HI-FI音質(zhì)控制電路的設(shè)計
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第一章緒論 近幾年來,計算機技術(shù)進入了前所未有的快速發(fā)展時期,隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展關(guān)于音響放大器在電子技術(shù)基礎(chǔ)中所處的位置越來越重要,它不僅是電子信息類專業(yè)的一個重要部分,而且在其他類專業(yè)工程中也是不可缺少的。放大器電路做為子系統(tǒng)的應(yīng)用,發(fā)展更是迅速,已成為新一代電子設(shè)備不可缺少的核心部件,其現(xiàn)實生活中的運用也是非常普遍和廣泛。 在音響放大器的設(shè)計過程中,控制其電路的核心部分是幾個放大器的設(shè)計,其主要包括:話音放大器,混合前置放大器,音調(diào)控制器,功率放大器等。電子技術(shù)的發(fā)展促使話音放大器被廣泛應(yīng)用到一系列放音設(shè)備中,混合前置放大器也成為數(shù)字電子電路設(shè)計和制作過程中不可缺少的部分,例如在信號放大器的設(shè)計和無線電遙控電路的設(shè)計過程中該部件都是不可缺少的,功率放大器更是設(shè)計電子電路的核心。功率放大器的運用使電子產(chǎn)品的成本大大減少,并且有設(shè)計簡單,易于操作,可靠性好的優(yōu)點。 對音響放大器設(shè)計的目的是為了更好的掌握集成功率放大器內(nèi)部電路工作原理,學會其外圍電路的設(shè)計與主要性能參數(shù)測量方法以及掌握音響放大器的設(shè)計與電子線路系統(tǒng)的裝試和調(diào)試技術(shù)。本次設(shè)計分為四個主要步驟:一,構(gòu)思和設(shè)計話音放大器,混合前置放大器,音調(diào)控制級和功率放大級。二,根據(jù)設(shè)計要求和選擇的電路通過計算選擇元器件和參數(shù),并準確無誤的設(shè)計好要設(shè)計的電路原理圖。三,在萬能板或在面包板上根據(jù)設(shè)計電路原理進行元器件的電路安裝和精細的調(diào)試。四,在安裝好的電路板上進行輸出功率的測試。在此次課程設(shè)計的編寫過程中得到了龍老師和許多實驗室老師的大力支持和指導,在此表示感謝。 另外,由于時間倉促和本組成員能力有限,設(shè)計中難免出現(xiàn)缺點和不足之處,還敬請各位老師批評和指正。2011年6月第二章 理論分析2.1音響放大器基本原理 音響放大器的作用是對于微弱信號進行電壓放大和功率放大,推動負載工作,同時需要對音調(diào)和音量的調(diào)節(jié)。 音響放大器由話筒、話音放大器、電子混響器、混合前置放大器、音調(diào)控制器、功率放大器這幾個部分組成。其中話音放大器是不失真的放大話筒輸出的聲音信號,電子混響器是用電路模擬聲音的多次反射,產(chǎn)生混響效果,使人聽起來具有一定的深度感和立體空間感,混合前置放大器是將話筒傳輸?shù)穆曇粜盘柵c放音機輸出的音樂信號相混合并放大,音調(diào)控制器是控制和調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性,功率放大器是給音響放大器的負載提供一定的輸出功率。這幾部分之間的聯(lián)系如圖2-1所示。圖2-1音響放大器的設(shè)計框圖第三章 設(shè)計過程及方案3.1、設(shè)計方案選擇音響放大器分為四個部分,由兩個小組共同完成,我們組負責話音放大器和混合前置放大器設(shè)計。話音放大器和混合放大器設(shè)計框圖圖3-1 話音放大器和混合放大器設(shè)計框圖 方案一:采用LM324通用四運算放大器,雙列直插8腳封裝,內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,四組運放相互獨立。它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中Vi-(-)為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+(+)為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。