邱子境，蘇盈盈

（廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州，510006）

0 引言

伴隨著電子技術(shù)和元器件的發(fā)展，如今能以較低的成本實(shí)現(xiàn)音頻放大器的高效率運(yùn)作，在本設(shè)計(jì)中，音頻放大器的電路板全程手工焊接，實(shí)現(xiàn)的功能包括可將音頻經(jīng)過放大后輸出到揚(yáng)聲器以及耳機(jī)播放；音頻放大倍數(shù)分為0～7 八個(gè)等級(jí)，音量放大級(jí)數(shù)通過數(shù)碼管顯示；音頻放大部分由12V獨(dú)立電源進(jìn)行供電，數(shù)控部分通過5V 獨(dú)立電源進(jìn)行供電；利用NE555 設(shè)計(jì)按鍵防抖動(dòng)電路，利用74LS192 實(shí)現(xiàn)按鍵加減，除了具有放大功率的作用外，LED 部分可實(shí)時(shí)顯示播放信號(hào)音量大小的頻譜，亮光隨著音樂進(jìn)行跳動(dòng)，制造出美觀的視覺效果。下文將從方案設(shè)計(jì)與器件選擇、電路設(shè)計(jì)原理、實(shí)物操作與演示等方面介紹一種基于電子元器件的音頻放大器設(shè)計(jì)。

1 方案設(shè)計(jì)與器件選擇

■1.1 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)部分可分為音頻放大部分和數(shù)控部分，音頻放大部分即對(duì)輸入音頻信號(hào)通過放大器進(jìn)行放大，在通過仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試保證輸出波形不失真的情況下，用電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，減小音頻噪聲，最后將聲信號(hào)輸出到耳機(jī)或喇叭，同時(shí)音量檢測(cè)電路可將音量大小實(shí)時(shí)顯示成LED 的亮度波動(dòng)；數(shù)控部分即按鍵控制音量的級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)并通過數(shù)碼管顯示音量等級(jí)大小，實(shí)現(xiàn)音響音量控制的智能化和可視化。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

■1.2 器件選擇

（1）按鍵防抖電路。按鍵一般都是機(jī)械按鍵，由于觸點(diǎn)具有彈性，當(dāng)按鍵按下或彈起時(shí)，在動(dòng)作的瞬間會(huì)伴隨著一連串的抖動(dòng)，按鍵的開斷狀態(tài)有可能被多次識(shí)別而導(dǎo)致按鍵不靈敏，無法達(dá)到預(yù)期效果，因此需利用外接電路實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。NE555 適合與CMOS、TTL 等邏輯電路匹配使用，由于其只需簡(jiǎn)單的電阻電容就能起到振蕩延時(shí)的作用，具有計(jì)時(shí)精確度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用到按鍵防抖動(dòng)電路中效果良好。

（2）模擬開關(guān)電路。模擬開關(guān)可以根據(jù)輸入電平的高或低控制輸出的狀態(tài)，74LS192 是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，當(dāng)收到上升沿脈沖信號(hào)時(shí)就會(huì)被觸發(fā)，從而可控制加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)，設(shè)置0～7 八個(gè)可調(diào)等級(jí)，方便使用者調(diào)節(jié)音量的大小，實(shí)現(xiàn)音量控制的智能化。

（3）運(yùn)放電路與重低音調(diào)節(jié)電路。LM324 是四運(yùn)放集成電路，用LM324 組成的同相輸入比例放大器，可對(duì)輸入信號(hào)放大特定倍數(shù)，使音量大小的調(diào)節(jié)更為明顯，在高頻部分和低頻部分分別通過LM324 控制，可實(shí)現(xiàn)重音和低音的獨(dú)立調(diào)節(jié)。在運(yùn)放電路的輸入、輸出端添加電容器能起到濾波作用，可減小音頻噪聲。在實(shí)際電路中，當(dāng)濾波電容達(dá)到一定的限值后，其濾波效果幾乎不變，但電容太大會(huì)使其充電時(shí)間加長(zhǎng)，對(duì)電路的帶載能力、工作頻率等有更高的要求，因此電容器的取值要合理。

（4）功放電路。功放電路的作用是把前級(jí)的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，推動(dòng)設(shè)備發(fā)聲，LM386 是一種音頻集成功放，具有增益可調(diào)性、功耗低、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，可將運(yùn)放電路的音頻信號(hào)功率放大進(jìn)而驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。

（5）調(diào)節(jié)放大倍數(shù)電路。CD4051 是一個(gè)單端8 通道的多路開關(guān)，由8 選1 譯碼電路、邏輯電平轉(zhuǎn)換電路和8 個(gè)CMOS 開關(guān)單元組成，用CD4051八路開關(guān)控制不同的電阻接入電路中，根據(jù)電阻的比例大小達(dá)到數(shù)字方式控制放大倍數(shù)的目的。

