李俊凱

（桂林信息科技學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

社會(huì)飛速發(fā)展的當(dāng)代很多產(chǎn)品和技術(shù)的出現(xiàn)其實(shí)都是因?yàn)槿祟?lèi)某一方面的需要，而科技進(jìn)步到現(xiàn)在已經(jīng)不單單為了滿(mǎn)足人類(lèi)物質(zhì)方面的需求，現(xiàn)在的人類(lèi)物質(zhì)生活已經(jīng)極大豐富，所以人類(lèi)開(kāi)始追求精神方面的升華，繪畫(huà)，文學(xué)，舞蹈，音樂(lè)等都是精神方面的享受，而音樂(lè)更能帶給人們精神的滿(mǎn)足，為了播放更高品質(zhì)的音樂(lè)有了很多項(xiàng)發(fā)明，也有很多產(chǎn)品被制造了出來(lái)，錄音機(jī)，隨身聽(tīng)，MP3，MP4等都是這個(gè)需求的產(chǎn)物，這些產(chǎn)品可以帶給人們更好的音樂(lè)方面的享受，而其中有一個(gè)發(fā)明是極其重要的，它就是音頻功率放大器。它的出現(xiàn)可以說(shuō)是一種技術(shù)的變革，正是這個(gè)發(fā)明的出現(xiàn)，讓人們對(duì)音樂(lè)的追求變得容易很多。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要架構(gòu)由前級(jí)調(diào)音部分、后級(jí)功放部分電源與喇叭保護(hù)部分、藍(lán)牙模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)組成。在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，需要根據(jù)預(yù)期目標(biāo)，產(chǎn)品的整體成本，等因素來(lái)確定具體的方案。設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 藍(lán)牙模塊介紹

ISSC藍(lán)牙是智能型無(wú)線(xiàn)音頻數(shù)據(jù)傳輸模塊，是低成本的高效率的雙聲道無(wú)線(xiàn)傳輸方案，模塊采用is1681s立體聲芯片，為模塊提供了優(yōu)質(zhì)的音頻和普適性，整體性能更為優(yōu)越。低失真，低感染，音色純凈，傳輸距離遠(yuǎn)。藍(lán)牙模塊如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙模塊圖

2.2 前級(jí)調(diào)音部分

整個(gè)電路使用雙5532芯片使整體音色更為出色。四個(gè)1N4007二極管整流，速度快于整流橋，多應(yīng)用于電流小的場(chǎng)合，每個(gè)二極管并聯(lián)一個(gè)104的CBB電容，有效濾除電源變壓器引入的高頻噪聲，使電源更干凈，這對(duì)小信號(hào)等調(diào)音板很重要。電源濾波為兩Rubycon紅寶石2200μF/25V電容，LM7815和LM7915芯片構(gòu)建的雙電源，能使運(yùn)放工作在更佳狀態(tài)在設(shè)計(jì)中CA，CB這兩個(gè)47pF電容可視作“超前電容”，克服NE5532等集成運(yùn)放本身增益過(guò)高會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真等特點(diǎn)，聽(tīng)久也不會(huì)有煩躁感，這個(gè)電容作用在長(zhǎng)時(shí)間聽(tīng)音才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)其不可或缺。前級(jí)調(diào)音部分如圖3所示。

圖3 前級(jí)調(diào)音電路

2.3 電源電路

制作電源模塊電路時(shí)采用的是在直流穩(wěn)壓電源模塊電路中220V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成24V的交流電壓，先通過(guò)小電容濾除二次諧波，最后通過(guò)4只10000μF的電解電容來(lái)濾除電源紋波完成濾波。因?yàn)楣Ψ虐逅枰墓β瘦^大，并且220V電網(wǎng)也比較穩(wěn)定，所以在電路中取消了穩(wěn)壓塊的使用，這樣可以獲得更大的功率。電源模塊如圖4所示。

圖4 電源原理圖

2.4 喇叭保護(hù)電路

這個(gè)模塊的功能是當(dāng)功放通電時(shí)，功放的輸出端不會(huì)直接與喇叭相連接，需要等待繼電器吸合后才會(huì)與喇叭接通，這樣可以防止開(kāi)機(jī)時(shí)的瞬間的電流沖擊，可以防止喇叭的損壞。設(shè)計(jì)帶有保護(hù)狀態(tài)指示燈上電瞬間此狀態(tài)指示燈閃爍，繼電器吸合后常亮，功放輸出直流或者異常后保護(hù)功能起作用繼電器跳動(dòng)此燈閃爍，閃爍功能能很好的給您指示功放的狀態(tài)。

當(dāng)電路板上電之后，通過(guò)穩(wěn)壓塊LM7824輸出24V的直流電壓，通過(guò)470kΩ和4.7kΩ的電阻進(jìn)行分壓，分壓后得到大約1.5V的電壓。此時(shí)電路首先會(huì)給100μF的電容進(jìn)行充電，當(dāng)充電完成之后便會(huì)使三極管Q1導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通后Q2導(dǎo)通，導(dǎo)通后繼電器的8腳會(huì)與地相連接，繼電器線(xiàn)圈通電，繼電器吸合，音頻輸入和輸出導(dǎo)通。達(dá)到了延時(shí)開(kāi)機(jī)的功能。