方案二:采用uA741運算放大器設(shè)計電路,uA741通用高增益運算通用放大器,早些年最常用的運放之一,應(yīng)用非常廣泛,為雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。工作電壓22V,差分電壓30V,輸入電壓18V,允許功耗500mW。 方案選?。簝烧叨紳M足設(shè)計要求,uA741是通用單運放放大器,性能好,滿足一般需求,但價格貴。LM324四運放大器具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用。LM324芯片滿足要求,成本更低,芯片引腳具有對稱結(jié)構(gòu),設(shè)計的線路更簡單,便于檢查??刹粨Q芯片的情況下更換運放。故選用方案一。3.2、話音放大器的設(shè)計與參數(shù)計算圖3-2話音放大器設(shè)計圖話音放大級增益為8.5與20K話筒配接作為話音放大器電路,高阻話筒要求輸入內(nèi)阻很大,采用同相放大電路R11標稱值為10K,其交流放大倍數(shù)由式(3-1 )Av1=1+ R12/ R11=8.5(18.5dB) (3-2)由式(3-2)的R12/ R11=7.5,R12=7.5R11=75 K電阻R13、R14作用是分流和提供直流電壓,R13、R14取標稱值為10K電容C11、C13作用是去直流,C11去標稱值為10uF,C13取標稱值為1uF,電容C12在電路中起耦合作用,C12取標稱值為10uF。考慮到電路接線出錯直流電壓被放大電壓為38.5V, C12兩端電壓達到38.5V, 電容C12采用耐壓值為50V,C11、C13兩端的電壓為4.5V,耐壓值16V和50V均滿足要求,C11采用耐壓值為16V,C13采用耐壓值為50V。3.3、混合前置放大器的設(shè)計與參數(shù)計算圖3-3混合前置放大器混合前置放大器的電路由運放組成,是一個反相加法器電路,第一級為第二級提供輸入信號Vo1=42mV,混合前置放大倍數(shù)為3,可以達到輸出125mV的設(shè)計要求。輸入信號為100mV,不放大可以達到驅(qū)動下級正常工作的要求,采用放大倍數(shù)為1。R22標稱值為30K,話放級的輸出作為混放級的輸入,錄音機的輸入為Vi2,由式(3-3)得輸出電壓Vo2的表達式為:Vo2=-(R22/ R21) Vo1 +(R22/ R23) Vi2(3-4)把Vi2=0代入式(3-4)的|Av2| =| Vo2/Vo1|= R22/ R23=3;R21=1/3 R22=10 K;把Vo1=0代入式(3-4)的|Av2| =| Vo2/Vi2|= R22/ R23=1;R23= R22=30 K電阻R23、R24作用是分流和提供直流電壓,R23、R24取標稱值為10K。C21、C22、C24在電路中起耦合作用,C23在電路中起去直流作用。、C21、C22、C23、C24 都取標稱值為10uF,如果線路接錯,是直流也被放大,直流電壓達到13.5V,C21、C23電容取耐壓值為16V。C22、C24電容取耐壓值為50V。3.4、仿真測試3.4.1話音放大器EWB仿真圖3-4 話音放大器仿真電路圖5-2 話音放大器仿真波形圖3-5 峰峰值大的波形為A通道輸入波形,峰峰值小的為B通道為輸出波形。輸入信號為5mV,毫伏表示數(shù)42.5mV從示波器波形的輸入、輸出信號同相。增益Av1= Vo1/Vi1=8.53.4.2、混合放大級仿真圖3-6 混放級仿真電路圖3-7 混放級仿真波形峰峰值大的為A通道為混放級輸出信號,峰峰值小的為B通道為混放級輸入信號,輸入信號為42mV,毫伏表示數(shù)126mV從示波器波形的輸入、輸出信號反相。增益Av1= Vo2/輸入信號為5mV,毫伏表數(shù)值42.5mV增益 |Av2| =| Vo1/Vi1|=3 3.4.3、兩級放大EWB仿真圖3-8 兩級仿真電路圖5-6 兩級仿真波形峰峰值小的是A通道,峰峰值大的是B通道輸入信號為5mV,調(diào)節(jié)電位器RP11使毫伏表的示數(shù)為125mV,即輸出值125mV,示波器的波形得出輸入和輸出波形反相。