课设有源音箱论文.doc

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摘 要
有源音箱主要由功放组件和电源变压器组成。功放组件主要是前置放大器和功率放大器组成，前置放大器主要负责信号的电压放大、音量控制、多路音源的切换、音调调整以及阻抗匹配等功能，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出，电源变压器则为功放组件提供电能。通过对集成前置放大器，集成功率放大器的设计和集成稳压电源的设计完成有源音箱的设计。

第1章 前言
1。1 本设计的意义
有源音箱实际上就是功放机与音箱的结合体。咱们过去在市场上见到的家庭影院组合，是把功放机与音箱分开的，而有源音箱就是把功放机放在了音箱里.在多媒体应用丰富的今天,一套多媒体音箱基本上是每一套系统中的标准配置。而大多数用户往往会忽视这方面的选择,为什么会存在这种现象呢？消费者一般存在两个极端的心态：1,本身对音频系统表现就没有过高要求，只要能发声就行了,装机商人送的音箱就能满足他们；2，本身对音频质量有着一定水准的要求，对电脑这方面能力不报什么希望,所以也就迁就了。其实这些消费者对于有源多媒体音箱还是存在某些误解的，随着国内多媒体音箱产业在不断竞争中发展，也涌现出不少好产品,其实只要你明白自己需要什么,还是能有产品能满足你的需求的。
1.2有源音箱的认识
有源音箱（Active Speaker）又称为“主动式音箱”.通常是指带有功率放大器的音箱，如多媒体电脑音箱、有源超低音箱,以及一些新型的家庭影院有源音箱等.有源音箱由于内置了功放电路，使用者不必考虑与放大器匹配的问题，同时也便于用较低电平的音频信号直接驱动.
有源音箱是指在音箱内部装有自配功放的一类音箱。这些功 放是专门用于推动音箱内的喇叭，由于进行了专门的匹配设计,所以这 些功放都能较好地用于推动音箱内的喇叭，从而让使用者不需再去考虑 功放的功率有多大以及阻抗是否匹配等问题。另外，由于在音箱内还装 有在放大器的前边便进行分频的电子分频器以及每台功放仅仅负责放大 一段频率的声频信号，所以放大器的效率往往可以做得高些,失真也相 对可以小些.
此外，还有一些专业用内置功放电路的录音监听音箱和采用内置电子分频电路和放大器的电子分频音箱也可归入有源音箱范畴。
所谓有源音箱就是指将功放做在音箱内部，可直接与音源连接并正常工作的音箱。一些有源音箱不仅将功放集成到音箱内,还将解码器也集成到音箱内部，可以直接接受数字信号，这就是数字有源音箱。虽然从字面上看，有源音箱可以认为是必须插电源的音箱，但严格地说这个“源”应理解为功放，而不是指电源,因为有不少需要插电源却仍需外部功放推动的音箱，这些音箱显然不属于有源音箱.

第2章 有源音箱的系统介绍
2. 1有源音箱的组成
有源音箱主要由功放组件和电源变压器组成。功放组件主要是前置放大器和功率放大器组成,其功能是用来对音乐信号进行放大并实现各种操控功能，而电源变压器则为功放组件提供电能。有源音箱组成结构（图2—1)
　　 前置放大器
功率放大器
电源
图2-1 有源音箱组成结构

2。 2有源音箱的工作原理
从信号源得到信号经运放推动再送到后级放大推动扬声器

2. 3有源音箱的主要元件介绍
2.3.1 LM1875的介绍及其应用电路
LM1875是美国国家半导体器件公司生产的音频功放电路，该集成电路内部设有过载、过热及感性负载反向电势安全工作保护，在使用±30V电源时可以为8Ω负载提供30W的功率;当使用单电源供电时，它能为4Ω的负载提供20W的功率，并且只产生0。015%的失真，广泛应用于中功率音响设备，具有体积小、输出功率大及失真小等特点。
LM1875主要技术参数
(1)单双电源
(2)最大不失真功率为30W；
（3）低失真输出（30W时小于1％）；
（4)开环增益90db;
（5)静态电流小于100mA；
(6）最大输出电流4A；
(7)最大摆幅率8V/μs；
（8)外引脚的排列及功能如图2—2所示。

