廣西民族大學 本科綜合課程設計報告 題 目：數控音量調節(jié)集成音頻功率放大器 學院（系）： 信息肯學與工程學院 專 業(yè) ： 自動化 年級班級 ： 11自動化1班 學 號 ： 111263010402 學生姓名 ： 梁陳世 指導教師 ： 覃 曉 1 前言32 原理33 電路設計53.1 技術指標53.2 方案論證53.2.1 芯片選擇53.3工作方式選擇63.3.1功率放大器的設計與計算73.3.2單電源供電OTL音頻功率放大器工作原理73.3.3雙電源供電BTL音頻功率放大器工作原理84、硬件設計94.1功率放大器94.2數控音量調節(jié)電路104.2.1 CD4051八路模擬開關設計114.2.2 CD4516八進制設計144.2.3計數脈沖164.2.4計數脈沖與CD4516相連1843電源設計184.3.1 功放電源194.3.2 數控電源204.4 散熱設計215、電路制作與調試215.1電路元件的選取215.2電路的焊接215.3調試與參數設置245.4 數控音量集成音頻功率放大器的測試基本內容：265.5數據紀錄與處理276、心得體會29參考文獻：30數控音量調節(jié)集成音頻功率放大器1、前言：本設計采用TDA2030作為功放芯片，采用OCL電路供電，用按鈕開關作為CD4516的計數脈沖，作為計數器的輸入，然后計數器的低三位輸出控制八路模擬開關CD4051，選擇不同的衰減倍數，達到對電平的控制，將音頻信號經過八個電阻組成的衰減網絡，輸入給TDA2030功放芯片，實現音頻信號的放大，通過一個阻抗為8.3的喇叭表現出來。關鍵詞：TDA2030功放芯片、衰減式音調、電壓增益、功率增益。2、原理：我們熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外圍電路較復雜，且容易自激。LM1875外圍電路簡單，電路成熟，低頻特性好，保護功能齊全，但是高頻特性較差（BW70KHz）。TDA2030A上升速率高、瞬態(tài)互調失真??；輸出功率大，而保護性能以較完善；外圍電路簡單，使用方便；頻帶寬BW（10140KHz），缺點是低頻特性欠缺。綜合題目要求，選用TDA2030A 作功放。 本設計功率放大器選用集成功放TDA2030A，采用雙電源OCL電路，原理圖如圖1所示。C1 為信號耦合電容，R3為輸入接地電阻，防止輸入開路時引入感應噪聲。 R1、R2組成反饋網絡，C2為直流負反饋電容，以使電路直流為100%負反饋。靜態(tài)工作點穩(wěn)定性好。 D1、D2為保護二極管。 R4和C3 組成輸出退耦電路，防止功放產生高頻自激。 C4、C5、C6、C7是電源退耦電容。 4個 1N4004組成全橋整理電路，防止正負電源誤接。RW電位器可以實現輸入衰減，可作音量調節(jié)用。圖2數控音量調節(jié)集成音頻功率放大器原理圖框3、電路設計3.1技術指標1、在音頻信號處輸入正弦波輸入電壓幅度800mV，等效負載電阻 RL滿足： （1）額定功率輸出功率：POR10W； （2）頻率響應：BW20Hz 100kHz（3dB） （3）在 POR 和BW內非線性失真系數：1 (10W,30Hz20kHz）； （4）在 POR 下的效率55%； 2、數控音量調節(jié)部分盡量能多檔位。 3、電源穩(wěn)壓部分不要自制，但要求必須有整流濾波電路。 3.2方案論證3.2.1芯片選擇我們熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外圍電路較復雜，且容易自激。LM1875外圍電路簡單，電路成熟，低頻特性好，保護功能齊全，但是高頻特性較差（BW70KHz）。TDA2030A上升速率高、瞬態(tài)互調失真小；輸出功率大，而保護性能以較完善；外圍電路簡單，使用方便；頻帶寬BW（10140KHz），缺點是低頻特性欠缺。綜合題目要求，選用TDA2030A作功放。TDA 2030 是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、瞬態(tài)互調失真小，在目前流行的數十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調失真指標的僅有包括TDA 2030 在內的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調失真是決定放大器品質的重要因素，該集成功放的一個重要優(yōu)點。 TDA2030 集成電路的另一特點是輸出功率大，而保護性能以較完善。