2.5 顯示電路

LCD1602與單片機(jī)連在一起構(gòu)成了本次設(shè)計(jì)的液晶顯示部分。設(shè)計(jì)需要顯示音頻通道的選擇和音量的大小。

2.6 后級(jí)功放電路

后級(jí)功放部分電路按照設(shè)計(jì)要求采用分立元件。采用2SC5200、2SA1943分立管功放制作。這對(duì)大功率三極管具有抗毀燒能力強(qiáng)，二次擊穿耐壓高，溫度特性好，抗熱疲勞能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度快，集電極功耗大，飽和導(dǎo)通電壓低等優(yōu)點(diǎn)。使制作出來(lái)的功放板高音層次清晰、中音沉穩(wěn)有力表現(xiàn)的的人聲非常自然、低音下潛很深、氣勢(shì)磅礴。如圖5所示。

圖5 后級(jí)功放

2.7 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由一片單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路和輸入/輸出等構(gòu)成。單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)語(yǔ)言的選擇

本次程序是在Keil軟件編譯環(huán)境中使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和電路情況構(gòu)思出編寫(xiě)程序的基本框架，程序部分按照設(shè)計(jì)思路主要分為兩個(gè)部分，一部分是通過(guò)按鍵控制4個(gè)信號(hào)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的切換，另一部分是用液晶顯示屏顯示繼電器切換成功。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)通電后，第一步開(kāi)始對(duì)單片機(jī)中斷以及液晶屏幕初始化，之后將主界面內(nèi)容顯示在液晶顯示屏幕上。第二步進(jìn)行通道選擇，音量數(shù)據(jù)采集，處理數(shù)據(jù)，最后將讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)，包括音源通道、音量大小。程序流程結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 主程序工作流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

4.1 電路設(shè)計(jì)與焊接

硬件電路的調(diào)試是所有工程技術(shù)人員的必修課，運(yùn)用所掌握的知識(shí)和通用技能，根據(jù)電路的原理和操作手冊(cè)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)試是從業(yè)人員應(yīng)該有的基本素質(zhì)。

設(shè)計(jì)完全使用手動(dòng)布線(xiàn)，這樣能更好的走線(xiàn)，使布局更加美觀，接下來(lái)進(jìn)行焊接。設(shè)計(jì)中對(duì)于有極性的元器件要仔細(xì)辨認(rèn)安裝方向，否則輕則造成元器件的損壞并使整個(gè)電路無(wú)法使用，重則使電路板被燒壞發(fā)生危險(xiǎn)，焊接電路板時(shí)應(yīng)非常細(xì)心，熟練掌握好焊接規(guī)則，才不至于造成焊接短路，元件沒(méi)有焊接上去等低級(jí)錯(cuò)誤，在焊接過(guò)程中順序也非常重要，一般按規(guī)則分步進(jìn)行。安裝順序遵循先電阻和二極管這些最矮的的器件，然后裝上芯片插座和大功率的電阻，最后安裝無(wú)極性小電容、繼電器、電位器整流橋堆等元件。測(cè)試板上的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓是否正常，再把剩余的元件裝上。本設(shè)計(jì)會(huì)用到不同阻值的電阻，焊接前先確定每個(gè)位置所需要的電阻，避免電阻用錯(cuò)造成電路問(wèn)題。

4.2 硬件的調(diào)試

(1)直流穩(wěn)壓電源調(diào)試：對(duì)直流穩(wěn)壓電源電路的輸入端接上28V的變壓器，再用外用表測(cè)量輸出端的電壓是否達(dá)到要求的電壓，是否是直流電壓，如果是穩(wěn)定的直流電壓并且達(dá)到要求就表明此電路是成功的，可以使用；如果不是，就要對(duì)電路進(jìn)行分析，找出錯(cuò)誤，進(jìn)行改正。

(2)功率放大電路調(diào)試：在直流穩(wěn)壓電源電路可以用的情況下，對(duì)功率放大電路進(jìn)行供電，再在輸出端接上8Ω，20W的外接水泥電阻，然后用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器對(duì)功率放大電路進(jìn)行信號(hào)輸入，然后用數(shù)字示波器觀察輸出波形看是否達(dá)到要求。如果可以表明功率放大電路可以正常工作。

(3)喇叭保護(hù)電路調(diào)試：看繼電器是否在過(guò)三秒后吸合，當(dāng)然，其他電路正確的情況下無(wú)法測(cè)試?yán)缺Ｗo(hù)電路是否會(huì)在故障的情況下斷開(kāi)揚(yáng)聲器，不過(guò)只要其他電路正確那就問(wèn)題不大。

