基于電子元器件的音頻放大器設(shè)計

邱子境，蘇盈盈

（廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(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現(xiàn)音頻放大器的高效率運作，在本設(shè)計中，音頻放大器的電路板全程手工焊接，實現(xiàn)的功能包括可將音頻經(jīng)過放大后輸出到揚聲器以及耳機播放；音頻放大倍數(shù)分為0～7 八個等級，音量放大級數(shù)通過數(shù)碼管顯示；音頻放大部分由12V獨立電源進行供電，數(shù)控部分通過5V 獨立電源進行供電；利用NE555 設(shè)計按鍵防抖動電路，利用74LS192 實現(xiàn)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(shè)計與器件選擇、電路設(shè)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(shè)計。

1 方案設(shè)計與器件選擇

■1.1 方案設(shè)計

設(shè)計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(shù)控部分即按鍵控制音量的級數(shù)調(diào)節(jié)并通過數(shù)碼管顯示音量等級大小，實現(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(tài)有可能被多次識別而導(dǎo)致按鍵不靈敏，無法達到預(yù)期效果，因此需利用外接電路實現(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(yōu)點，所以應(yīng)用到按鍵防抖動電路中效果良好。

（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 是同步十進制可逆計數(shù)器，當收到上升沿脈沖信號時就會被觸發(fā)，從而可控制加計數(shù)或減計數(shù)，設(shè)置0～7 八個可調(diào)等級，方便使用者調(diào)節(jié)音量的大小，實現(xiàn)音量控制的智能化。

（3）運放電路與重低音調(diào)節(jié)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(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，可實現(xiàn)重音和低音的獨立調(diào)節(jié)。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(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，可將運放電路的音頻信號功率放大進而驅(qū)動喇叭發(fā)聲。

（5）調(diào)節(jié)放大倍數(shù)電路。CD4051 是一個單端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制碼譯成相應(yīng)的狀態(tài)信息，并使數(shù)碼管上顯示十進制數(shù)。CD4511 是驅(qū)動共陰極顯示器的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)動共陰數(shù)碼管。當使用按鍵調(diào)節(jié)音量時，數(shù)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(fā)光二極管驅(qū)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(qū)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(jù)喇叭阻抗來選擇輸入分壓電阻。

2 各電路設(shè)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(jù)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(wěn)態(tài)，當充電到VCC 時，輸出低電平。其中高電平的持續(xù)時間是由電容充電的時長決定的，本設(shè)計中NE555 的按鍵防抖電路的延時可達110ms，按鍵狀態(tài)被有效識別，幾乎不出現(xiàn)抖動。

（2）模擬開關(guān)電路。放大倍數(shù)擬分為0～7 八個等級，因此需把十進制的74LS192 設(shè)置成八進制，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，當計數(shù)器計數(shù)到8 時清零，完成0-7 的循環(huán)，而8 對應(yīng)的二進制數(shù)為1000，因此Q3 接清零端MR，當Q3 為1時清零，實現(xiàn)八進制計數(shù)。當DN 端為高電平，UP 端收到上升沿脈沖時將被觸發(fā)，進行加計數(shù)；當UP 端為高電平時，DN 端收到上升沿脈沖時將被觸發(fā)，進行減計數(shù)。無論進行加計數(shù)還是減計數(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，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(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上升沿使計數(shù)器被觸發(fā)進行加或減計數(shù)。

（3）運放電路。運放電路是用來控制并調(diào)節(jié)音頻信號的音量級數(shù)的，運用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(diào)節(jié)音頻音量級數(shù)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(qū)動喇叭發(fā)聲，增益越大，電路的音頻噪聲也會相應(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(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到用數(shù)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(guān)，輸入的3位地址碼將決定開關(guān)接通的通道。當計數(shù)器計數(shù)為2 時，相應(yīng)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(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，當某個發(fā)光二極管的陽極接了高電平，相應(yīng)的段便會被點亮，輸入不同的狀態(tài)信號則可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。

（7）音量檢測電路。LM3915 是一個單片集成電路十位發(fā)光二極管驅(qū)動器，通過A/D 轉(zhuǎn)換輸出信號驅(qū)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(zhuǎn)換成光信號顯示，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這一特點，把高頻的音頻信號單獨通過LM324 進行放大，實現(xiàn)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(xiàn)低音部分的放大，此設(shè)計有利于聽者根據(jù)自身的喜好和對音樂的不同見解調(diào)節(jié)音色的重音與低音。

電路原理圖如圖2 所示。

圖2 仿真運行圖片

3 實物操作與演示

■3.1 操作說明

根據(jù)不同的電子元器件正常工作時所需的電源大小不同，此設(shè)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(shù)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(shù)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(diào)范圍為0～7。用耳機進行輸出時，插入耳機，喇叭停止工作，轉(zhuǎn)換為耳機發(fā)聲。

■3.2 功能說明

系統(tǒng)自帶獨立電源，電路設(shè)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(shù)分八個等級進行調(diào)節(jié)，通過按鍵進行音量增減變化，方便調(diào)整音量大小，每級音量變化明顯并可通過數(shù)碼管顯示等級；運用NE555 設(shè)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(diào)節(jié)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(jié)語

音頻放大器的設(shè)計運用到模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的理論知識，也涉及到電路設(shè)計、軟件仿真調(diào)試、焊接、實物制作等相關(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)計制作的重點就是濾除高頻和低頻噪音，設(shè)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(xué)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(chǎn)生的低頻噪音，除此之外也可通過接地進行濾除。本設(shè)計實現(xiàn)了按鍵控制音頻音量的多級放大，基本無噪音，實現(xiàn)重低音可調(diào)，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(wěn)定性略好。