数控音量调节集成音频功率放大器 课程设计报告

广西民族大学 本科综合课程设计报告 题 目：数控音量调节集成音频功率放大器 学院（系）： 信息肯学与工程学院 专 业 ： 自动化 年级班级 ： 11自动化1班 学 号 ： 111263010402 学生姓名 ： 梁陈世 指导教师 ： 覃 晓 1 前言32 原理33 电路设计53.1 技术指标53.2 方案论证53.2.1 芯片选择53.3工作方式选择63.3.1功率放大器的设计与计算73.3.2单电源供电OTL音频功率放大器工作原理73.3.3双电源供电BTL音频功率放大器工作原理84、硬件设计94.1功率放大器94.2数控音量调节电路104.2.1 CD4051八路模拟开关设计114.2.2 CD4516八进制设计144.2.3计数脉冲164.2.4计数脉冲与CD4516相连1843电源设计184.3.1 功放电源194.3.2 数控电源204.4 散热设计215、电路制作与调试215.1电路元件的选取215.2电路的焊接215.3调试与参数设置245.4 数控音量集成音频功率放大器的测试基本内容：265.5数据纪录与处理276、心得体会29参考文献：30数控音量调节集成音频功率放大器1、前言：本设计采用TDA2030作为功放芯片，采用OCL电路供电，用按钮开关作为CD4516的计数脉冲，作为计数器的输入，然后计数器的低三位输出控制八路模拟开关CD4051，选择不同的衰减倍数，达到对电平的控制，将音频信号经过八个电阻组成的衰减网络，输入给TDA2030功放芯片，实现音频信号的放大，通过一个阻抗为8.3的喇叭表现出来。关键词：TDA2030功放芯片、衰减式音调、电压增益、功率增益。2、原理：我们熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外围电路较复杂，且容易自激。LM1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，但是高频特性较差（BW70KHz）。TDA2030A上升速率高、瞬态互调失真小；输出功率大，而保护性能以较完善；外围电路简单，使用方便；频带宽BW（10140KHz），缺点是低频特性欠缺。综合题目要求，选用TDA2030A 作功放。 本设计功率放大器选用集成功放TDA2030A，采用双电源OCL电路，原理图如图1所示。C1 为信号耦合电容，R3为输入接地电阻，防止输入开路时引入感应噪声。 R1、R2组成反馈网络，C2为直流负反馈电容，以使电路直流为100%负反馈。静态工作点稳定性好。 D1、D2为保护二极管。 R4和C3 组成输出退耦电路，防止功放产生高频自激。 C4、C5、C6、C7是电源退耦电容。 4个 1N4004组成全桥整理电路，防止正负电源误接。RW电位器可以实现输入衰减，可作音量调节用。图2数控音量调节集成音频功率放大器原理图框3、电路设计3.1技术指标1、在音频信号处输入正弦波输入电压幅度800mV，等效负载电阻 RL满足： （1）额定功率输出功率：POR10W； （2）频率响应：BW20Hz 100kHz（3dB） （3）在 POR 和BW内非线性失真系数：1 (10W,30Hz20kHz）； （4）在 POR 下的效率55%； 2、数控音量调节部分尽量能多档位。 3、电源稳压部分不要自制，但要求必须有整流滤波电路。 3.2方案论证3.2.1芯片选择我们熟悉的集成功放有TDA2030A、LM1875、TDA1514等，其中TDA1514外围电路较复杂，且容易自激。LM1875外围电路简单，电路成熟，低频特性好，保护功能齐全，但是高频特性较差（BW70KHz）。TDA2030A上升速率高、瞬态互调失真小；输出功率大，而保护性能以较完善；外围电路简单，使用方便；频带宽BW（10140KHz），缺点是低频特性欠缺。综合题目要求，选用TDA2030A作功放。TDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。 TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030 在电源电压14V，负载电阻为4时输出14瓦功率（失真度05）；在电源电压 16V，负载电阻为4时输出18瓦功率（失真度05）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。3.3工作方式选择3.3.1功率放大器的设计与计算本设计功率放大器选用集成功放TDA2030A，采用双电源OCL电路，原理图如图1所示。TDA2030A开环增益为90dB，即放大倍数A=32000。因为要求输出到8电阻负载上的功率POR10W，而加上功率管管压降2V，则 V= +2=12.65+2=14.65V取电源电压为15V。 所以计算效率为 输出最大不失真电压=12.65V，故 =32则功率电压增益取30dB优缺点：优点是省去体积较大的输出电容，频率特性好，缺点是需要双电源供电，对电源的要求稍高。