(4)前級(jí)調(diào)音電路：在其他電路調(diào)試正確之后，在功率放大電路的前端接上前級(jí)調(diào)音電路，讓信號(hào)輸入在前級(jí)調(diào)音電路中，然后擰動(dòng)前級(jí)調(diào)音電路中幾個(gè)電位器看數(shù)字示波器的波形是否發(fā)生變化，如果變化和理論一致則表示前級(jí)調(diào)音電路可用。

4.3 系統(tǒng)整體調(diào)試

完成硬件電路之后，整個(gè)設(shè)計(jì)的功能就基本確定了，要達(dá)到初始設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)要求，就必須把軟件與硬件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行軟件的編寫(xiě)。通過(guò)前期的檢測(cè)，硬件電路是已經(jīng)沒(méi)有問(wèn)題了，接下來(lái)進(jìn)行軟件的調(diào)試，軟件的調(diào)試主要分為主程序和子程序，主程序是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心程序，是整個(gè)設(shè)計(jì)最重要的部分，子程序是用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的功能，如發(fā)送、接收、計(jì)算、顯示數(shù)據(jù)等。接下來(lái)根據(jù)相應(yīng)的功能來(lái)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)全部要求。在使用軟件Keil C51中出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤要及時(shí)的發(fā)現(xiàn)然后更改，在最開(kāi)始調(diào)試的時(shí)候要檢查頭文件以及各種初始化程序是否正確。其次就是根據(jù)功能來(lái)逐個(gè)檢查程序準(zhǔn)確性，在分模塊編寫(xiě)程序的情況下，發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題能夠更加有效率。整機(jī)如圖8所示。

圖8 整機(jī)圖

5 系統(tǒng)的性能指標(biāo)測(cè)試

5.1 輸出功率檢測(cè)

輸出功率的檢測(cè)方法：通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在調(diào)音前級(jí)電路的輸入端接f=1kHz，Uopp=100mV的正弦信號(hào)，使用阻值為8Ω，功率為10W的四個(gè)水泥電阻兩兩串聯(lián)再并聯(lián)作為輸出端的負(fù)載，然后連接到示波器觀察輸出信號(hào)的波形。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度，使輸出波形達(dá)到不出現(xiàn)失真（失真度＜5%）且幅度達(dá)到最大的臨界點(diǎn)時(shí)，測(cè)量波形的電壓值（峰峰值），此時(shí)的最大輸出功率稱(chēng)為額定功率，計(jì)算出最大輸出功率為（式1）。式中，RL為額定負(fù)載阻抗。

測(cè)試的最大不失真輸出電壓與功率參數(shù)如表1所示，測(cè)試參數(shù)圖如圖9所示。

表1 最大不失真電壓與功率

圖9 衰減10倍的最大不失真電壓測(cè)試圖

因?yàn)樘筋^使用了十倍衰減，所以顯示為5.92V。

5.2 頻率響應(yīng)的測(cè)量

一個(gè)音頻功率放大器的電壓增益相對(duì)于中音頻fo（1kHz）的電壓增益在下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音頻截止頻率fL和高音頻截止頻率fH，稱(chēng)fL～fH為該音頻功放的頻率響應(yīng)。

通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)fo=1kHz，Uopp=100mV的正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)示波器測(cè)量輸出電壓峰峰值Uopp，然后調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸入頻率fi，找出使得輸出電壓峰峰值下降為0.707Uopp時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)即為下限截止頻率fL和上限截止頻率fH。

測(cè)試所得數(shù)據(jù)如表2所示。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器上的頻率輸入，測(cè)出幾個(gè)頻率點(diǎn)數(shù)值所分別對(duì)應(yīng)的左聲道和右聲道的電壓點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，將這幾個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值繪制出頻率響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)表如表3所示。

表2 上下限頻率測(cè)量數(shù)據(jù)表

表3 頻率響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)表

5.3 交流聲電壓的測(cè)量

將前級(jí)調(diào)音的輸入端交流短接到地時(shí)（左、右聲道和地連接），輸出端接RL=8R的負(fù)載電阻之后連接到示波器，調(diào)節(jié)示波器并觀察此時(shí)的波形。所測(cè)得的交流聲波形如圖10所示。

圖10 交流聲電壓測(cè)試圖

5.4 效率測(cè)試

效率測(cè)試所得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 效率測(cè)量數(shù)據(jù)表

根據(jù)公式計(jì)算得出效率η為也就是65.5%。符合預(yù)期要求≥50%。

6 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)的分立元件式高保真音頻功率放大系統(tǒng)進(jìn)過(guò)實(shí)機(jī)測(cè)試達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。特別是在前級(jí)使用雙5521運(yùn)放，后級(jí)采用2SC5200、2SA1943分立管功放的設(shè)計(jì)使整個(gè)達(dá)到了高功率、高保真的一個(gè)輸出效果，聲音表現(xiàn)高音層次清晰、中音沉穩(wěn)有力表現(xiàn)的的人聲非常自然、低音下潛很深、氣勢(shì)磅礴。適合專(zhuān)業(yè)音樂(lè)人士使用。