根據掌握的資料，在各國生產的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA 2030的輸出功率卻能達18W，若使用兩塊電路組成BTL電路，輸出功率可增至35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在TDA 2030集成電路中，設計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當地進行使用）。TDA2030 集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，使用方便。在現有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，總共才5端，外型如同塑封大功率管，這就給使用帶來不少方便。TDA2030 在電源電壓14V，負載電阻為4時輸出14瓦功率（失真度05）；在電源電壓 16V，負載電阻為4時輸出18瓦功率（失真度05）。該電路由于價廉質優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。3.3工作方式選擇3.3.1功率放大器的設計與計算本設計功率放大器選用集成功放TDA2030A，采用雙電源OCL電路，原理圖如圖1所示。TDA2030A開環(huán)增益為90dB，即放大倍數A=32000。因為要求輸出到8電阻負載上的功率POR10W，而加上功率管管壓降2V，則 V= +2=12.65+2=14.65V取電源電壓為15V。 所以計算效率為 輸出最大不失真電壓=12.65V，故 =32則功率電壓增益取30dB優(yōu)缺點：優(yōu)點是省去體積較大的輸出電容，頻率特性好，缺點是需要雙電源供電，對電源的要求稍高。3.3.2單電源供電OTL音頻功率放大器工作原理電路圖優(yōu)缺點：優(yōu)點是可以使用單電源供電，是電池供電的首選電路。缺點是需要通過體積較大電解電容作為輸出耦合。3.3.3雙電源供電BTL音頻功率放大器工作原理用兩塊TDA2030 組成如圖3所示的BTL功放電路，TDA 2030（1）為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1饋入同相輸入端腳，交流閉環(huán)增益為KVC1R3 / R2R3 / R230dB。R3 同時又使電路構成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。TDA2030（2）為反相放大器，它的輸入信號是由TDA 2030（1）輸出端的U01 經R5、R7分壓器衰減后取得的，并經電容C6后饋給反相輸入端腳，它的交流閉環(huán)增益KVCR9 / R7/R5R9/R730dB。由R9R5，所以TDA 2030（1）與TDA 2030（2）的兩個輸出信號U01 和U02 應該是幅度相等相位相反的，即： U01UinR3 / R2 U02U01R9 / R5 R5 U02 U01 因此在揚聲器上得到的交流電壓應為： Vo U01 （U02） 2U01 2U02原理圖：優(yōu)缺點：優(yōu)點是無論使用單電源還是雙電源供電都不需要輸出電容，理想輸出功率是單個OCL電路的4倍。優(yōu)點是功率做得更大，缺點是電路比較復雜。4、硬件設計4.1功率放大器TDA2030是德律風根生產的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結構。如圖6所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產品生產，雖然其內部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。 圖6 TDA2030芯片的引腳圖4.2數控音量調節(jié)電路本電路采用可利用一按鈕開關產生穩(wěn)定的脈沖，作為計數器CD4516的輸入。CD4516 （CD4510）為一單時鐘可逆十六進制（十進制）計數器，計數器的低三位輸出控制八路模擬開關CD4051，選擇不同的衰減倍數，達到對信號電平的控制。同時計數器輸出經74LS248譯碼后直接驅動共陰數碼管做音量檔位顯示。4.2.1、CD4051八路模擬開關芯片簡介：如圖8，CD4051是單8通道數字控制模擬電子開關，有A、B和C三個二進制控制輸入端以及INH共4個輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數字信號可控制峰值至20V的模擬信號。