（6）譯碼電路。譯碼器的作用是將輸入的二進(jìn)制碼譯成相應(yīng)的狀態(tài)信息，并使數(shù)碼管上顯示十進(jìn)制數(shù)。CD4511 是驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器的BCD 七段碼譯碼器，具有消隱、BCD 轉(zhuǎn)換、鎖存控制等功能，可直接驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管。當(dāng)使用按鍵調(diào)節(jié)音量時(shí)，數(shù)碼管將當(dāng)前音量等級(jí)可視化。

（7）音量檢測(cè)電路。LM3915 是一個(gè)單片集成電路十位發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，靈敏度很高，其輸出電流大約是流入7 腳電壓的10 倍來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，盡管電源電壓和溫度不同，電流仍相對(duì)恒定變化，因此可根據(jù)喇叭阻抗來選擇輸入分壓電阻。

2 各電路設(shè)計(jì)原理

（1）按鍵防抖電路。NE555 的4 腳是直接清零端，當(dāng)按鍵未按下時(shí)，2 腳由于上拉電阻的作用，初始時(shí)被置為高電平大于VCC，6 腳為高電平大于VCC，根據(jù)功能表可知此時(shí)輸出低電平；反之，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，輸出高電平，同時(shí)電容C1、C4 在充電，在充電過程中，無論2 腳、6 腳的電平如何變化，仍保持輸出高電平，形成暫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)充電到VCC 時(shí)，輸出低電平。其中高電平的持續(xù)時(shí)間是由電容充電的時(shí)長(zhǎng)決定的，本設(shè)計(jì)中NE555 的按鍵防抖電路的延時(shí)可達(dá)110ms，按鍵狀態(tài)被有效識(shí)別，幾乎不出現(xiàn)抖動(dòng)。

（2）模擬開關(guān)電路。放大倍數(shù)擬分為0～7 八個(gè)等級(jí)，因此需把十進(jìn)制的74LS192 設(shè)置成八進(jìn)制，D0～D3 端口全部接地預(yù)置數(shù)為0，Q0-Q3 為輸出端，采用異步清零的方式，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到8 時(shí)清零，完成0-7 的循環(huán)，而8 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為1000，因此Q3 接清零端MR，當(dāng)Q3 為1時(shí)清零，實(shí)現(xiàn)八進(jìn)制計(jì)數(shù)。當(dāng)DN 端為高電平，UP 端收到上升沿脈沖時(shí)將被觸發(fā)，進(jìn)行加計(jì)數(shù)；當(dāng)UP 端為高電平時(shí)，DN 端收到上升沿脈沖時(shí)將被觸發(fā)，進(jìn)行減計(jì)數(shù)。無論進(jìn)行加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)，觸發(fā)條件都需有一端為高電平，而NE555 電路中，按鍵未按下時(shí)，3 腳輸出為低電平，所以在NE555 的輸出端添加一個(gè)非門使74LS192 的UP 和DN端初始為高電平。按鍵在未按下—按下—松開的過程中，NE555 電路的輸出呈現(xiàn)低—高—低電平的變化，經(jīng)非門輸入到74LS192 呈現(xiàn)高—低—高電平的變化，低到高電平的變化提供一個(gè)上升沿使計(jì)數(shù)器被觸發(fā)進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)。

（3）運(yùn)放電路。運(yùn)放電路是用來控制并調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的音量級(jí)數(shù)的，運(yùn)用LM324 組成的同相輸入比例放大器，電壓放大倍數(shù)可列為，其中Rf 大小由CD4051 八路開關(guān)控制，將R1 設(shè)置為100kΩ，當(dāng)Rf=10kΩ 時(shí)，A 為2；當(dāng)Rf=20kΩ 時(shí)，A 為3，以此類推，通過改變接入電路中Rf的阻值可以達(dá)到調(diào)節(jié)音頻音量級(jí)數(shù)的目的。為減小音頻噪聲，需用電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，且在運(yùn)放電路的輸入、輸出端口也需要用到電容進(jìn)行高通濾波以及低通濾波。

（4）功放電路。功放電路主要是將運(yùn)放電路輸出的音頻信號(hào)功率放大進(jìn)而驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，增益越大，電路的音頻噪聲也會(huì)相應(yīng)增大，此電路不需要用到太大的增益，因此1 腳和8 腳斷開時(shí)增益為20 就合適。為減小音頻噪聲，需要使用低通濾波濾除低頻噪音，比如芯片電源噪音以及音頻輸入端的電流噪音，同時(shí)也要使用高通濾波濾除電路的高頻噪音。

