基于電子元器件的音頻放大器設計

邱子境，蘇盈盈

（廣州大學 機械與電氣工程學院，廣東廣州，510006）

0 引言

伴隨著電子技術和元器件的發展，如今能以較低的成本實現音頻放大器的高效率運作，在本設計中，音頻放大器的電路板全程手工焊接，實現的功能包括可將音頻經過放大后輸出到揚聲器以及耳機播放；音頻放大倍數分為0～7 八個等級，音量放大級數通過數碼管顯示；音頻放大部分由12V獨立電源進行供電，數控部分通過5V 獨立電源進行供電；利用NE555 設計按鍵防抖動電路，利用74LS192 實現按鍵加減，除了具有放大功率的作用外，LED 部分可實時顯示播放信號音量大小的頻譜，亮光隨著音樂進行跳動，制造出美觀的視覺效果。下文將從方案設計與器件選擇、電路設計原理、實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計。

1 方案設計與器件選擇

■1.1 方案設計

設計部分可分為音頻放大部分和數控部分，音頻放大部分即對輸入音頻信號通過放大器進行放大，在通過仿真實驗測試保證輸出波形不失真的情況下，用電容對電源進行濾波，減小音頻噪聲，最后將聲信號輸出到耳機或喇叭，同時音量檢測電路可將音量大小實時顯示成LED 的亮度波動；數控部分即按鍵控制音量的級數調節并通過數碼管顯示音量等級大小，實現音響音量控制的智能化和可視化。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

■1.2 器件選擇

（1）按鍵防抖電路。按鍵一般都是機械按鍵，由于觸點具有彈性，當按鍵按下或彈起時，在動作的瞬間會伴隨著一連串的抖動，按鍵的開斷狀態有可能被多次識別而導致按鍵不靈敏，無法達到預期效果，因此需利用外接電路實現按鍵消抖。NE555 適合與CMOS、TTL 等邏輯電路匹配使用，由于其只需簡單的電阻電容就能起到振蕩延時的作用，具有計時精確度高、價格便宜等優點，所以應用到按鍵防抖動電路中效果良好。

（2）模擬開關電路。模擬開關可以根據輸入電平的高或低控制輸出的狀態，74LS192 是同步十進制可逆計數器，當收到上升沿脈沖信號時就會被觸發，從而可控制加計數或減計數，設置0～7 八個可調等級，方便使用者調節音量的大小，實現音量控制的智能化。

（3）運放電路與重低音調節電路。LM324 是四運放集成電路，用LM324 組成的同相輸入比例放大器，可對輸入信號放大特定倍數，使音量大小的調節更為明顯，在高頻部分和低頻部分分別通過LM324 控制，可實現重音和低音的獨立調節。在運放電路的輸入、輸出端添加電容器能起到濾波作用，可減小音頻噪聲。在實際電路中，當濾波電容達到一定的限值后，其濾波效果幾乎不變，但電容太大會使其充電時間加長，對電路的帶載能力、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的音頻信號進行功率放大，推動設備發聲，LM386 是一種音頻集成功放，具有增益可調性、功耗低、外接元件少和總諧波失真小等優點，可將運放電路的音頻信號功率放大進而驅動喇叭發聲。

（5）調節放大倍數電路。CD4051 是一個單端8 通道的多路開關，由8 選1 譯碼電路、邏輯電平轉換電路和8 個CMOS 開關單元組成，用CD4051八路開關控制不同的電阻接入電路中，根據電阻的比例大小達到數字方式控制放大倍數的目的。

（6）譯碼電路。譯碼器的作用是將輸入的二進制碼譯成相應的狀態信息，并使數碼管上顯示十進制數。CD4511 是驅動共陰極顯示器的BCD 七段碼譯碼器，具有消隱、BCD 轉換、鎖存控制等功能，可直接驅動共陰數碼管。當使用按鍵調節音量時，數碼管將當前音量等級可視化。

（7）音量檢測電路。LM3915 是一個單片集成電路十位發光二極管驅動器，靈敏度很高，其輸出電流大約是流入7 腳電壓的10 倍來驅動負載，盡管電源電壓和溫度不同，電流仍相對恒定變化，因此可根據喇叭阻抗來選擇輸入分壓電阻。

2 各電路設計原理

（1）按鍵防抖電路。NE555 的4 腳是直接清零端，當按鍵未按下時，2 腳由于上拉電阻的作用，初始時被置為高電平大于VCC，6 腳為高電平大于VCC，根據功能表可知此時輸出低電平；反之，當按鍵被按下時，輸出高電平，同時電容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，形成暫穩態，當充電到VCC 時，輸出低電平。其中高電平的持續時間是由電容充電的時長決定的，本設計中NE555 的按鍵防抖電路的延時可達110ms，按鍵狀態被有效識別，幾乎不出現抖動。