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則05V的數字信號可控制-13.54.5V的模擬信號。這些開關電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。當INH輸入端=“1”時，所有的通道截止。只有當INH=0時，三位二進制信號才可以選通8通道中的一個通道，連接該輸入端至輸出。其中VEE可以接負電壓，也可以接地。當輸入電壓有負值時，VEE必須接負電壓，其他時候可以接地。 圖8 CD4051芯片引腳圖 控制端輸入不同的電位，對應的通道不同，從而實現八路模擬開關的功能，如圖9是每個通道對應的輸入狀態(tài)。如圖9是由電阻和芯片組成的衰減網絡，左邊八個電阻起到分壓作用，在相同的輸入電壓狀況下，前置電阻越大，分壓越大，從而衰減越多，從而實現音頻檔位的控制。如表1，是每個檔位對應的音量大小。 圖9 CD4051控制端輸入狀態(tài)對應的接通通道圖 圖10 電阻衰減網絡CBA=000, Vo1=R10/(R1+R10)Vi CBA=001, Vo1=R10/(R2+R10)Vi表1 衰減網絡中每個電阻對應的檔位電阻對應的檔位R1 390K1檔 最?。o聲音）R2 100K2檔R3 51K3檔R4 30K4檔R5 10K5檔R7 1K6檔R8 1007檔R9 4.78檔 最大選擇合適的電阻衰減網絡，使音量變化明顯。4.2.2、CD4516計數 CD4516是一個十六進制的計數器，工作電壓+5V。在本次設計中，芯片16腳VDD接+5V，8腳VSS接地。由于我們只需要利用到八進制的計數器功能，所以，把計數器的2腳（Q3）懸空，相當于只取后三位（八進制），如圖12，按照Q3Q2Q1Q0順序排的主循環(huán)狀態(tài)圖，我么不看Q3，只看Q2Q1Q0，就是一個八進制的循環(huán)狀態(tài)圖。 圖11 CD4516引腳圖0000000100100011110101000101011011110111100011101001110010111010圖12 CD4516主循環(huán)狀態(tài)圖 如圖13 芯片狀態(tài)圖，P0、P1、P2、P3預置輸入端，在PE上升沿有效。U/D加減設置端，1位加，0位減。CLK時鐘端，上升沿有效；RST復位端，高電平復位 ；Q0、Q1、Q2、Q3十六進制輸出端；CIN低端進位；COUT加減到輸出端。 圖13 CD4516狀態(tài)圖P0、P1、P2、P3 預置輸入端，在PE 上升沿有效。U/D 加減設置端，1位加，0位減。CLK時鐘端，上升沿有效；RST 復位端，高電平復位 ；Q0、Q1、Q2、Q3 十六進制輸出端；CIN 低端進位；COUT 加減到輸出端；按功能表，預置功能沒有使用，P0P1P2P3P4 懸空、接高低電平都可，計數情況下 PE 要接高電平，CI接低電平，CLK輸入脈沖。JP4 跳帽接到U/D,用來設置音量遞增或遞減調節(jié)方向。CD4051 模擬開關有八路開關，CD4516 要設置成八進制（需要提供 000-111 或 111-000 的計數），只需要連接輸出Q2Q1Q0低三位到CD4051的CBA即可（不必反饋清零，RST直接接0）。4.2.3、計數脈沖 CD4516的CLK在上升沿計數，CLK計數脈沖由按鍵上拉電阻產生，如圖12所示。通常的按鍵所用開關為機械彈性開關,當機械觸點斷開、閉合時,電壓信號模型如圖 13。由于機械觸點的彈性作用,一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通,在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動。抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定,一般為5ms10ms。這是一個很重要的時間參數,在很多場合都要用到。 按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的,一般為零點幾秒至數秒。 鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保 CPU 對鍵的一次閉合僅作一次處理,必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài),并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動,可用硬件或軟件兩種方法。