音响的设计与制

岳阳职业技术学院 电子工程系,项目 有源音响 的设计与制作,一、设计任务与任务分析,二、技术指标和设计要求,三、设计提示,四、设计报告撰写顺序及要求,五、设计总结与思考,六、单元电路设计与分析,七、系统实验与调试,一、设计任务与任务分析,要求设计并制作一台具有前置放大、音调控制和功率放大的有源音响。,本任务要求设计与制作一款低燥声、大动态,Hi-,Fi,放音系统，包括前置放大、音调控制、功率放大级等主要部分。要求选材考究，工艺先进合理，音质评判价性能指标高。同时要求整个电路设计简捷明了，容易制作。,一、设计任务,二、任务分析,额定功率,P5W,，负载阻抗为,8,，频率响应范围为,40Hz-10KHz,，输入阻抗大于,20K,，放大倍数,20dB,。,1.,技术指标,二、技术指标和设计要求,（,1,）设计出一款具有高保真效果的前置放大器、音调控制级、功率放大级；,（,2,）选定元器件和参数，并设计好电路原理图；,（,3,）根据电路原理图，设计并制作出,PCB,板,（,3,）电路安装调测；,（,4,）测试输出功率；,（,5,）测试输入阻抗；,（,6,）撰写设计报告。,2.,设计要求,二、技术指标和设计要求,三、设计提示,1.,音响放大器的设计框图如图,1,所示,:,音频信号,前置放大器,音调控制级,功率放大器,扬声器,2.,音响放大器各级增益分配如图,2,所示,:,音频信号,混合前置放大器,音调控制级,功率放大器,图,2,音响放大器设计方框图,扬声器,20,倍,1,倍,20,倍,三、设计提示,3.,设计用仪器设备,:,示波器、交流毫伏表、万用表、低频信号发生器、实验面包板或万能板、智能电工实验台,4.,设计用主要器件：,集成功放,TDA2030,（或,LA4102,）两片、四运放,LM324,一块（或,741,三块）、,LA4102,、高阻话筒,20K,一个、扬声器（,8,欧,/4W,）一个、电阻电容若干。,三、设计提示,1,、封面,2,、设计任务书,3,、中英文摘要和关键词 （摘要是概括设计的内容、方法和观点，以及取得的成果和结论。,100,字以上。关键词是供检索用的主题词条，应是能覆盖设计主要内容的单词或术语。一般为,35,个。）,四、设计报告撰写顺序及要求,4,、目录（按章、节、小节三级标题编写，采用数字序号分级编号，目录中的标题要与正文中的标题一致。目录中应包括绪论、正文、结论、致谢、参考文献、附录等。）,5,、绪论（说明本设计的意义、目的、设计范围及应达到的技术要求；简述本课题在国内外的发展概况及存在问题；说明本设计的指导思想；阐述本设计应解决的主要问题）,四、设计报告撰写顺序及要求,（,1,）方案选择与论证；,（,2,）方案的原理框图，总体电路图及原理说明；,（,3,）单元电路设计与原理说明，元器件选择和电路参数计算说明；,（,4,）电路调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。,四、设计报告撰写顺序及要求,6,、正文（分章、节、小节三级标题撰写）,四、设计报告撰写顺序及要求,7,、结论（对整个设计进行归纳和综合而得出的总结，在设计过程中的收获体会及设计存在的问题和进一步的改进意见等。）,8,、致谢（对在设计过程中曾直接给予帮助的人员表示自己的谢意。）,9,、参考文献,10,、附录,A,：总电路图和,PCB,图,附录,B,：元器件清单,附录,C,：集成模块的管脚排列与管脚功能,五、设计的总结与思考,注：该课题由两组配合完成（一组制作前置放大器，另一组制作音调放大器和功放）,1,、总结功率放大器的设计和测试方法；,2,、总结设计前置放大器所用的知识点；,六、单元电路设计与分析,前置放大器的下限频率要小于音调控制器的低音转折频率，上限频率要大于音调控制器的高音转折频率。考虑到设计电路对频率响应及零输入（即输入端短路）时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器,LF353,。,LF353,是一种双路运算放大器，属于高输入阻抗低噪声集成器件。其输入阻抗达到，输入偏置电流仅为,50,，单位增益频率为,4MHz,，转换频率为,13V/,，用做音频前置放大器十分理想。,1,、前置放大器的设计,六、单元电路设计与分析,前置放大器的设计示例,六、单元电路设计与分析,音调控制器的功能是：根据需要按一定的规律控制调节音响放大器的频率响应，更好地满足人耳的听觉特性。一般音调控制器只对低音和高音信号的增益进行提升或衰减，而中音信号的增益不变。, 音调控制器的设计,音调控制器的设计主要是根据转频率的不同来选择电位器电阻及电容参数。,六、单元电路设计与分析,音调控制电路示例,六、单元电路设计与分析,功率输出级电路结构有许多种形式，选择由分立元器件组成的功率放大器或单片集成功率放大器均可。这里选用集成运算放大器组成的典型,OCL,功率放大器，其电路如图,8,所示。其中由运算放大器组成输入电压放大驱动级，由晶体管组成的复合管为功率输出级。三极管与都为,NPN,管，仍组成,NPN,型的复合管。与为不同类型的晶体管，所组成的复合管导电极性由第,1,只管决定，为,PNP,型复合管。,3.,功率输出级的设计,设计示例,功 放电路设计示例,第二部分 直流稳压电源的设计与制作,一、设计任务,要求电源输出电压为,15V,，输入电压为交流,220V,，最大输出电流为,Iomax,=500mA,，纹波电压,VOP-P10mV,，稳压系数,Sr5%,。