图2-2 LM1875引脚排列及功能

如图2—3所示电路是双电源时LM1875的典型应用电路。输入信号Ui由同相输入端输入,R1、R2、C2构成交流电压串联负反馈。
图2—3 LM1875构成的功率放大

图中电容C4、C6、C7、C8为电源去耦滤波,其中0.1μF小电容主要是滤除高频噪音,R5、C4构成扬声器补偿网络,可吸收扬声器的反电动势，防止电路震荡。

2.3。2 NE5532前置放大器
1.NE5532，它是美国SIG公司生产的低噪声前置放大集成电路，采用8端双列卧式封装结构。具有外围元件少、结构简单、低噪声、瞬态响应好、输出阻抗低等优点。它的引脚排列图如下：
1脚为运放输出，2脚为反相输入端,3脚为输入，4脚为负电压，5脚为另一运放同相输入，6脚反相输入，7脚输出, 8脚正电压。（图2-4）

2
3
4
5
6
7
8
1
NE5532
OUT
VCC+
OUT
IN-
IN+
VCC-
IN+
IN-

图2-4 NE5532外部引脚排列图
2.3。3NE5532的极限参数与电气参数

表2-1 NE5532的极限参数
参数
符号
NE5532
单位
电源电压
Vcc
±22
V
差分输入电压
Vdif
±13
V
输入电压
Vi
提供电压
V
功耗,TA=25℃
PD
1100
mW
工作温度
TOPR
0~70
℃

表2—2 NE5532的电气参数
参数
符号
测试条件
最小值
标准
最大值
单位
输入失调电压
VIO
—
-
0.5
4.0
mv
输入失调电流
IIO
-
-
10
150
nA
输入偏置电流
IBIAS
—
-
200
800
nA
供电电流
ICC
-
—
6.0
16
mA
输入电压范围
VI（R)
—
±12
±13
-
V
共模抑制范围
CMRR
TA=25℃
70
100
—
dB
电源抑制比
PSRR
TA=25℃

输出电压范围
VO（P—P）
RL≥600Ω
±12
±13
—
V
输入电阻
RI
TA=25℃
30
300
-
KΩ
短路电流
ISC
—
-
38
—
mA
过调
OS
RL=600Ω，CL=100PF
—
10
20
％
电压增益
GV
f=10kHz
2
2.2
—
V/mv
增益带宽
GBW
CL=100PF， RL=600Ω
8
10
—
MHz
转换速率
SR
RL=1K，CL=100PF
RL=600Ω
—
6
8。0
V/us
输入噪声电压
en
fo=30Hz
fo=1kHz
-
8。0
5。0
—
nv/√Hz
第3章 有源音箱系统硬件设计
3.1稳压电源电路图的设计
直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成，电网供给的交流电压u1(220V，50Hz) 经电源变压器降压后,得到符合电路需要的交流电压，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压,再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压.但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。如图3-1所示。

图3-1 直流稳压电源框图
有源音箱系统的稳压电源电路图如图3—2所示

图3-2 稳压电源图

3.2 前置放大电路的设计
NE5532构成的前置放大电路如图3-3所示

图3-3 NE5532构成的前置放大电路

上图为有源音箱前置放大电路，输出电压经R12、RP2反馈至输入端,构成电流并联负反馈,提高前置放大电路的性能,调节RP2的阻值从而改变对较低频段的放大倍数，从而起到低音调节的作用.前级信号输入端RP1,R11,R12，C15组成一个高频补偿网络，可以改善小音量放音的效果。