硬件消抖：在鍵數較少時可用硬件方法消除鍵抖動。下圖所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。 圖 13中兩個“與非”門構成一個RS 觸發(fā)器。當按鍵未按下時,輸出為1;當鍵按下時,輸出為0。 此時即使用按鍵的機械性能,使按鍵因彈性抖動而產生瞬時斷開（抖動跳開 B）,中要按鍵不返回原始狀態(tài)A,雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變,輸出保持為0,不會產生抖動的波形。也就是說,即使B點的電壓波形是抖動的,但經雙穩(wěn)態(tài)電路之后,其輸出為正規(guī)的矩形波。這一點通過分析RS 觸發(fā)器的工作過程很容易得到驗證。另一種硬件消抖的方法利用電容的放電延時，采用并聯(lián)電容法，也可以實現硬件消抖，如圖14所示。4.2.4、計數脈沖與CD4516相連4.3、電源設計4.3.1 功放電源功放部分電源由220V 經雙12V變壓器降壓，過整流橋整流，電容濾波，輸出Vcc15V。 理論上，整流橋出來的負載電壓VL應滿足15V以上，才能保證芯片正常工作。故變壓器變壓后的有效電壓應該是： 直流電流為 輸出功率：整流橋中四個二極管，兩兩輪流導通，所以流經每個二極管的平均電流是 整流橋內的二極管承受的最大反向電壓為： 但是，實際上，經過電容濾波電路后， 所以，負載上的電壓 負載上的電流 負載上的功率： 整流橋上的二極管的平均電流是： 整流橋內的二極管承受的最大反向電壓為： 整流橋的內部二極管的擊穿電壓要高于17.67V，最好是20V以上，比如IN4007和IN4001。在濾波電容的選擇上，我們選擇一個較大的2200uF的電解電容和一個0.1uF的104瓷片電容，可以分別濾掉不同頻率的交流信號?？紤]到功率要足夠，實際生活中，變壓器輸出電壓都比額定輸出電壓高一點，TDA2030用的是雙電源OCL供電。所以我們選擇的變壓器是雙12V40W的變壓器。 4.3.2 數控電源音量調節(jié)采用5V直流穩(wěn)壓電源，用三端穩(wěn)壓集成塊7805。7805的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓為輸出電壓的3-4V以上。引腳如圖16，1腳輸入，2腳接地，3腳輸出。在電路中的放置如圖17，由于穩(wěn)壓芯片遠離整流橋的濾波電容，所以為了避免會有交流電出現，加上兩個電容C1和C9，去除交流成分。C10和C11是為了防止電路的瞬態(tài)響應，改善電路的穩(wěn)定性。LED燈顯示穩(wěn)壓芯片是否開始工作。4.4 散熱設計 TDA功放芯片工作時候會產生大量的熱量，所以必須得安裝散熱片，本設計中是利用散熱效果較好的鋁合金散熱片，7.5*2*4.5cm的規(guī)格。由于數控模塊電路功率不大，7805穩(wěn)壓芯片工作時候不會產生太大的熱量，可以考慮不安裝散熱片，鑒于安全性，本設計安裝了一個小型的散熱片。5、電路制作與調試5.1 電路元件的選取本電路采用TDA2030、CD4516、CD4051、7805等芯片，采用橋堆、電阻、電容、開關等普通品。電路板用銅板制作。5.2 電路的焊接用PROTEL畫原理圖，再按照原理圖PCB板并制作PCB板，再按PCB圖焊接元件。 功放PCB 數控PCB5.3 調試與參數設置調試：1、對照原理圖，檢查各個元器件的引腳是否接對了，不對的修改好。2、測量變壓器輸出電壓是否低于14V，高于14V會造成2030工作狀態(tài)不穩(wěn)定。3、通電時，用手摸住TDA2030，觀察TDA2030，如芯片迅速發(fā)燙則立即關斷電源，排除故障。4、功放模塊不發(fā)燙狀況下，測量整流橋出來的正負電壓是否正常，偏低或偏高都要斷電檢查，到底是變壓器不合格還是電路的問題。5、連接音箱前先測量下TDA2030輸出端的直流電壓，正常應該很?。ń咏?）；如直流電壓輸出很大則不要接入音箱，排除故障后才能接。為了以防萬一，我們可以在音箱的線路上串聯(lián)一個大電容，把直流成分濾掉。6、正負電源千萬不能接反；7、TDA2030芯片引腳很容易斷，安裝時請注意。8、功放模塊正常工作后，拔掉數控模塊的4516和4051芯片，給數控模塊供電，通電時候用手摸住7805，如果快速發(fā)燙，馬上斷電排除故障。9、故障排除后，用萬用表測量7805輸出電壓是否是5V，或者接近5V。測量4516和4051芯片的16腳和8腳，看電壓是否是5V。如果不是，檢查電路，排除故障。