4截止，T1、T2导通。负载RL中有正向电流iL,且随Vi增加而增加。反之，当Vi为负半周时，负载RL中只有负向电流iL且随vi增加而增加。只有当vi变化一周时负载Rl才可以获得一个完整的交流信号。2）静态工作点设置设电路参数完全对称。静态时功放的输出端O点对地的点位应为零，即Vo=0，常称O点为“交流零点”。电阻R1接地，一方面决定了同向放大器的输入电阻，另一方面保证了静态时同向端电位为零，即V+=0.由于运放的反相端经R3、RP1接交流零点，所以V-=0.故静态时运放的输出Vc=0.调节RP1电位器可改变运放的负反馈深度。电路的静态工作点主要由Io决定，Io过小会使晶体管T2、T4工作在乙类状态，输出信号会出现交越失真，Io过大会增加静态功耗使功放的效率降低。综合考虑，对于数瓦的功放，一般取Io=1mA到3mA,以使T2、T4工作在甲乙类状态。（2）集成功率放大器1）LA4100`LA4102集成音频功放图9为LA4100`LA4102的内部电路。图9LA4100内部结构图此集成功放既可采用单电源供电方式，也可以采用正负双电源供电方式（3脚接负电源）。2）集成功放的典型应用将LA4100-LA4102集成功放接成OTL形成的电路如图10所示。其外部元图10LA4100接成OTL电路件的作用如下：R1、C1与内部电阻R11组成交流负反馈支路，控制功率放大器的电压增益Avf,即。Ca为相位补偿电容，Ca减小，带宽增加，可以消除高频自激。Ca一般取几十皮法至几百皮法。Cc为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于Vcc/2,Cc一般取耐压值远大于Vcc/2的几百微法的电容。Cd为反馈电容，消除自激震荡，Cd一般取几百皮法。Ch为自举电容，使复合管T12,T13的导通电流不随输出电压的升高而减小。C3，C4可以滤除波纹，一般取几十微法至几百微法。C2为电源退耦滤波，可以消除低频自激。由两片LA4100接成的BTL(BalancedTransforderless)功率放大器电路如图所示。输入信号Vi经LA4100(1)放大后，获得同相输出电压va1,其电压增益Av1经外部电阻R1、Rv2分压加到LA4100（1）的反相输入端，这样两个功率放大器的输入信号大小相等，方向相同。如果LA4100（2）的电压增益，则两个功放的输出电压Vo2与Vo1大小相等，方向相同，因而Rl两端的电压Vl=()输出功率。可见接成BTL电路形式后，输出功率在理论上比OTL电路的功率要增加4倍。由于电路不完全对称，实际上获得的输出功率在理论上比OTL电路的功率要增加4倍。由于电路不完全对称，实际上获得的输出功率只有OTL电路的2到3倍。双声道集成功率放大器（如LA4182）的内部就有两个完全相同的集成功放，可以接成BTL电路。BTL电路的优点是在较低的电源电压下，能获得较大的输出功率。需要注意的是对于BTL电路，负载的任何一端都不能与公共地线相短接，否则会烧坏功放。4音响放大器的主要技术指标及测试方法额定功率：音响放大器输出失真度小于某一数值时的最大功率称为额定功率，其表达式为式中，Rl为额定负载阻抗：Vo(有效值)为Rl两端的最大不失真电压。Vo常用来选定电源电压Vcc。测量Po的条件如下：信号发生器的是出信号（音响放大器的输入信号）的频率为一千赫兹，电压为五毫伏。音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音调控制电位器置于最大值，用双踪示波器观测Vi及Vo的波形。失真度测量仪检测Vo的波形失真。测量步骤是：功率放大器的输出端接额定负载电阻Rl(代替扬声器)，逐渐增大输入电压Vi,直到Vo的波形不出现削波失真，此时对应的输出电压为最大输出电压，既可以算出额定功率Po.应该注意的是，在最大输出电压完成后应该迅速见效Vi,否则会损坏功率放大器。音调控制特性：输入信号Vi从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号从输出端的耦合电容引出。先测一千赫兹处的电压增益Avs,再分别测低频特性和高频特性。测量方法如下：将RP1的滑臂置于最左端（低频提升）。RP2的滑臂置于最右端（高频衰减），当频率从20HZ至50HZ变化时记下对应的电压增益;在将RP1的滑臂分别置于最右端（低频衰减），RP2的滑臂置于最左端（高频提升），当频率从20Hz至50kHz变化时，记下对应的电压增益。最后绘制音调控制特性曲线，并标注与fL1、fL2等频率对应的电压增益。频率响应：放大器的电压增益相对于中音频f0的电压增益下降3dB时对应低音频截止频率和高音频截止频率f，在这里称fl至fH为放大器的频率响应。测量条件同上，调节RP3使输出电压约为最大输出电压的一半。