3。3后级功放电路

LM1875组成的后级功放电路如图3—4所示

图3—4 LM1875构成的后级放大电路
上图为由LM1875组成的后级放大部分，音频信号经过1通道进入LM1875进行放大后，再有R14、R15组成的负反馈电路输入到2端口，从而音频信号放大得到加强,然后输出来推动负载（扬声器）。

第4章功放电路的仿真及测试

4.1功放电路的仿真
由题目要求可知，该有源音箱的频率响应为40hz-18Khz,电路仿真我是用的是Multisim11.首先输入下限，一个频率为40hz，峰峰值为100mv的正弦波，观察其是否是真及计算它的增益，见下图：

由上图可知，波形完好，没有失真，且增益约为92，符合合格功放的标准。
接下来输入它的上限，频率为18Khz,峰峰值仍为100mv的正弦波，所做工作如上，附图见下:

由上图可知,波形完好，没有失真,且增益约为88。
最后取一个中间值,频率为5Khz,峰峰值为100mv的正弦波,所做工作如上,附图如下：

由上图可知波形完好，没失真,且增益约为81，完全符合有源音箱的放大标准。
4。2功放电路的测试
实际测量结果如下图所示

蓝色波形代表信号发生器输入波形，黄色代表经过功放放大过后的波形，可以看出有明显的增益效果，如果调节音量控制旋钮，就会看到更明显的增益。

第5章 PCB板的设计
5。1 设计软件的介绍
Protel 是电路设计软件，可以实现原理图设计、元件库设计、PCB板设计、以及相关的工业文件。
Protel DXP2009具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：Protel DXP2009采用数据库的管理方式。Protel DXP2009软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel DXP2004大体相同,新增加了一些功能模块,功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。
5。2 设计步骤
1。制作原理图
2。产生网络表
在原理图编译通过后，就可以产生相应的网络表了，这是原理图到PCB重要的一个环节,如果原理图存在错误,网络表是无法生成导入PCB中的。
3。制作物理边框(Keepout Layer)
封闭的物理边框对以后的元件布局、走线来说是个基本平台，也对自动布局起着约束作用，否则，从原理图过来的元件会不知所措的。但这里一定要注意精确，否则以后出现安装问题麻烦可就大了.本设计制作的物理边框为99mmХ95mm.
4。元件的布局
元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响,是应该特别注意的地方。一般来说应该有以下一些原则：（1）放置顺序:先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的ＬＯＣＫ功能将其锁定，使之以后不会被误移动。再放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC等。最后放置小器件（2)注意散热:元件布局还要特别注意散热问题。对于大功率电路，应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置，便于热量散发,不要集中在一个地方，也不要高电容太近以免使电解液过早老化.
5.布线
走线的学问是非常高深的，每人都会有自己的体会,原则上是以最短的距离和最少的板层来走线，禁止走线交叉，少用过孔甚至盲孔或埋孔。
6.调整完善
完成布线后,要做的就是对文字、个别元件、走线做些调整以及敷铜(这项工作不宜太早，否则会影响速度，又给布线带来麻烦)，同样是为了便于进行生产、调试、维修.敷铜通常指以大面积的铜箔去填充布线后留下的空白区，可以铺ＧＮＤ的铜箔，也可以铺ＶＣＣ的铜箔(但这样一旦短路容易烧毁器件，最好接地,除非不得已用来加大电源的导通面积，以承受较大的电流才接ＶＣＣ）。包地则通常指用两根地线（ＴＲＡＣ）包住一撮有特殊要求的信号线，防止它被别人干扰或干扰别人.　
7.检查核对
网络有时候会因为误操作或疏忽造成所画的板子的网络关系与原理图不同，这时检察核对是很有必要的。所以画完以后切不可急于交工，应该先做核对，后再进行后续工作。