|Av3| =| Vi1/Vo2|=253.4.1、元件清單表3-1元件清單名稱規(guī)格數(shù)量集成運放LM3242個電阻75K30k10k1個2個6個電容1uF/50V10uF/50V1個6個電位器10K2個電源9V1路話筒20K1個第4章技術(shù)指標及測試方法4.1、話音放大級的測試 在話筒端輸入正弦信號,用交流毫伏表測量是輸入為頻率為100Hz有效這值5mV,在話音放大器輸出端用交流毫伏表測輸出電壓,用毫伏表測量的數(shù)據(jù)更精準。再把輸入端和輸出端接示波器通道1和通道2,觀察輸入輸出的波形。求出話音放大器的放大倍數(shù)。4.2、混合放大級的測試 在混合放大器的輸入端輸入42mV 100Hz的正弦信號,錄音機輸入端不輸入信號,混合放大器輸出端用交流毫伏表測輸出電壓。再把輸入端和輸出端接示波器通道1和通道2,觀察輸入輸出的波形。4.3、話音放大器和混合放大器的測試 在話筒端輸入輸入5mV正弦電壓,錄音機接口接地。在混合放大器的輸出端用交流毫伏表測量輸出電壓,調(diào)節(jié)RP1使混合放大器輸出端的電壓滿足125mV,再把輸入端和輸出端接示波器通道1和通道2,觀察輸入輸出的波形。求出混合放大器的放大倍數(shù)。 在錄音機輸入端100mV,測量輸出端的電壓。對話筒說話,使之產(chǎn)生電信號。觀察輸入端和輸出端的波形。第5章 安裝與調(diào)試5.1、芯片介紹 LM324為四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比,它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3. 0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負電源,因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+(+)為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。5.2、安裝 音響放大器是一個小型電路系統(tǒng),安裝前要對整機線路進行合理布局,一般按照電路的順序一級一級地布線,功放級應(yīng)遠離輸入級,每一級的地線盡量接在一起,連線盡可能短,否則很容易產(chǎn)生自激。 安裝前應(yīng)檢查元器件的質(zhì)量,安裝時特別要注意功放塊、運算放大器、電解電容等主要器件的引腳和極性,不能接錯。從輸入級開始向后級安裝,也可以從功放級開始向前逐級安裝。安裝一級調(diào)試一級,安裝兩級要進行級聯(lián)調(diào)試,直到整機安裝與調(diào)試完成。 安裝完成后,根據(jù)電路圖進行檢查,及時排除存在問題及故障。5.3、調(diào)試 實踐表明,一個電子裝置,即使按照設(shè)計的電路參數(shù)進行安裝往往也難于達到預期效果。這是因為人們在設(shè)計時,不可能周全地考慮各種復雜的客觀問題,必須通過安裝后的測試和調(diào)整,來發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計方案的不足。然后采取措施加以改進,使裝置達到預定的技術(shù)指標。因此調(diào)整電子電路的技能對從事電子技術(shù)及有關(guān)領(lǐng)域工作的人員來說,是不應(yīng)缺少的。調(diào)試的常用儀器有:萬用表、示波器、信號發(fā)生器。 在電子元器件安裝完畢后,通常不宜急于通電,要形成這種習慣,先要仔細檢查。其檢查內(nèi)容包括:檢查連線是否正確按照實際線路來對照原理圖電路進行查線。這是一種以元件為中心進行查線的方法。把每個元件引腳的連線一次查清,檢查每個去處在電路圖上是否存在,這種方法不但可以查出錯線和少線,還容易查出多線。檢查元器件的安裝情況檢查元器件引腳之間有無短路和接觸不良,尤其是電源和地腳,要把所有的接地點連在一起,與電源的負極相連。5.3.1、靜態(tài)調(diào)試 把經(jīng)過準確測量的電源接入電路。觀察有無異常現(xiàn)象,包括有無元件發(fā)熱,甚至冒煙有異味電源是否有短路現(xiàn)象等;如有此現(xiàn)象,應(yīng)立即斷電源,待排除故障后才能通電。靜態(tài)調(diào)試時,將信號輸入端對地短路,接入直流電源,用萬用表測該級輸出端對地的直流電壓。話放級、混合級都是由運算放大器組成的,11管腳直流電壓均為9V,每個輸入端和輸出端都有電容,同相端和反相端管腳電壓為4.5V。