數字擴音器的設計與實現

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院,陜西 商洛 726000)

由于大多數功放只能接收模擬音頻信號,對應的各集成電路的接口幾乎都是模擬的,因此模數轉換和數模轉換就需要反復進行。然而,這樣的過程會引入量化噪聲,導致音質有所下降,從而效果無法達到最佳[1-2]。數字功放在功耗和體積上占有絕對的優勢,已廣泛應用于汽車音響和要求較高的重低音有源音箱[3]。本文設計了一款數字擴音器,該擴音器具有電路簡單、開發周期短、穩定性高等特點。

1 設計要求與總體方案設計

1.1 設計要求

本文設計的數字擴音器主要采用D類音頻功率放大器元件,該元件的作用就是把來自音源或前級放大器的弱信號放大,從而達到設計的要求。設計的數字擴音器具備以下功能[4]:① 放大音頻;② 調節音調;③ 調節音量。

1.2 總體方案

本文設計的數字擴音器主要由4個模塊構成(見圖1),包括音頻輸入、選頻網絡、放大模塊、數字功放。4個模塊的作用如下所示[5]:

(1)音頻輸入。檢測的聲音被采集后送到控制系統。

(2)選頻網絡。利用電阻電容的分頻網絡實現音調調節。

(3)放大模塊。利用運算放大器構成的放大電路對信號電壓進行放大。

(4)數字功放。利用數字電路的原理對音頻信號進行電流放大,從而驅動揚聲器。

通過滑動變阻器的調節改變輸入信號的頻率,然后通過選頻網絡將頻率調節到預期值,再通過電壓放大器調節音調的大小,最后信號傳輸到D類功放芯片。通過電流放大促使功率放大來驅動揚聲器工作,最終達到數字信號放大的設計要求和預期效果。

圖1 數字擴音器的總體框圖Fig.1 Overall block diagram of digital amplifier

2 數字擴音器硬件設計

2.1 電源電路設計

本文主要采用橋式整流電路,該電路的原理比較簡單。電源電路將220 V的交流電壓轉變為12 V的直流電壓[6],電源電路原理如圖2所示。

利用變壓器的特性將220 V的電壓轉化為一個低壓交流電,然后經橋式整流電路轉變成脈動的直流電加到電容C9,再經過濾波作用產生一個15 V的直流電壓,這部分電壓提供給功率放大器[7];15 V直流電壓經過LM7812的降壓作用產生一個12 V的直流電壓,該直流電壓符合運算放大器工作的要求。

圖2 電源電路原理Fig.2 Power circuit principle

2.2 音量調整電路設計

音量調整電路的核心器件是一個電位器R10,R10的主要作用就是分壓。按照一定的規律或比例在變阻器上滑動浮點,產生不同的輸出值,從而完成音量的調整和改變[8]。音量調整電路如圖3所示。

2.3 音調調整電路設計

音調調整電路設計采用的是反比例運算放大器,由電阻和電容形成一個選頻網絡,通過改變電容兩極板間的距離和正對面積來改變電容的大小,從而改變網絡的頻率以實現音調的調整[9]。

2.4 數字功放

圖3 音量調整電路Fig.3 Volume adjustment circuit

D類功放對信號進行轉換,損耗幾乎為零,因此電源的利用率非常高[10]。本文設計主要以D類功放為主。功率放大電路由4個組成部分,分別是電路供電、信號輸入、功放處理和信號輸出[11]。數字功放芯片采用TDA8932芯片。輸入的音頻模擬信號經過脈沖寬度調制處理后,按照一定的比例形成一個脈沖鏈,被放大的信號再由低通濾波器將高頻部分濾除,得到一個被放大的輸入信號波形來驅動揚聲器,最終達到數字信號放大的目的[12]。

3 實物調試

焊接完成之后,首先查看整體焊接部分有無接錯,測試各端點之間的數據是否正確,并且測量不應該有連通關系的端點之間是否存在連通或短路,然后再測量電源和地之間是否存在短路。排查完成之后,如各端點之間的值與理論值相符,則硬件測試過程結束。通電后,用萬用表的電壓檔對D功放的電壓和運算放大器的電壓進行測量。檢查校準完畢后輸入一個音頻信號,在運算放大器的輸出端用示波器觀察或者用耳機來聽是否有聲音,有聲音說明各個部分都連接正常。焊接調試最終的實物如圖4所示。

圖4 實物Fig.4 Actual object

4 結語

本文設計的數字擴音器主要由4個重要組成部分,分別是電源電路、音量調整電路、音調調整電路和數字功放電路,每個組成部分都起著至關重要的作用。音頻信號經電流放大,從而驅動揚聲器,最終達到音頻放大、音調和音量調節的效果。

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