（5）調(diào)節(jié)放大倍數(shù)電路。用CD4051 八路開關(guān)控制將不同的電阻接入電路中可達(dá)到用數(shù)字方式控制音量分級(jí)放大的目的，CD4051 實(shí)則是一個(gè)單刀八擲的開關(guān)，輸入的3位地址碼將決定開關(guān)接通的通道。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為2 時(shí)，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為010，則輸入的地址碼也為010，此時(shí)X2 和X 端接通，Rf 的等效電阻為30KΩ，所以運(yùn)放的放大倍數(shù)為3 倍，以此類推。

（6）譯碼電路。根據(jù)CD4511 的功能表可知，若需數(shù)碼管正常顯示工作，其3、4 腳應(yīng)接高電平，而5 腳接地，QA～QG 分別控制共陰極數(shù)碼管的a～g 端，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極接了高電平，相應(yīng)的段便會(huì)被點(diǎn)亮，輸入不同的狀態(tài)信號(hào)則可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。

（7）音量檢測(cè)電路。LM3915 是一個(gè)單片集成電路十位發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，通過A/D 轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)十個(gè)LED柱實(shí)時(shí)顯示音量大小，使音樂不局限于聽覺，還可通過音樂的高低音大小聲轉(zhuǎn)換成光信號(hào)顯示，具有一定的創(chuàng)意。

（8）重低音調(diào)節(jié)電路。通過不同電容允許通過不同頻率范圍的音頻信號(hào)這一特點(diǎn)，把高頻的音頻信號(hào)單獨(dú)通過LM324 進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)高音部分的放大，通過低頻的音頻信號(hào)單獨(dú)通過LM324 進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)低音部分的放大，此設(shè)計(jì)有利于聽者根據(jù)自身的喜好和對(duì)音樂的不同見解調(diào)節(jié)音色的重音與低音。

電路原理圖如圖2 所示。

圖2 仿真運(yùn)行圖片

3 實(shí)物操作與演示

■3.1 操作說明

根據(jù)不同的電子元器件正常工作時(shí)所需的電源大小不同，此設(shè)計(jì)中需要配備兩個(gè)電源，音頻放大部分需要接入12V 獨(dú)立電源，數(shù)控部分需要接入5V 獨(dú)立電源，此時(shí)電路才能正常工作，插入音頻輸入，喇叭開始工作，初始放大倍數(shù)默認(rèn)為1 倍，通過點(diǎn)擊按鍵1 減小音量，點(diǎn)擊按鍵2 增大音量，音量可調(diào)范圍為0～7。用耳機(jī)進(jìn)行輸出時(shí)，插入耳機(jī)，喇叭停止工作，轉(zhuǎn)換為耳機(jī)發(fā)聲。

■3.2 功能說明

系統(tǒng)自帶獨(dú)立電源，電路設(shè)有0.35cm 的音頻插頭，可對(duì)手機(jī)或電腦的音源信號(hào)進(jìn)行放大輸出至喇叭或耳機(jī)；放大器的放大倍數(shù)分八個(gè)等級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過按鍵進(jìn)行音量增減變化，方便調(diào)整音量大小，每級(jí)音量變化明顯并可通過數(shù)碼管顯示等級(jí)；運(yùn)用NE555 設(shè)計(jì)按鍵防抖電路；通過LM3915 制作音頻大小檢測(cè)器及通過LED 光柱顯示；通過調(diào)節(jié)電位器單獨(dú)控制音樂的高音與低音。

實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 實(shí)物圖

4 結(jié)語

音頻放大器的設(shè)計(jì)運(yùn)用到模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的理論知識(shí)，也涉及到電路設(shè)計(jì)、軟件仿真調(diào)試、焊接、實(shí)物制作等相關(guān)技術(shù)，電源接口、元器件本身等因素都有可能制造音頻噪音污染，因此設(shè)計(jì)制作的重點(diǎn)就是濾除高頻和低頻噪音，設(shè)計(jì)電路時(shí)需通過仿真測(cè)試音頻輸入及輸出的波形，當(dāng)波形失真時(shí)，學(xué)會(huì)檢查電路并作出修改，去除噪音的措施有很多，高通濾波接地可濾除高頻噪音，低通濾波可用于干路直接濾除電源產(chǎn)生的低頻噪音，除此之外也可通過接地進(jìn)行濾除。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了按鍵控制音頻音量的多級(jí)放大，基本無噪音，實(shí)現(xiàn)重低音可調(diào)，并將音律變化通過LED 頻譜顯示。可改進(jìn)的地方是使用PCB 板制作電路，會(huì)比手工焊接萬用板的運(yùn)行穩(wěn)定性略好。