实用音频功放设计 设计

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实用音频功放设计

介绍了如何设计并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=8Ω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。 　　1 总体方案设计 　　系统的原理方案图如上图所示。它主要由音频功率放大、控制器、键盘、显示电路组成。该系统是一个具有低噪声、输出功率可调控的功放电路。 　　2  单元模块设计 　　2.1 功率放大模块 　　由于题目已经要求使用分立元件做功放后级，且也规定使用OCL结构的功放电路，因此，我们就此要求进行方案设计。 　　（1）方案一 　　前级使用高性能的集成运放，如NE5532、NE5534、LM381、OPA2134等，后级采用分立元件做后级，即用运放来驱动功放电路。这样的电路制作起来相对简单，性能也不错，但是后级所需的电压值通常较高，难以满足题目的要求。 　　（2）方案二 　　整个电路由分立元件构成，后级采用大功率三极管做输出，例如2SC5200，B817，TIP35等，以获得足够的输出功率。但是大功率三极管在低压下难以发挥其作用，不仅系统不稳定，而且波形极易失真，带宽小。 　　（3）方案三 　　整个电路也由分立元件构成，前级使用差动放大电路，后级使用中功率管构成互补对称功率放大电路。由于要找到两只性能完全一致的NPN和PNP两种型号的大功率管是很困难的，但要找到两只性能完全相同的同型号的大功率管就容易多了。与此同时，采用复合管作为功率放大三极管，电路简单，易调试。 　　综上所述，方案三电路比较简洁，功率管容易配对，调整方便，可兼顾多方面的指标要求，所以选择此方案。 　　其电路原理图如图1所示。 图1 　　电路输入部分，由VT1、VT2组成单端输入、单端输出的差动放大电路，它具有一致性好，容易配对，工作噪声低等优点。信号由的VT1基极输入，从VT1的集电极输出。VT3为推动级，它是由一只PNP管组成的共发射极放大电路，在这里，采用PNP管是为了和前置级的NPN管适配，易于中点电压的调零。VT4、VT5与VT6、VT7组成复合准互补甲乙类推挽功率输出级。VD2与R6组成推挽输出级的静态偏置电路，使输出级工作在甲乙类，调节R6可调整其工作点。 　静态时，VT1、VT2的基极电流IB1≈IB2≈IB，其基极电位为-IB×R12。由于IB很小，所以基极电位可近似认为VB1≈VB2≈0V。而发射极电位VE1=VE2 =VE≈-0.7V。所以R2中的电流IR2=[-0.7-（-V）]/R6 =（15-0.7）/7.5×10=1.9mA。I为VT1、VT2两管静态电流之和，故IC=IR2/2=0.9mA。改变R2的阻值，就可以调整前置放大级的静态工作点。但R2的值不可过小，否则抑制零点漂移的效果就会减弱。 　　R1既是VT1的集电极负载，又是推动级VT3的偏置电阻。改变R1的阻值，可以调整VT3的静态工作电流IC3。当R13和R14选好后，只要调节R1，就可使中点电位为0V。R6为输出级复合管基极的静态工作点调整电阻，改变R6的阻值，就可调整输出级的静态工作电流，一般应调在10~20mA为好。 　　2.2 音量控制模块 图2 　　2.2.1 控制部分 　　单片机扫描键盘，当功率加减按键按下时，程序自动内部进行运算，当按下功率输出键时，LCD显示设置的输出功率，一方面，单片机控制DA转换芯片DAC0832输出控制电压，调整输入信号的强弱；另一方面，程序控制输出功率的强弱限制输出功率的大小符合事先的设置值，此时的输出信号的电压值由ADC0809取得并传送到单片机处理，由此得到的数据反馈到DAC0832中，实现对输出信号的实时监控，以设置的功率恒定输出。于是，功放的输出功率由程序控制，成为数字控制的功率输出。 　　2.2.2 显示部分 　　方案一：使用数码管LED显示。使用LED显示的好处是显示亮度高，元件的价格低，容易购买。 　　方案二：使用液晶LCD显示屏显示数据。LCD屏可以多行同时显示字符，并且能显示汉字或者任何的字母数字，占用面积小，响应速度快。 　　