且輸出電容CC兩端充電電壓也應(yīng)為4.5V。反饋電阻兩端的電壓都為4.5V。5.3.2動態(tài)調(diào)試調(diào)試的方法是在電路的話音放大器輸入端接入頻率100Hz和5mV的正弦信號,并循著信號流向來檢測話音放大器輸出端的電壓及波形,再檢測混合放大器輸出端的電壓及波形。放大增益是否符合理論值,如果偏差太遠,測量與增益相關(guān)的電阻阻值,阻值沒很大誤差是時,檢查線路是否正確,沒有改變是,更換芯片,如果換芯片,沒變化。在分析可能是那個元件損壞,導致的偏差。通過調(diào)試,最后檢查功能塊和整機的各種指標是否滿足設(shè)計要求,如必要再進一步對電路參數(shù)提出合理的修正。在話音放大器輸入端頻率100Hz 5mV信號,調(diào)節(jié)RP1使混合放大器輸出端的電壓滿足125mV,再把輸入端和輸出端接示波器通道1和通道2,觀察輸入輸出的波形5.4、實物測試圖6-1 話放級實測波形圖峰峰值大的為話放級輸入信號(橫軸10ms/d、縱軸5mv/d),峰峰值小的為話放級的輸出信號(橫軸10ms/d、縱軸50mv/d)圖6-2 混放級實測波形峰峰值小的為混放級的輸入信號(橫軸10ms/d、縱軸50mv/d),峰峰值大的混放級的輸出信號(橫軸10ms/d、縱軸50mv/d)圖6-3 兩級測試波形峰峰值小的為話放級輸入信號(橫軸10ms/d、縱軸5mv/d),峰峰值大的為話放級的輸出信號(橫軸10ms/d、縱軸50mv/d)話音放大器輸入電壓(mV)話音放大器輸出電壓(mV)混合前置放大器輸入電壓(mV)錄音機接口輸入電壓(mV)混合前置放大器輸出電壓(mV)541.500000420124541.541.50121第6章數(shù)據(jù)分析及結(jié)果6.1、數(shù)據(jù)分析 只有話筒輸入時測量值Vi1=5mV,Vo1=41.5mV,v11= 8.30;由圖6-1 話音放大級兩個信號相位差0度。僅從混合前置端輸入Vi2=42mV,Vo2=124mV;|AV12|=2.95;由圖6-2 混合放大級兩個信號相位差180度Vi1=5mV,Vo2=121mV |AV13|=24.2;由圖6-3 兩級放大兩個信號相位差180度 只有話筒輸入標稱值的理論值Vi1=5mV,Vo1=42.5mV;Vo2=127.5mV, Av1= 8.50;|AV12|=3.00。|Av13|=| Vo2/Vi1|=25.5 6.2、誤差分析 由式(5-1)話放級增益誤差1=2.3 混放級增益誤差2=1.67;兩級增益誤差 3=5.09 誤差產(chǎn)生的原因,外界電阻是標稱值本身有誤差,影響增益。帶入實際值R12=73.5k,R11=9.82k,R22=29.3k,R21=9.7k得到的理論值A(chǔ)v1=8.48;Av2=3.02,在焊接前找到匹配的電阻,可以誤差減小,輸入信號小易受外界干擾,每次測試時把沒接信號的輸入端接地,接線盡可能少裸露,從這兩方面可以減少誤差。第7章 設(shè)計總結(jié)與體會話音放大器與混合前置放大器調(diào)試的時候應(yīng)該一級一級的進行。前兩級為一般的同向反向放大器,調(diào)試相對簡單。注意不要將電源接錯,還有第一級同鄉(xiāng)端接地的電阻要盡量大,才會得到較高的的輸入阻抗。受增益帶寬積得限制,每一級的的增益不能太大,否則波形容易產(chǎn)生失真。如何消除干擾 電源地端,信號源以及CH1和CH2地端位置不恰當都會造成不同程度的干擾,要根據(jù)實際電路找出最佳的接線位置,使波形達到最好的效果。沒接入信號的輸入端要接低,因為輸入的信號5mV較小,易受外界干擾。采用低頻運放芯片輔助過慮去高頻。插電路板的導線不能有太多的導線部分裸露在外面,這樣也會造成一定的干擾。實驗總結(jié)這個實驗總共有兩級電路,比前面做的都要復雜,對各方面的要求都很大。最大的難點就是調(diào)試,不能一開始就整機調(diào)試,必須得一級一級,一步一步的調(diào)否則很容易出現(xiàn)問題,很難一次就調(diào)試成功。在調(diào)試的過程中也碰到了很多問題,比如如何放置地線,如何防止失真,如何濾波等,碰到問題后,要聯(lián)系模電知識分析,然后想各種辦法來解決問題。