3.3.2单电源供电OTL音频功率放大器工作原理电路图优缺点：优点是可以使用单电源供电，是电池供电的首选电路。缺点是需要通过体积较大电解电容作为输出耦合。3.3.3双电源供电BTL音频功率放大器工作原理用两块TDA2030 组成如图3所示的BTL功放电路，TDA 2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1馈入同相输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3 / R2R3 / R230dB。R3 同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。TDA2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA 2030（1）输出端的U01 经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益KVCR9 / R7/R5R9/R730dB。由R9R5，所以TDA 2030（1）与TDA 2030（2）的两个输出信号U01 和U02 应该是幅度相等相位相反的，即： U01UinR3 / R2 U02U01R9 / R5 R5 U02 U01 因此在扬声器上得到的交流电压应为： Vo U01 （U02） 2U01 2U02原理图：优缺点：优点是无论使用单电源还是双电源供电都不需要输出电容，理想输出功率是单个OCL电路的4倍。优点是功率做得更大，缺点是电路比较复杂。4、硬件设计4.1功率放大器TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5 脚单列直插式塑料封装结构。如图6所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。 图6 TDA2030芯片的引脚图4.2数控音量调节电路本电路采用可利用一按钮开关产生稳定的脉冲，作为计数器CD4516的输入。CD4516 （CD4510）为一单时钟可逆十六进制（十进制）计数器，计数器的低三位输出控制八路模拟开关CD4051，选择不同的衰减倍数，达到对信号电平的控制。同时计数器输出经74LS248译码后直接驱动共阴数码管做音量档位显示。4.2.1、CD4051八路模拟开关芯片简介：如图8，CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。 图8 CD4051芯片引脚图 控制端输入不同的电位，对应的通道不同，从而实现八路模拟开关的功能，如图9是每个通道对应的输入状态。如图9是由电阻和芯片组成的衰减网络，左边八个电阻起到分压作用，在相同的输入电压状况下，前置电阻越大，分压越大，从而衰减越多，从而实现音频档位的控制。如表1，是每个档位对应的音量大小。 图9 CD4051控制端输入状态对应的接通通道图 图10 电阻衰减网络CBA=000, Vo1=R10/(R1+R10)Vi CBA=001, Vo1=R10/(R2+R10)Vi表1 衰减网络中每个电阻对应的档位电阻对应的档位R1 390K1档 最小（无声音）R2 100K2档R3 51K3档R4 30K4档R5 10K5档R7 1K6档R8 1007档R9 4.78档 最大选择合适的电阻衰减网络，使音量变化明显。4.2.2、CD4516计数 CD4516是一个十六进制的计数器，工作电压+5V。在本次设计中，芯片16脚VDD接+5V，8脚VSS接地。由于我们只需要利用到八进制的计数器功能，所以，把计数器的2脚（Q3）悬空，相当于只取后三位（八进制），如图12，按照Q3Q2Q1Q0顺序排的主循环状态图，我么不看Q3，只看Q2Q1Q0，就是一个八进制的循环状态图。 图11 CD4516引脚图0000000100100011110101000101011011110111100011101001110010111010图12 CD4516主循环状态图 如图13 芯片状态图，P0、P1、P2、P3预置输入端，在PE上升沿有效。U/D加减设置端，1位加，0位减。CLK时钟端，上升沿有效；RST复位端，高电平复位 ；Q0、Q1、Q2、Q3十六进制输出端；CIN低端进位；COUT加减到输出端。 图13 CD4516状态图P0、P1、P2、P3 预置输入端，在PE 上升沿有效。U/D 加减设置端，1位加，0位减。CLK时钟端，上升沿有效；RST 复位端，高电平复位 ；Q0、Q1、Q2、Q3 十六进制输出端；CIN 低端进位；COUT 加减到输出端；按功能表，预置功能没有使用，P0P1P2P3P4 悬空、接高低电平都可，计数情况下 PE 要接高电平，CI接低电平，CLK输入脉冲。JP4 跳帽接到U/D,用来设置音量递增或递减调节方向。