,设计一个能输出,15V,的直流稳压电源，以满足有源音响系统的需要,二、任务分析,1.,设计一个能输出,15V,的直流稳压电源；,2.,拟定测试方案和设计步骤；,3.,根据任务要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；,4.,绘出电路原理图，并用,Protel,画出印制板图；,5.,制作设计的直流稳压电源；,6.,调试与测量直流稳压电源的性能指标，包括稳压电源内阻稳压系数、纹波电压；,8.,撰写设计报告。,三、相关知识,直流稳压电源按习惯可分为,化学电源,、,线性稳压电源,和,开关型稳压电源,，下面我们将具体介绍这几类电源。,三、相关知识,化学电源,我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于化学电源，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。化学电源小巧灵活,但供电能力不足，污染环境。,三、相关知识,线性直流稳压电源,我们线性直流稳压电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关稳压电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。,三、相关知识,开关型直流稳压电源,开关型直流稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它的电路形式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等。基本的开关型直流稳压电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路 。,四、方案设计,电源电路的形式选择：因为设计任务中要求输出电压为,15V,，并且对输出纹波要求较高，所以可以考虑采用,线性直流稳压电源,。,四、方案设计,（,1,）电网供电电压交流,220V(,有效值,)50Hz,，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。,（,2,）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。,（,3,）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。,（,4,）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载,RL,。,之整体设计思路,四、方案设计,稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：,(1),根据稳压电源的输出电压,Uo,、最大输出电流,Iomax,，确定稳压器的型号及电路形式。,(2),根据稳压器的输入电压，确定电源变压器副边电压,u2,的有效值,U2,；根据稳压电源的最大输出电流,I0max,，确定流过电源变压器副边的电流,I2,和电源变压器副边的功率,P2,；根据,P2,，由相关资料查出变压器的效率,，从而确定电源变压器原边的功率,P1,。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。,(3),确定整流二极管的正向平均电流,ID,、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。,之设计步骤,五、详细方案,由输出电压,15V,的设计要求，本方案的稳压电路采用两个三端固定稳压器,W7815,和,W7915,构成集成稳压器。,W7800,和,W7900,系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。使用注意，为使调整管工作在放大区，应使,UI,UO,2V,，但考虑调整管功耗，也不宜过大。,1.,稳压电路的设计,五、详细方案,W7800,系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有,5V,、,6V,、,9V,、,12V,、,15V,、,18V,、,24V,七个档次，输出电流最大可达,1.5A,（加散热片）。若要求负极性输出电压，则可选用,W79xx,系列稳压器。图,3,为,W78xx,与,w79xx,系列的外形和接线图，有三个引出端：,输入端（不稳定电压输入端） 标以 “,1”,输出端（稳定电压输出端） 标以 “,3”,公共端 标以 “,2”,稳压电路的设计,（,W7800,、,W7900,系列）,五、详细方案,1,端,:,输入端,2,端,:,公共端,3,端,:,输出端,W7800,系列稳压器外形,1,2,3,1,端,:,公共端,2,端,:,输入端,3,端,:,输出端,W7900,系列稳压器外形,1,2,3,稳压电路的设计,（,W7800,、,W7900,系列）,五、详细方案,整流电路的形式有半波整流，全波整流，桥式整流和倍压整流等,。,整流是稳压电源的一个重要组成部分，它的主要作用是进行波形变换即将交流信号变成直流信号。