测量步骤是：音响放大器的输入端接Vi(等于5mv不变)，测出负载电阻Rl上对应的输出电压Vo,用半对数坐标纸会出频率响应曲线，并且在曲线上标注fL与fH值。输入阻抗：将从音响放大器输入端即话音放大器输入端看进去的阻抗称为输入阻抗Ri.如果接高阻话筒，则Ri应远大于二十千欧。接电阻机，Ri的测量方法与放大器的输入阻抗测量方法相同。需要注意的是测量仪表的内阻应该远大于Ri.输入灵敏度：使音响放大器输出功率时所需的输入电压（有效值）称为输入灵敏度Vs测量条件与额定功率的测量相同。测量方法是，使Vi从零开始逐渐增大，知道Vo达到额定功率时所对应的电压值，此时对应的Vi值即为输入灵敏度。噪声电压：音响放大器的输入为零时。输出负载Rl上的电压称为噪声电压Vn.测量条件同上，测量方法是，使输入端对地短路，音量放大器为最大值，用示波器观测输出负载Rl两端的电压波形。用交流毫伏表测量其有效值。整机效率式中，Po为输出额定功率;Pc为输出额定功率时所消耗的电源功率。5电路安装与调试技术（1）合理布局，分级装调音响放大器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线，功放级应远离输入级，每一级的地线应该尽量接在一起，连线尽可能短，否则很可能产生自激震荡。安装前应该检查元件的质量，安装时特别要注意功放块、运算放大器、电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装，也可以从功放级开始向前逐级安装。安装一级调试一级，安装两极要进行级联调试，直到整机安装与调试完成。（2）电路调试技术电路的调试过程一般是先分级调试，在级联调试，最后进行整机调试与性能指标分析。分级调试又分为静态调试与动态调试。静态调试时，将输入端对地短路，用万用表测该级输出端对地的直流电压。话放级、混合级、音调级都是由运算放大器组成的，其静态输出直流电压均为Vcc/2,功放级的输出即OTL电路也称为Vcc/2，且输出电容Cc两端充电电压也应为Vcc/2。动态调试是指输入端接入规定的信号，用示波器观测该级输出波形，并测量各项性能指标是否满足题目要求，如果相差很大，应该检查电路是否接错，元器件数值是否符合要求，否则是不会出现很大偏差的。单级电路调试技术时的技术指标较容易达到，但进行级联时，由于级间相互影响，可能使单级的技术指标发生很大变化，甚至两极不能进行级联。产生的主要原因是：一是布线不太合理，形成级间交叉耦合，应该考虑重新布线;二是级联后各级电流都要流经电源内阻、内阻压降对某一级可能形成正反馈，应接RC去耦滤波电路。R一般取几十欧姆，C一般用几百微法大电容与0.1uF小电容相并联。由于功放级输出信号较大，对前级容易产生影响，引起自激。集成块内部电路多级点引起的正反馈易产生高频自激，常见高频自激现象如图3所示。可以加强外部电路的负反馈予以抵消，如功放级1脚与5之间接入几百皮法的电容，形成电压并联负反馈，可消除叠加的高频毛刺，常见的低频自激现象是电源电流表有规则地左右摆动，或输出波形上下抖动，产生的主要原因是输出信号通过电源及地线产生了正反馈，可以通过继而RC去耦滤波电路消除，为满足整机电路指标要求，可以适当修改单元电路的技术指标。图2为设计列举整机实验电路图，与单元电路设计值相比较，有些参数进行了较大的修改。（3）整机功能试听用8欧/4W的扬声器代替负载电阻R，可进行以下功能试听：话音扩音将低阻话筒接话音放大器的输入端，应注意，扬声器输出的方向与话筒输入的方向相反，否则扬声器的输出声音经话筒输入后，会产生自激震荡，讲话时，扬声器传出的生意应清晰，改变音量电位器，可控制声音大小。电子混响效果将电子混响器模块接入，用手轻拍话筒一次，扬声器发出多次重复的声音，微调始终频率，可以改变混响延时时间，以改善混响效果。音乐欣赏将录音机输出的音乐信号，接入混合前置放大器，改变音调控制级的高低音调控制电位器，扬声器的输出音调发生明显变化。卡拉OK伴音录音机输出卡拉OK磁带歌曲，手握话筒伴随歌曲歌唱，适当控制话音放大器与录音机输出的音量电位器，可以控制歌唱音量与音乐音量之间的比例，调节混响延时时间可修饰、改善歌唱的声音。6MP3的结构MP3播放器经过多年的发展，从最初的贵族产品到现在已经被大众所接受了，这再一次说明了随着集成电路技术的发展，电子产品的价格逐渐下降。下面先介绍一下MP3的功能。MP3播放器是利用数字信号处理器DSP（DigitalSignProcesser）来完成处理传输和解码MP3文件的任务的。DSP掌管随身听的数据传输，设备接口控制，文件解码回放等活动。DSP能够在非常短的时间里完成多种处理任务，而且此过程所消耗的能量极少这也是它适合于便携式播放器的一个显著特点。如图11所示为MP3的整体框图。一个完整MP3播放机要分几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。