CD4051 模拟开关有八路开关，CD4516 要设置成八进制（需要提供 000-111 或 111-000 的计数），只需要连接输出Q2Q1Q0低三位到CD4051的CBA即可（不必反馈清零，RST直接接0）。4.2.3、计数脉冲 CD4516的CLK在上升沿计数，CLK计数脉冲由按键上拉电阻产生，如图12所示。通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号模型如图 13。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms10ms。这是一个很重要的时间参数,在很多场合都要用到。 按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。 键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保 CPU 对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。硬件消抖：在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。下图所示的RS触发器为常用的硬件去抖。 图 13中两个“与非”门构成一个RS 触发器。当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。 此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开 B）,中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS 触发器的工作过程很容易得到验证。另一种硬件消抖的方法利用电容的放电延时，采用并联电容法，也可以实现硬件消抖，如图14所示。4.2.4、计数脉冲与CD4516相连4.3、电源设计4.3.1 功放电源功放部分电源由220V 经双12V变压器降压，过整流桥整流，电容滤波，输出Vcc15V。 理论上，整流桥出来的负载电压VL应满足15V以上，才能保证芯片正常工作。故变压器变压后的有效电压应该是： 直流电流为 输出功率：整流桥中四个二极管，两两轮流导通，所以流经每个二极管的平均电流是 整流桥内的二极管承受的最大反向电压为： 但是，实际上，经过电容滤波电路后， 所以，负载上的电压 负载上的电流 负载上的功率： 整流桥上的二极管的平均电流是： 整流桥内的二极管承受的最大反向电压为： 整流桥的内部二极管的击穿电压要高于17.67V，最好是20V以上，比如IN4007和IN4001。在滤波电容的选择上，我们选择一个较大的2200uF的电解电容和一个0.1uF的104瓷片电容，可以分别滤掉不同频率的交流信号。考虑到功率要足够，实际生活中，变压器输出电压都比额定输出电压高一点，TDA2030用的是双电源OCL供电。所以我们选择的变压器是双12V40W的变压器。 4.3.2 数控电源音量调节采用5V直流稳压电源，用三端稳压集成块7805。7805的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压为输出电压的3-4V以上。引脚如图16，1脚输入，2脚接地，3脚输出。在电路中的放置如图17，由于稳压芯片远离整流桥的滤波电容，所以为了避免会有交流电出现，加上两个电容C1和C9，去除交流成分。C10和C11是为了防止电路的瞬态响应，改善电路的稳定性。LED灯显示稳压芯片是否开始工作。4.4 散热设计 TDA功放芯片工作时候会产生大量的热量，所以必须得安装散热片，本设计中是利用散热效果较好的铝合金散热片，7.5*2*4.5cm的规格。由于数控模块电路功率不大，7805稳压芯片工作时候不会产生太大的热量，可以考虑不安装散热片，鉴于安全性，本设计安装了一个小型的散热片。5、电路制作与调试5.1 电路元件的选取本电路采用TDA2030、CD4516、CD4051、7805等芯片，采用桥堆、电阻、电容、开关等普通品。电路板用铜板制作。5.2 电路的焊接用PROTEL画原理图，再按照原理图PCB板并制作PCB板，再按PCB图焊接元件。 功放PCB 数控PCB5.3 调试与参数设置调试：1、对照原理图，检查各个元器件的引脚是否接对了，不对的修改好。2、测量变压器输出电压是否低于14V，高于14V会造成2030工作状态不稳定。3、通电时，用手摸住TDA2030，观察TDA2030，如芯片迅速发烫则立即关断电源，排除故障。4、功放模块不发烫状况下，测量整流桥出来的正负电压是否正常，偏低或偏高都要断电检查，到底是变压器不合格还是电路的问题。5、连接音箱前先测量下TDA2030输出端的直流电压，正常应该很小（接近0）；如直流电压输出很大则不要接入音箱，排除故障后才能接。为了以防万一，我们可以在音箱的线路上串联一个大电容，把直流成分滤掉。6、正负电源千万不能接反；7、TDA2030芯片引脚很容易断，安装时请注意。