一種分立元件式高保真音頻功率放大系統的設計

李俊凱

（桂林信息科技學院，廣西桂林，541004）

0 引言

社會飛速發展的當代很多產品和技術的出現其實都是因為人類某一方面的需要，而科技進步到現在已經不單單為了滿足人類物質方面的需求，現在的人類物質生活已經極大豐富，所以人類開始追求精神方面的升華，繪畫，文學，舞蹈，音樂等都是精神方面的享受，而音樂更能帶給人們精神的滿足，為了播放更高品質的音樂有了很多項發明，也有很多產品被制造了出來，錄音機，隨身聽，MP3，MP4等都是這個需求的產物，這些產品可以帶給人們更好的音樂方面的享受，而其中有一個發明是極其重要的，它就是音頻功率放大器。它的出現可以說是一種技術的變革，正是這個發明的出現，讓人們對音樂的追求變得容易很多。

1 系統設計

該系統的主要架構由前級調音部分、后級功放部分電源與喇叭保護部分、藍牙模塊、單片機最小系統組成。在系統構建過程中，需要根據預期目標，產品的整體成本，等因素來確定具體的方案。設計系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 電路設計與分析

2.1 藍牙模塊介紹

ISSC藍牙是智能型無線音頻數據傳輸模塊，是低成本的高效率的雙聲道無線傳輸方案，模塊采用is1681s立體聲芯片，為模塊提供了優質的音頻和普適性，整體性能更為優越。低失真，低感染，音色純凈，傳輸距離遠。藍牙模塊如圖2所示。

圖2 藍牙模塊圖

2.2 前級調音部分

整個電路使用雙5532芯片使整體音色更為出色。四個1N4007二極管整流，速度快于整流橋，多應用于電流小的場合，每個二極管并聯一個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，這對小信號等調音板很重要。電源濾波為兩Rubycon紅寶石2200μF/25V電容，LM7815和LM7915芯片構建的雙電源，能使運放工作在更佳狀態在設計中CA，CB這兩個47pF電容可視作“超前電容”，克服NE5532等集成運放本身增益過高會產生非線性失真等特點，聽久也不會有煩躁感，這個電容作用在長時間聽音才會體現出來其不可或缺。前級調音部分如圖3所示。

圖3 前級調音電路

2.3 電源電路

制作電源模塊電路時采用的是在直流穩壓電源模塊電路中220V交流電壓經過變壓器轉換成24V的交流電壓，先通過小電容濾除二次諧波，最后通過4只10000μF的電解電容來濾除電源紋波完成濾波。因為功放板所需要的功率較大，并且220V電網也比較穩定，所以在電路中取消了穩壓塊的使用，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 喇叭保護電路

這個模塊的功能是當功放通電時，功放的輸出端不會直接與喇叭相連接，需要等待繼電器吸合后才會與喇叭接通，這樣可以防止開機時的瞬間的電流沖擊，可以防止喇叭的損壞。設計帶有保護狀態指示燈上電瞬間此狀態指示燈閃爍，繼電器吸合后常亮，功放輸出直流或者異常后保護功能起作用繼電器跳動此燈閃爍，閃爍功能能很好的給您指示功放的狀態。

當電路板上電之后，通過穩壓塊LM7824輸出24V的直流電壓，通過470kΩ和4.7kΩ的電阻進行分壓，分壓后得到大約1.5V的電壓。此時電路首先會給100μF的電容進行充電，當充電完成之后便會使三極管Q1導通，Q1導通后Q2導通，導通后繼電器的8腳會與地相連接，繼電器線圈通電，繼電器吸合，音頻輸入和輸出導通。達到了延時開機的功能。

2.5 顯示電路

LCD1602與單片機連在一起構成了本次設計的液晶顯示部分。設計需要顯示音頻通道的選擇和音量的大小。

2.6 后級功放電路

后級功放部分電路按照設計要求采用分立元件。采用2SC5200、2SA1943分立管功放制作。這對大功率三極管具有抗毀燒能力強，二次擊穿耐壓高，溫度特性好，抗熱疲勞能力強，開關速度快，集電極功耗大，飽和導通電壓低等優點。使制作出來的功放板高音層次清晰、中音沉穩有力表現的的人聲非常自然、低音下潛很深、氣勢磅礴。如圖5所示。

圖5 后級功放

2.7 單片機最小系統

單片機最小系統由一片單片機、復位電路、時鐘電路、電源電路和輸入/輸出等構成。單片機最小系統結構框圖如圖6所示。

圖6 單片機最小系統

3 系統軟件設計

3.1 系統語言的選擇

本次程序是在Keil軟件編譯環境中使用C語言進行編寫。根據設計要求和電路情況構思出編寫程序的基本框架，程序部分按照設計思路主要分為兩個部分，一部分是通過按鍵控制4個信號繼電器實現對信號的切換，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

系統通電后，第一步開始對單片機中斷以及液晶屏幕初始化，之后將主界面內容顯示在液晶顯示屏幕上。第二步進行通道選擇，音量數據采集，處理數據，最后將讀取的數據通過LCD1602顯示出來，包括音源通道、音量大小。程序流程結構框圖如圖7所示。