其中中央处理器和解码器是整个系统的核心。这里的中央处理器我们通常称为MCU（单片微处理器），简称单片机。它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware（或者固件程序）。控制MP3的各个部件的工作：从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作，显示系统运行状态等任务。解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码（有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成）。它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号。主控制芯片主控制芯片SPCA514USB接口MP3解码spca751D/A转换耳机放大器LCD显示LCD显示控制器功能键矩阵1MFlash内置FlsshSNC外置接口电源管理3V电源1.5V电源电源供给电路图12MP3整体框架图存储设备是MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASHMEMORY）或者硬盘（HDD）作为储存设备的。它通过接受储存主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3也不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种。播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储协议规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。这里需要遵循几个规范：USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议。音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。这里要介绍一下数字音频信号。数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。我们知道声音的本质是波，人所能听到的声音的频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。数字音频信号是对模拟信号的一种量化，典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔做采样，对振幅做量化。单位时间内的采样次数称为采样频率。这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。这是ADC（模拟-数字转换）过程，DAC（数字-模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率顺序转换成对应的电压。MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。MP3播放机的显示设备通常采用LCD或者OLED等来显示系统的工作状态。控制键盘通常是按钮开关。键盘和显示设备合起来构成了MP3播放机的人机交互界面。MP3播放机的软件结构跟硬件是相对应的，即每一个硬件部分都有相应的软件代码，这是因为大多数的硬件部分都是数字可编程控制的。总结一下，最简化的MP3的工作原理我们可以概括如下：首先将MP3歌曲文件从内存中取出并读取存储器上的信号到解码芯片对信号进行解码通过数模转换器将解出来的数字信号转换成模拟信号再把转换后的模拟音频放大至低通滤波后到耳机输出口，输出后就是我们所听到的音乐了。7音乐芯片原理MP3实际上就是网络上最流行的音乐编码格式，所以MP3播放器在播放歌曲时，就要对MP3音乐进行解码，解码靠的就是芯片，不同的芯片，解码的能力不一样，有的芯片可能对高音部分解码能力强。有的芯片可能对人声的解码能力强，还有的是多面手，对每个部分解码能力都很强，于是，就出现了不同的芯片，就会让同一首MP3歌曲的音质不一样的结果，解码能力强的芯片有很多。比如飞利浦的芯片，sigmatel芯片是美国生产的，解码能力一般，不是很好，一般多用于普通的MP3，这个芯片的优点是稳定，但比不上三星和飞利浦，国内的MP3多用的是珠海炬力的芯片，这个芯片也差不多。芯片的研究是复杂集成电路的重要课题，具有很重要的经济价值。目前我国的集成电路发展很迅速，但与世界发达国家相比还有很多差距，这是我们需要努力地地方。8结束语本次设计综合利用了电子技术专业各方面的知识，设计用到了模拟电子技术，电路原