8、功放模块正常工作后，拔掉数控模块的4516和4051芯片，给数控模块供电，通电时候用手摸住7805，如果快速发烫，马上断电排除故障。9、故障排除后，用万用表测量7805输出电压是否是5V，或者接近5V。测量4516和4051芯片的16脚和8脚，看电压是否是5V。如果不是，检查电路，排除故障。PCB参数设置1、 数控音量调节电路部分和集成功放部分要求分别做到 2 块独立的 PCB 板（大小为 10cm*10cm）上，注意留出它们之间的连接头。2、变压器的封装是大3P插头。 3、集成功放部分请注意： 散热问题设计，PCB 注意留出散热片安装位置； TDA2030的反面是和负电压连通的，可以不加绝缘片，但要注意不要碰到了“地”。 此部分电流较大，请适当加粗铜线； 喇叭输出、音频信号输入、变压器电源输入不要靠得太近。 4、为了制作和焊接时候方便，一般要求焊盘直径2.5mm，铜线1.5mm。 （能大就尽量大，以免断线打飞）直径可以3mm 5、制作PCB 时请注意元件封装要跟实际元器件相符合。 6、接口安排5.4 数控音量调节集成音频功率放大器的测试基本内容注意：直流电源电压15V，负载电阻为8.2。将数控音量调节调到最大输入的情况。 只测试功放板，数控板不接。1、直流档测量TDA2030A的3、5脚电源电压Vcc= Vdd= Vo= 2、测量输出电压放大倍数Au，测试条件：接入负载电阻8，调节输入信号1KH，用示波器观察输出信号，幅度最大不失真输出，交流档测量并纪录输入电压（1uF电容左边）、输出电压，计算放大倍数。Vi= Vo= Au=3、测量上、下限频率fh和fL，测试条件：步骤2基础上，输入信号幅度不变，示波器观察输出信号，增大加大输入信号频率，当输出信号峰值下降到步骤2峰值的0.707倍时（步骤2输出电压0.707Vo），此时的频率即为上限频率fh；减小输入信号频率，同样当输出信号下降到步骤2峰值的0.707倍时（步骤2输出电压0.707Vo），此时的频率即为下限频率fL。 fh= fL=4、效率计算由步骤1、2，计算效率。5.5 数据记录与处理负载电阻为8.3。将数控音量调节调到最大输入的情况。1测量输出电压放大倍数Au。 测试条件：调节输入信号1KH，幅度最大不失真输出，记录录输入电压、输出电压，填入表2，计算放大倍数。 公式：放大倍数Au=Vom / |Vi| 电压增益Av=20lg|Au|dB 表2 测量输出电压倍数 输入电压Vi196mv输出电压Vom5.1V放大倍数Au26电压增益Av28dB 把测量值经过计算得出，电压增益Av为28dB，基本达到预期，满足实验要求，数据属于正常。2测量上、下限频率fH和fL。 测试条件：步骤1：输入信号幅度不变，加大输入信号频率，当输出信号下降到步骤1输出电压的0.707时，此时的频率即为上限频率fH；减小输入信号频率，当输出信号下降到步骤1输出电压的0.707时，此时的频率即为下限频率fH。并将数据填入表3。公式：通频带BW=fH-fL表3 测量上、下限频率上限频率fH下限频率fH9.5KHz2.0Hz 经过测量，通频带为2.0Hz9.5KHz,在误差允许范围内，基本满足任务要求。3效率测试 测量TDA2030直流电源电压，计算效率。如表4表4 效率测试电源正电压电源负电压平均电压18.07V-18.0618.06V计算：要求输出到8.3电阻负载上的功率POR10W，测量得电源电压为18.06V。 计算效率为满足任务要求的55%。 6、心得体会本次课程设计是上大学的第一次课程设计，在设计过程中的每一步的成功都有无法言语的激动，为了检查电路我们可以废寝忘食的留在实验室，彼此帮助相互学习。本次课程设计过程前期比较轻松，后期做PCB图时候出现不少问题，不合理的安排极容易产生飞线。功放模块中芯片2030，我们给它1脚接一个接地电阻，防止开路时候引入感应噪声。4脚接个电阻和电容组成退耦电路，可以有效避免高频自激。 在把整流桥接入电路时候，需要用万用表测量，确定后正负后才能接入电路，不能只看元器件上标志的“+”号，不少“+”都是标歪掉的，很难区分。 变压器电压不能超过14V，否则，经过整流后，电压会增加到2030不能正常工作的地步。 在制作PCB图时候，要尽量避免90度以及低于90度的拐角，以免引起尖端放电。经过这次课程设计，理解了一个电子产品从构思到做出来的基本流程。并且巩固了模电，数电，protel制图的知识，学会了焊接的技巧，调试技巧，以及做板的基本方法。通过这次课程设计是我明白了动手能力的重要性，以及自己思考问题的重要性，自己可以亲手做出来一个数控功放挺有成就感的。同时，非常感谢老师对我们的耐心及细心指导。7、参考文献1、集成音频功率放大器电路原理图2、集成音频功率放大器电路PCB图3、数控音量调节电路原理图4、数控音量调节电路PCB图5、TDA2030资料6、7805芯片资料7、CD4051芯片资料8、电子技术基础 数字部分 第五版 康华光主编9、电子技术基础 模拟部分 第五版 康华光主编30