方案一有个很大的缺点就是当需要显示的字符很多的时候，PCB布线将变得很繁琐，占用单片机资源比较多，虽然串行显示可以解决这个问题，但是为了避免不必要的麻烦，把时间浪费在程序编写以及PCB 布线上，使用LCD显示是一个很好的选择。字符显示方面，一个方案是使用LED数码管显示，另一个方案是使用LCD液晶显示屏显示数据。而且现在的LCD自带字库，编程显示字符变得非常简单。 　　2.2.3 键盘部分 　　方案一：所有的数字字符采用4*4按键控制。 　　方案二：采用一个控制按键加一个设置按键来控制单片机的运行。 　　方案一明显不能体现简约的设计方法，因此如果使用方案二的话，只要在程序上稍微编写一下，将能省下很多接口资源，并且控制起来简单很多，布线也非常简单，因此键盘使用方案二。 　　2.2.4 输入信号控制部分 　　方案一：采用数字电位器控制输入信号。 　　方案二：采用DA控制输入信号。 　　方案一采用数字电位器，目前数字的数字电位器可控制的电压幅度有限，最大电压不超过5V，且课通过电流也很小，线性度差，单片机控制起来不方便。所以采用方案二，DA采用DAC0832，单片机控制起来极其方便，线性度也较好，但信号经过DA后，被掺入噪声，所以在输出端需加电容滤波。 　2.2.5 整流电路部分 　　方案一：采用一般的桥堆整流滤波。 　　方案二：采用带反馈的运放整流电路。 　　方案一中，整流桥堆在整流时电压会有压降，将导致在计算功率时出现较大误差。方案二采用了反馈技术保证了在整流时不会产生压降，在计算功率时精度大大提高。 　　2.2.6 输出功率测量部分 　　方案直接确定为：功放的输出电压经过整流电路得有效值，有效值经过ADC0809将模拟电压值转换成数字量，在单片机内换算成功率值显示在LCD上。 　　2.2.7 滤波电路部分 　　方案一：采用普通电容滤波。 　　方案二：采用8阶有源滤波。 　　方案一中采用传统电容滤波方式，但是需使用大小不一的多种电容，占空间大，且效果不一定好。如采用有源滤波，电路简单，滤波效果好，最高只能让0.0001Hz的频率通过。 　　3  各器件的安放位置及布线规则 　　功放电路应遵循单点接地的原则，即以电源地为“点”，前后级各元件的接地端都一根一根的接到电源地去。前后级的电源也采取单点接地的布线规则，以避免后级的大电流影响到前级电路。并且电源地与输出地应尽可能的接近，输入端的地线也应引长线到电源地，这样可以进一步减少影响，减小噪声电压。走线应追求短，并且简洁。 　　功放电路的布局也很重要，应遵循简洁、对称、美观的原则。 　　4  测量仪器 　　TFG2050V型函数信号发生器；双踪示波器；失真度测试仪 　　5  测试报告 　　电源提供±20V电源，函数信号发生器输出0.35Vpp的正弦信号，接好负载和失真度测试仪，示波器探头测量输出端。 　　（1）失真度及功率测试 　　在失真度为 0% 时，输出功率为 15.0171 W。 　　（2）频率响应 　　输入0.35Vpp正弦波，调整输入信号频率，测得带宽为5Hz~100KHz，优于设计要求。 　　（3）将输入端交流短接到地，功率输出端接上8电阻负载，用双踪示波器测得输出噪声电压为= 10mVpp。 　　（4）固定信号源的幅度和频率，设置输出功率 　　6  结语 　　本设计的目的是设计一个可以控制输出功率的音频放大器，能够使用键盘控制输出任何有效范围内的功率，并且要求功率放大器具有低噪声高效率等。我们在制作的过程中遇到了很多的麻烦，不过由于我们在赛前做了充足的准备，经过仔细的论证试验都圆满的解决了。

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固定信号源的幅度和频率，设置输出功率

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我驻足，与你隔着一米的距离，静静的看着你，想像着从网络里走来的影子，那么真实的出现在我的视线内，有过那么一瞬间的虚幻，以为这是梦。好在，你走过来，笑着问：你在想什么？我还来不及回神，你已拉着我的手，踩在石板上，一边指着紫色的花瓣说，原来，你也喜唐山牛皮癣去哪里治疗最好，欢紫丁香。