5。3 PCB板图设计中应注意的要点
在PCB设计中，PCB板图的设计应注意下列几点：
1.布线方向:从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测,故这样做便于生产中的检查，调试及检修(注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）. 　　
2.各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求. 　　
3.电阻，二极管的放置方式：分为平放与竖放两种.
4.电位器：IC座的放置原则。
5。进出接线端布置
(1)相关联的两引线端不要距离太大。
(2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
6.设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。
7。在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理,少用外接跨线，并按一定顺序要求走线,力求直观，便于安装，高度和检修.
8。设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。
9.布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符.
10.设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。
第6章 电路故障及解决方法
1.无工作电压
检查交流输入是或正常，若有交流输入，则检查整流部分元件（桥堆）是或损坏,或者保险丝已熔断.如果保险丝已熔断或整流桥已击穿，有可能后级电路有元件已损坏，应检测保护二极管D1、D2及稳压二极管D5、D6是否击穿，功放集成块LM1875和运放NE5532是否损坏.在故障发生前注意观察是或有元件冒烟，烧焦的现象,或用手触摸是或有元件（低压工作区)发热过热.如果还不能排除故障,可以采取采用更换替代的方法。
2.自激
放大器产生自激振荡的现象有许多种.如果自激振荡的频率在音频范围内，我们便可以在扬声器中听到振荡叫声，这种现象可能通过导线之间的信号耦合或电源内阻有害耦合引起的。如果振荡频率不再音频范围内，此时好像“无声”，如果发现散热器发热量过大（即使输出功率非常小或静态的情况下)。怀疑有自激现象，可以用万用表交流档测量功放块输出电压，用示波器可以观察到波形。如果所测电压异常偏高，或观察到异常的高频波,可以断定是高频自激。
3。抑制自激的方法：
(1）输入信号线不要靠近输出线和电源线，信号输入线用屏蔽线。
(2)减短电源输出到功放的供电引线长度，如果引线过长应加退耦电容。
(3)前后级最好采用独立电源供电.
(4)绘制电路板布线时,要注意一些布线规则，电源线要粗而短,尤其是地线的走势，信号地与电源地的处理。
第7章 结束语
有源音箱的成本低，价格极易被接受，独立的外置功放的机壳应该具备足够的机械强度并有良好的屏蔽性,有源音箱的功放设置在音箱内部，比功放要少一套机壳，成本得以大幅降低.而且有源音箱连接简单，使用方便。有源音箱大幅简化了音响系统的环节，因此连接简单，只需一个随身听和一对有源音箱即可构成最简单的音响系统，连线只有两根。有源音箱做起来很简单，而且本人对这方面也感兴趣，通过这次的设计对有源音箱有了更深一步的认识。
本设计完成了对有源音箱系统的电路图设计，在设计的过程中学到了不少知识,有源音箱的设计采用的功率放大设计要求是8欧上出15W不失真，那么电压11v，电流1。36A，在实际中使用7815等将会非常的烫,必须加上巨大的散热器,这一点在之前我没注意到,调试的时候自己又把散热器加了上去，完成本次设计，我更加懂得了理论与实践结合的重要性。课程设计做完了，但该设计中仍存在许多不足.设计中遇到的许多实际问题是以前不曾想到的，也出现过许多看似无法解的难题，但是通过我的不懈努力和老师、同学们的帮助，最终克服了这些困难,这间获得的各种经验教训都将使我在今后的工作和学习中受益无穷。
答谢辞
很感慨，我在长舒一口气后开始写我的课程论文的致谢辞了。论文的完成标志着我的第一次课设的结束，也意味着，新的学习又将开始了。感谢周老师、龙老师的悉心指导，你们严谨的治学态度、优良的教学风格令我折服，尤其是周老师对我原理图的指点以及龙老师在测评的时候给我提出的建议，令我拨开云雾见青天，我会在以后的学习中更加努力并注意理论与实践的结合。

参考文献
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［5］蔡明生. 电子设计[M]。北京:高等教育教育出版社。2004
［6］王港元。电工电子实践指导［M］。江西科学技术出版社.2004

附 录
所用芯片：NE5532、LM1875、电阻、电容，二极管等。
15V稳压源原理图与PCB图如下所示：

功放原理图与PCB图：

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