（2）模擬開關電路。放大倍數擬分為0～7 八個等級，因此需把十進制的74LS192 設置成八進制，D0～D3 端口全部接地預置數為0，Q0-Q3 為輸出端，采用異步清零的方式，當計數器計數到8 時清零，完成0-7 的循環，而8 對應的二進制數為1000，因此Q3 接清零端MR，當Q3 為1時清零，實現八進制計數。當DN 端為高電平，UP 端收到上升沿脈沖時將被觸發，進行加計數；當UP 端為高電平時，DN 端收到上升沿脈沖時將被觸發，進行減計數。無論進行加計數還是減計數，觸發條件都需有一端為高電平，而NE555 電路中，按鍵未按下時，3 腳輸出為低電平，所以在NE555 的輸出端添加一個非門使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 電路的輸出呈現低—高—低電平的變化，經非門輸入到74LS192 呈現高—低—高電平的變化，低到高電平的變化提供一個上升沿使計數器被觸發進行加或減計數。

（3）運放電路。運放電路是用來控制并調節音頻信號的音量級數的，運用LM324 組成的同相輸入比例放大器，電壓放大倍數可列為，其中Rf 大小由CD4051 八路開關控制，將R1 設置為100kΩ，當Rf=10kΩ 時，A 為2；當Rf=20kΩ 時，A 為3，以此類推，通過改變接入電路中Rf的阻值可以達到調節音頻音量級數的目的。為減小音頻噪聲，需用電容對電源進行濾波，且在運放電路的輸入、輸出端口也需要用到電容進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放電路輸出的音頻信號功率放大進而驅動喇叭發聲，增益越大，電路的音頻噪聲也會相應增大，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，同時也要使用高通濾波濾除電路的高頻噪音。

（5）調節放大倍數電路。用CD4051 八路開關控制將不同的電阻接入電路中可達到用數字方式控制音量分級放大的目的，CD4051 實則是一個單刀八擲的開關，輸入的3位地址碼將決定開關接通的通道。當計數器計數為2 時，相應的二進制碼為010，則輸入的地址碼也為010，此時X2 和X 端接通，Rf 的等效電阻為30KΩ，所以運放的放大倍數為3 倍，以此類推。

（6）譯碼電路。根據CD4511 的功能表可知，若需數碼管正常顯示工作，其3、4 腳應接高電平，而5 腳接地，QA～QG 分別控制共陰極數碼管的a～g 端，當某個發光二極管的陽極接了高電平，相應的段便會被點亮，輸入不同的狀態信號則可以顯示相應的數字。

（7）音量檢測電路。LM3915 是一個單片集成電路十位發光二極管驅動器，通過A/D 轉換輸出信號驅動十個LED柱實時顯示音量大小，使音樂不局限于聽覺，還可通過音樂的高低音大小聲轉換成光信號顯示，具有一定的創意。

（8）重低音調節電路。通過不同電容允許通過不同頻率范圍的音頻信號這一特點，把高頻的音頻信號單獨通過LM324 進行放大，實現高音部分的放大，通過低頻的音頻信號單獨通過LM324 進行放大，實現低音部分的放大，此設計有利于聽者根據自身的喜好和對音樂的不同見解調節音色的重音與低音。

電路原理圖如圖2 所示。

圖2 仿真運行圖片

3 實物操作與演示

■3.1 操作說明

根據不同的電子元器件正常工作時所需的電源大小不同，此設計中需要配備兩個電源，音頻放大部分需要接入12V 獨立電源，數控部分需要接入5V 獨立電源，此時電路才能正常工作，插入音頻輸入，喇叭開始工作，初始放大倍數默認為1 倍，通過點擊按鍵1 減小音量，點擊按鍵2 增大音量，音量可調范圍為0～7。用耳機進行輸出時，插入耳機，喇叭停止工作，轉換為耳機發聲。

■3.2 功能說明

系統自帶獨立電源，電路設有0.35cm 的音頻插頭，可對手機或電腦的音源信號進行放大輸出至喇叭或耳機；放大器的放大倍數分八個等級進行調節，通過按鍵進行音量增減變化，方便調整音量大小，每級音量變化明顯并可通過數碼管顯示等級；運用NE555 設計按鍵防抖電路；通過LM3915 制作音頻大小檢測器及通過LED 光柱顯示；通過調節電位器單獨控制音樂的高音與低音。

實物圖如圖3 所示。

圖3 實物圖

4 結語

音頻放大器的設計運用到模擬電子技術和數字電子技術的理論知識，也涉及到電路設計、軟件仿真調試、焊接、實物制作等相關技術，電源接口、元器件本身等因素都有可能制造音頻噪音污染，因此設計制作的重點就是濾除高頻和低頻噪音，設計電路時需通過仿真測試音頻輸入及輸出的波形，當波形失真時，學會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生的低頻噪音，除此之外也可通過接地進行濾除。本設計實現了按鍵控制音頻音量的多級放大，基本無噪音，實現重低音可調，并將音律變化通過LED 頻譜顯示。可改進的地方是使用PCB 板制作電路，會比手工焊接萬用板的運行穩定性略好。