圖7 主程序工作流程圖

4 系統設計與調試

4.1 電路設計與焊接

硬件電路的調試是所有工程技術人員的必修課，運用所掌握的知識和通用技能，根據電路的原理和操作手冊進行科學的調試是從業人員應該有的基本素質。

設計完全使用手動布線，這樣能更好的走線，使布局更加美觀，接下來進行焊接。設計中對于有極性的元器件要仔細辨認安裝方向，否則輕則造成元器件的損壞并使整個電路無法使用，重則使電路板被燒壞發生危險，焊接電路板時應非常細心，熟練掌握好焊接規則，才不至于造成焊接短路，元件沒有焊接上去等低級錯誤，在焊接過程中順序也非常重要，一般按規則分步進行。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，最后安裝無極性小電容、繼電器、電位器整流橋堆等元件。測試板上的各個關鍵點的電壓是否正常，再把剩余的元件裝上。本設計會用到不同阻值的電阻，焊接前先確定每個位置所需要的電阻，避免電阻用錯造成電路問題。

4.2 硬件的調試

(1)直流穩壓電源調試：對直流穩壓電源電路的輸入端接上28V的變壓器，再用外用表測量輸出端的電壓是否達到要求的電壓，是否是直流電壓，如果是穩定的直流電壓并且達到要求就表明此電路是成功的，可以使用；如果不是，就要對電路進行分析，找出錯誤，進行改正。

(2)功率放大電路調試：在直流穩壓電源電路可以用的情況下，對功率放大電路進行供電，再在輸出端接上8Ω，20W的外接水泥電阻，然后用數字信號發生器對功率放大電路進行信號輸入，然后用數字示波器觀察輸出波形看是否達到要求。如果可以表明功率放大電路可以正常工作。

(3)喇叭保護電路調試：看繼電器是否在過三秒后吸合，當然，其他電路正確的情況下無法測試喇叭保護電路是否會在故障的情況下斷開揚聲器，不過只要其他電路正確那就問題不大。

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

4.3 系統整體調試

完成硬件電路之后，整個設計的功能就基本確定了，要達到初始設計時的指標要求，就必須把軟件與硬件結合起來進行軟件的編寫。通過前期的檢測，硬件電路是已經沒有問題了，接下來進行軟件的調試，軟件的調試主要分為主程序和子程序，主程序是設計系統的核心程序，是整個設計最重要的部分，子程序是用來實現實質性的功能，如發送、接收、計算、顯示數據等。接下來根據相應的功能來編寫程序實現全部要求。在使用軟件Keil C51中出現語法錯誤要及時的發現然后更改，在最開始調試的時候要檢查頭文件以及各種初始化程序是否正確。其次就是根據功能來逐個檢查程序準確性，在分模塊編寫程序的情況下，發現并解決問題能夠更加有效率。整機如圖8所示。

圖8 整機圖

5 系統的性能指標測試

5.1 輸出功率檢測

輸出功率的檢測方法：通過函數信號發生器在調音前級電路的輸入端接f=1kHz，Uopp=100mV的正弦信號，使用阻值為8Ω，功率為10W的四個水泥電阻兩兩串聯再并聯作為輸出端的負載，然后連接到示波器觀察輸出信號的波形。調節輸入信號的幅度，使輸出波形達到不出現失真（失真度＜5%）且幅度達到最大的臨界點時，測量波形的電壓值（峰峰值），此時的最大輸出功率稱為額定功率，計算出最大輸出功率為（式1）。式中，RL為額定負載阻抗。

測試的最大不失真輸出電壓與功率參數如表1所示，測試參數圖如圖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試圖

因為探頭使用了十倍衰減，所以顯示為5.92V。

5.2 頻率響應的測量

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

通過函數信號發生器輸入一個fo=1kHz，Uopp=100mV的正弦信號，調節示波器測量輸出電壓峰峰值Uopp，然后調節信號源的輸入頻率fi，找出使得輸出電壓峰峰值下降為0.707Uopp時所對應的頻率點即為下限截止頻率fL和上限截止頻率fH。

測試所得數據如表2所示。調節信號發生器上的頻率輸入，測出幾個頻率點數值所分別對應的左聲道和右聲道的電壓點所對應的數值，將這幾個點所對應的數值繪制出頻率響應測量數據表如表3所示。

表2 上下限頻率測量數據表

表3 頻率響應測量數據表

5.3 交流聲電壓的測量

將前級調音的輸入端交流短接到地時（左、右聲道和地連接），輸出端接RL=8R的負載電阻之后連接到示波器，調節示波器并觀察此時的波形。所測得的交流聲波形如圖10所示。

圖10 交流聲電壓測試圖

5.4 效率測試

效率測試所得數據如表4所示。

表4 效率測量數據表

根據公式計算得出效率η為也就是65.5%。符合預期要求≥50%。

6 總結

本次設計的分立元件式高保真音頻功率放大系統進過實機測試達到預期設計目標。特別是在前級使用雙5521運放，后級采用2SC5200、2SA1943分立管功放的設計使整個達到了高功率、高保真的一個輸出效果，聲音表現高音層次清晰、中音沉穩有力表現的的人聲非常自然、低音下潛很深、氣勢磅礴。適合專業音樂人士使用。