,2.,整流电路的设计与选型,五、详细方案,1,、半波整流电路形式。,2,、半波整流电路特点：,整流电路的设计与选型,方案一,半波整流电路,五、详细方案,1,、全波整流电路形式：,2,、全波整流电路特点：,3,、全波整流电路中的二极管选型原则,整流电路的设计与选型,方案,二 全波桥式整流电路,五、详细方案,整流电路的设计与选型,通过对几种整流电路的性能和效果进行比较，为了克服半波整流的缺点，本电源采用桥式整流电路。,五、详细方案,滤波电路的作用,3.,滤波电路的设计与选型,整流电路是将交流电变成直流电的一种电路，但其输出的直流电的脉动成分较大，而一般电子设备所需直流电源的脉动系数要求小于,0.01,。故整流输出的电压必须采取一定的措施。尽量降低输出电压中的脉动成分，同时要尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电，这样的电路就是直流电源中的滤波电路。,五、详细方案,滤波电路的方案设计,3.,滤波电路的设计与选型,方案,1,、 电容滤波：,方案,2,、 电感滤波：,方案,3,、,LC,滤波：,方案,4,、,LC,型滤波和,RC,型滤波：,五、详细方案,4.,电源变压器的设计：,变压器次级线圈电压的有效值,U2,在前面已经求出为,15V,，变压器次级线圈电流有效值,I2,比,IL,大，,I2,与,IL,的关系取决于电流脉冲波形的形状，波形愈尖有效值越大。一般取,I2 (1.1,3) I2,。这里取,I2=1.5IL=1.5*2=3A,变压器副边的功率为：,P2=P2b+P2a=2U2aI2=2*15*3=90VA,变压器副边与原边的功率比为：,P2/P1=,五、详细方案,5,整体电路图,六、电路制作与调试,1. PCB,板设计,：,设计原理图,定义封装,PCB,图纸基本设置,生成并加载网络表文件,更新,PCB,板,元件布局,布线规则设置,布线,生成报表文件,文件打印输,制作,PCB,板,PCB,设计流程图,六、电路制作与调试,2.,电路安装：,(1),工艺要求：,(2),焊接基本步骤（五步焊接法）：,六、电路制作与调试,3.,性能检查 ：,将设计与制作的电路通电，首先进行直观检查，眼观电路板上各元件有无冒烟，手摸主要元件如集成稳压块，滤波电容等是否过热，如有异常，立即断电，检查电路元件安装是否正确，是否存在虚焊，假焊和漏焊等错误，将故障排除后再通电试验。,六、电路制作与调试,性能检查 ：,整流滤波电路测试,找到整流滤波电路的测试点，分别测量波形和电压，将数据记录到下表中,电 路 形 式,U,L+,（,V,）,U,L-,（,V,）,u,L,波形,R,L,=240,C=47Of,六、电路制作与调试,性能检查 ：,稳压输出电路的测试,找到稳压输出端，测量该点的电压值和纹波电压，看是否达到设计要求，如未达到要求，检查稳压电路和滤波元件的质量,六、电路制作与调试,性能检查 ：,测量输出电阻,R0,改变滑线变阻器位置，使,I0,为空载、,50mA,和,100mA,，测量相应的,U0,值，记入下表，然后计算输出电阻的大小。,测,试 值,计算值,I,0,（,mA,）,U,0,（,V,）,R,0,（,）,空载,R,0,50,100,七、有源音响安装与调试,在安装调试前，首先将所选用的电子元器件测试一遍，以确保元器件完好。在进行元器件安装时，布局要合理，连线应尽可能短而直，所用的测量仪器也要准备好。, 前置级的调试, 音调控制器的调试, 功率放大器的调试, 整机调试,七、有源音响安装与调试,1,、 测量前置放大电路输出电压放大倍数,Au,测试条件：直流电源电压,15v,，输入信号,1KH,70,mv,（振幅值,100mv,），输出负载电阻分别为,4,和,8,。,2,、 测量允许的最大输入信号（,1KH,）和最大不失真输出功率,测试条件：直流电源电压,15v,，负载电阻分别为,4,和,8,。,直流电源电压,10v,，负载电阻为,8,。,七、有源音响安装与调试,3,、 测量上、下限截止频率,fH,和,fL,测试条件：直流电源电压,15v,，负载电阻为,8,输入信号,70mv,（振幅值,100mv,），改变输入信号频率,观察输出信号幅度的变化,.,第三部分 无线话筒的组装,一、工作原理,二、原理分析,三、电路组装与调试,四、产品测试,五、相关知识,一、工作原理,什么是无线话筒？简单地说，它就是一种通过无线电波或其它的方式传输声音的设备。它先将自然界的声音信号变成音频电信号，用这个音频电信号去调制电子振荡器产生的高频信号，然后，将高频信号通过天线发射到空中。当然，我们需要将发射频率设计在,FM,收音机波段。在无线话筒的距离范围内，,FM,收音机将接收到的高频信号还原成声音信号。,概叙：,二、原理分析,下面的就是调频无线话筒的电路图，电路非常简洁，没有多余的器件。高频三极管,V1,和电容,C3,、,C5,、,C6,组成一个电容三点式的振荡器，对于初学者我们暂时不要去琢磨电容三点式的具体工作原理，我们只要知道这种电路结构就是一个高频振荡器就可以。三极管集电极的负载,C4,、,L,组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在,88,108MHZ,之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整,L,的数值（拉伸或者压缩线圈,L,）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过,C4,耦合到天线上再发射出去。