在解決問題的同時,收獲也特別多,對自己也有很大提高心得體會我們從沒做過課程設(shè)計,開始以為課程設(shè)計就和設(shè)計性試驗一樣有思路提示,那想好電路圖連線,出錯可以改接線??吹皆O(shè)計任務(wù)書才發(fā)現(xiàn),課程設(shè)計并沒想象的那簡單,資料多要靠自己找,設(shè)計電路圖每套設(shè)計方案出來好必須經(jīng)仿真后確定方案是否正確,再根據(jù)實際綜合考慮確定方案。再買元件焊接,到實驗室測試。 通過這次設(shè)計,我的理論知識掌握得更扎實,動手能力明顯提高。同時,通過網(wǎng)上搜索等多方面的查詢資料,我學到許多在書本上沒有的知識。仿真做的效果很好;實物焊接出來不一定有能達到效果。這也讓我認識到理論聯(lián)系實踐的重要。理論學得好,但如果只會紙上談兵,工科是重實踐,但沒理論也不能理解實踐原理。不能設(shè)計出方案。在以后要多些實踐,在這次設(shè)計中,先仿真了以為這次課程設(shè)計很順利,但不是這樣。我們在焊接因此我們第一次做好之后,就去調(diào)試,居然沒第二級信號,我測試芯片的電壓,第一個運放的電壓都為4.5V,但第二個運放的電壓,輸出端的電壓達到6.5 v,檢查線路后發(fā)現(xiàn)沒線路錯誤后,回寢室后改了另一個運放,但效果一樣,其余的兩個運放都是了,但第二級仍不能工作,后來改用兩塊芯片,第二級可以輸出信號了,第二級放大倍數(shù)完全達到要求,但第一級的放大倍數(shù)不符和要求。輸出端的電壓還是與同相端不相等,差距還很大,回寢室想直流電壓被電容阻隔了,電阻上不可能有電位差,能是輸出端直流電壓放大只可以能是電容壞了,在仿真的是果然是這樣。把電容改了之后還是沒達到設(shè)計要求,用電壓表測量反饋電阻阻值大小,發(fā)現(xiàn)電阻誤差偏大,換了一個同標稱值的電阻測試時終于達到了設(shè)計要求。在出錯誤是征求老師和同學的意見,在自己找不到錯誤是,讓同學幫你找錯誤,因為自己可能陷入錯誤的思路;在幾次調(diào)試后終于達到設(shè)計要求。這次設(shè)計,讓我感受最深是,當我們測量輸出電壓時,發(fā)現(xiàn)誤差很大。連續(xù)測量了好幾次,結(jié)果還是一樣。當時我們就急了,到底是哪里出問題了呢?線路應(yīng)該是接好了的,因為有電壓輸出。所以我們一定要具備一定的檢查、排除電路故障的能力。,我深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設(shè)計,我不但知道了以前不知道的理論知識,而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識,明白了學以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個課程設(shè)計的原因。他是為了教會我們?nèi)绾芜\用所學的知識去解決實際的問題,提高我們的動手能力。在整個設(shè)計到電路的焊接以及調(diào)試過程中,我個人感覺調(diào)試部分是最難的,因為你理論計算的值在實際當中并不一定是最佳參數(shù),我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個經(jīng)驗的積累過程,沒有經(jīng)驗是不可能在短時間內(nèi)將其完成的,而個可能也是老師要求我們加以提高的一個重要方面吧!從這次設(shè)計中學到不少書本上沒有知識,對于檢查錯誤,錯誤產(chǎn)生的原因分析有一定的經(jīng)驗。團隊協(xié)作很重用,不同人可以提供不同的思路,通過討論使設(shè)計方案更加完善。 通過這次課程設(shè)計不僅可以鞏固自己的基礎(chǔ)知識,同時可以鍛煉自己的團隊協(xié)作能力,為以后設(shè)計積累的不少的經(jīng)驗。參考文獻1、胡宴如.模擬電子技術(shù) (第二版).高等教育出版社 20062、康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分(第四版).高等教育出版社 19983、謝自美.電子線路設(shè)計.實驗.測試(第二版).華中科技大學出版社 20004、郝鴻安.常用模擬集成電路手冊.人民郵電出版社 199119
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