PCB參數設置1、 數控音量調節(jié)電路部分和集成功放部分要求分別做到 2 塊獨立的 PCB 板（大小為 10cm*10cm）上，注意留出它們之間的連接頭。2、變壓器的封裝是大3P插頭。 3、集成功放部分請注意： 散熱問題設計，PCB 注意留出散熱片安裝位置； TDA2030的反面是和負電壓連通的，可以不加絕緣片，但要注意不要碰到了“地”。 此部分電流較大，請適當加粗銅線； 喇叭輸出、音頻信號輸入、變壓器電源輸入不要靠得太近。 4、為了制作和焊接時候方便，一般要求焊盤直徑2.5mm，銅線1.5mm。 （能大就盡量大，以免斷線打飛）直徑可以3mm 5、制作PCB 時請注意元件封裝要跟實際元器件相符合。 6、接口安排5.4 數控音量調節(jié)集成音頻功率放大器的測試基本內容注意：直流電源電壓15V，負載電阻為8.2。將數控音量調節(jié)調到最大輸入的情況。 只測試功放板，數控板不接。1、直流檔測量TDA2030A的3、5腳電源電壓Vcc= Vdd= Vo= 2、測量輸出電壓放大倍數Au，測試條件：接入負載電阻8，調節(jié)輸入信號1KH，用示波器觀察輸出信號，幅度最大不失真輸出，交流檔測量并紀錄輸入電壓（1uF電容左邊）、輸出電壓，計算放大倍數。Vi= Vo= Au=3、測量上、下限頻率fh和fL，測試條件：步驟2基礎上，輸入信號幅度不變，示波器觀察輸出信號，增大加大輸入信號頻率，當輸出信號峰值下降到步驟2峰值的0.707倍時（步驟2輸出電壓0.707Vo），此時的頻率即為上限頻率fh；減小輸入信號頻率，同樣當輸出信號下降到步驟2峰值的0.707倍時（步驟2輸出電壓0.707Vo），此時的頻率即為下限頻率fL。 fh= fL=4、效率計算由步驟1、2，計算效率。5.5 數據記錄與處理負載電阻為8.3。將數控音量調節(jié)調到最大輸入的情況。1測量輸出電壓放大倍數Au。 測試條件：調節(jié)輸入信號1KH，幅度最大不失真輸出，記錄錄輸入電壓、輸出電壓，填入表2，計算放大倍數。 公式：放大倍數Au=Vom / |Vi| 電壓增益Av=20lg|Au|dB 表2 測量輸出電壓倍數 輸入電壓Vi196mv輸出電壓Vom5.1V放大倍數Au26電壓增益Av28dB 把測量值經過計算得出，電壓增益Av為28dB，基本達到預期，滿足實驗要求，數據屬于正常。2測量上、下限頻率fH和fL。 測試條件：步驟1：輸入信號幅度不變，加大輸入信號頻率，當輸出信號下降到步驟1輸出電壓的0.707時，此時的頻率即為上限頻率fH；減小輸入信號頻率，當輸出信號下降到步驟1輸出電壓的0.707時，此時的頻率即為下限頻率fH。并將數據填入表3。公式：通頻帶BW=fH-fL表3 測量上、下限頻率上限頻率fH下限頻率fH9.5KHz2.0Hz 經過測量，通頻帶為2.0Hz9.5KHz,在誤差允許范圍內，基本滿足任務要求。3效率測試 測量TDA2030直流電源電壓，計算效率。如表4表4 效率測試電源正電壓電源負電壓平均電壓18.07V-18.0618.06V計算：要求輸出到8.3電阻負載上的功率POR10W，測量得電源電壓為18.06V。 計算效率為滿足任務要求的55%。 6、心得體會本次課程設計是上大學的第一次課程設計，在設計過程中的每一步的成功都有無法言語的激動，為了檢查電路我們可以廢寢忘食的留在實驗室，彼此幫助相互學習。本次課程設計過程前期比較輕松，后期做PCB圖時候出現不少問題，不合理的安排極容易產生飛線。功放模塊中芯片2030，我們給它1腳接一個接地電阻，防止開路時候引入感應噪聲。4腳接個電阻和電容組成退耦電路，可以有效避免高頻自激。 在把整流橋接入電路時候，需要用萬用表測量，確定后正負后才能接入電路，不能只看元器件上標志的“+”號，不少“+”都是標歪掉的，很難區(qū)分。 變壓器電壓不能超過14V，否則，經過整流后，電壓會增加到2030不能正常工作的地步。 在制作PCB圖時候，要盡量避免90度以及低于90度的拐角，以免引起尖端放電。經過這次課程設計，理解了一個電子產品從構思到做出來的基本流程。并且鞏固了模電，數電，protel制圖的知識，學會了焊接的技巧，調試技巧，以及做板的基本方法。通過這次課程設計是我明白了動手能力的重要性，以及自己思考問題的重要性，自己可以親手做出來一個數控功放挺有成就感的。同時，非常感謝老師對我們的耐心及細心指導。7、參考文獻1、集成音頻功率放大器電路原理圖2、集成音頻功率放大器電路PCB圖3、數控音量調節(jié)電路原理圖4、數控音量調節(jié)電路PCB圖5、TDA2030資料6、7805芯片資料7、CD4051芯片資料8、電子技術基礎 數字部分 第五版 康華光主編9、電子技術基礎 模擬部分 第五版 康華光主編30