,1.2,无线话筒原理分析,二、原理分析,调频无线话筒的电路图,R4,是,V1,的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使,V1,工作在放大区，,R5,是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。,这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。,工作原理分析,二、原理分析,话筒,MIC,可以采集外界的声音信号，这里我们用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻,R3,可以提供一定的直流偏压，,R3,的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过,C2,耦合和,R2,匹配后送到三极管的基极，电路中,D1,和,D2,两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有,0.7V,，如果信号电压超过,0.7V,就会被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负,0.7V,之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真甚至无法正常工作。,工作原理分析,二、原理分析,CK,是外部信号输出插座，可以将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号源通过专用的连接线引入调频发射机，外部声音信号通过,R1,衰减和,D1,、,D2,限幅后送到三极管基极进行频率调制。所以这个套件不但可以做一个无线话筒，而且还可以做一个电视机无线耳机使用。,电路中发光二极管,D3,用来指示工作状态，当调频话筒得电工作时就会点亮，,R6,是发光二极管的限流电阻。,C8,、,C9,是电源滤波电容，因为大电容一般采用卷绕工艺制作的，所以等效电感比较大，并联一个小电容,C8,可以使电源的高频内阻降低，这个电路非常常见。,无线话筒原理分析,二、原理分析,电路中,K1,和,K2,其实是一个开关，它有三个不同的位置，拨到最左边时断开电源，最右边是,K1,、,K2,接通做调频话筒使用，中间位置是,K1,接通,K2,断开，做无线转发器使用，因为做无线转发器使用是话筒不起作用，但是话筒会消耗一定的静态电流，所以断开,K2,可以降低耗电、延长电池的寿命。,二、原理分析,无线话筒原理分析,三、电路组装与调试,1,、电阻、陶瓷电容不用分正负极，但是必须注意电阻值和电容量不要搞错。请参见我们电子实验套件中的介绍的有关方法。,2,、板上的话筒有正负极性之分，和铝制外壳相连接的一极为负极，另一极为正极。为了能装上线路板，请先加焊两只脚。,装配说明：,3,、三极管的三只管脚功能完全不同，一定要分清楚。请参见本站电子实验套件、网站等相关电子资料中提供的识别方法。,4,、元件包中有铜线制作的线圈，它的外面有一层绝缘漆。它是一个关键的元件，调节线圈间距可以改变发射频率和距离。,装配说明：,三、电路组装与调试,5,、元件包中含有电路板插针，安装在关键点后，可以用来和电子实验套件灵活的配合使用，从而可以做范围更广的电子实验。,6,、元件位置请不要装错，焊接时间最好控制在,2-3,秒，力求元件安放到位并且美观，多次检查无误后即可通电调试、使用。,装配说明：,三、电路组装与调试,1,、先找来,FM,收（录）音机，打开电源和音量，将频率调在,100MHz,左右无电台的地方。给无线话筒电路板通上电源，对准收音机。,2,、用螺丝刀（有条件者请用无感螺丝刀，或者参见网站自制）调节振荡线圈,L1,的稀疏（线圈匝间距离），直到收音机传出尖叫声。,调试说明：,三、电路组装与调试,3,、这时再慢慢移开话筒和收音机距离，同时适当调节收音机（或者话筒板）的音量、调谐旋钮，直到声音最清晰、距离又最远为止。,4,、建议上述步骤分别在,88MHz,、,98MHz,、,108MHz,附近都试试，这样即使无线话筒发射频率存在较大偏差，收音机也能够收到。,调试说明：,三、电路组装与调试,5,、如果收音机仍不能收到，请检查元件有没有装错，元件有没有损坏，电源是否正常。五一电子网站、电子实验套件、你身边的朋友和书店里的书都可以帮你解决这个问题。,调试说明：,三、电路组装与调试,三、电路组装与调试,1,、无线话筒线圈,L1,匝间距离变近和换容量大一点的电容关联会使发射频率变低；要使发射频率变高，就需要采取相反的措施。,2,、和,L1,并联的电容变化范围不可以太大和太小，否则发射频率会偏到离谱，甚至不会产生高频发射信号（电路不会起振）。,测试的相关经验：,四、产品测试,3,、如果你想要更远的传输距商，请给收音机和无线话筒增加更好的天线，并适当升高无线话筒的电源电压。,4,、简易型无线话筒中的,L2,用铁线短路；调节增强型无线话筒中的,L2,、,L3,可以使距离会达到最远。,5,、选用灵敏度更高、选择性更强的高档收音机可以进行更远距离的接收。,测试的相关经验：,四、产品测试,