具有自动断电功能的音频功率放大器设计【毕业论文】.doc

1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 具有自动断电功能的音频功率放大器设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 具有自动断电功能的音频放大器设计 摘要 功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛。一套完整的音响器材，音频功率放大器是不可或缺的组成部分。音箱要发出美妙动听的声音就必须借助音频功率放大器提供足够的音频电流来驱动音箱发声。但同时对音响的要求也越来越高，要求能够自动关闭电源。 本课题主要研究的是 自动断电功能的音频功率放大器，其主要利用声音控制电源开关 ,当定时 3-5 分钟之后能够自动关闭电源，

2、避免长时间无效的通电工作，自动断电功能的音频放大器将会让电源选购不再是一种负担；更加重要的是，这种功放意味着散热量相对较小，大幅度减轻散热的压力，营造了更加安静的工作环境。适用于无人管理的音乐场所。 本课题的硬件设计主要包括电源模块、继电器模块、功率放大器模块、自动断电功能模块等的设计。论文主要介绍各种模块设计的选择、使用和电路设计，通过硬件的介绍使读者能够了解完成课题研究使用的硬件手段。 以上就是本论文的主要内 容，希望通过论文可以使读者明确课题研究的实现和意义。 关键词 ： 功率放大器；定时；关闭电源 毕业论文 文客久久 Abstract Power amplifier, digital

3、products in home appliances of the application of the more and more widely. A complete set of audio equipment, audio power amplifier is an indispensable part of. Speakers will give the delightful voice must use audio power amplifier provide enough audio electricity to drive speakers sound. But at th

4、e same time the sound system requirements of more and more is also high, requirement can be automatically shut off the power supply. This topic is the study is to be automatic power of audio power amplifier functions, its main use voice control the power switch, when the timing for 3 to 5 minutes la

5、ter able to automatically shut off the power, avoid long time invalid electricity work, automatic power of audio amplifier functions will let the power of choose and buy is no longer is a burden; More important, the power amplifier means of heat is relatively small, drastically reduce the pressure o

6、f heat, built more quiet work environment. Apply to the music places no one management. This topics hardware design includes the power modules, relay modules, power amplifier module, automatic power function module design. Paper mainly introduces various modules design choice, use and circuit design

7、, through the introduction of the hardware enable readers to understand the complete subject research of use hardware means. Above is the main content of this paper, hope that through papers can make readers clear the realization of subject research significance and meaning. Keywords : Power amplifi

8、er; Timing; Shut off the power 毕业论文 文客久久 目 录 第 1 章 综述 .1 1.1 总括 .1 1.2 研究 该课题的背景及意义 .2 1.2.1 基本情况： .2 1.2.2 课题的目的意义： .2 第 2 章 系统的总体设计 .3 2.1 本课题设计的主要任务 .3 2.2 系统框架设计总方案 .3 2.3 研究内容和章节安排 .3 第 3 章 电路结构的设计 .5 3.1 电源模块 .5 3.2 功放模块设计方案 .5 3.2.1 TDA7294 芯片引脚 .5 3.2.2 TDA7294 芯片基本电气参数 .6 3.2.3 功放电路电路图 .7 3

9、.2.1 主芯片 TDA7294 .7 3.2.2 外围电路 .7 3.3 定时模块 .8 3.3.1 主芯片 BISS0001 .8 3.3.2 芯片引脚 .8 3.3.3 BISS0001 芯片基本电参数 .9 3.3.4 BISS0001 工作原理 .10 3.4 继电器模块 .11 3.5 电源模块电路 .11 3.5.2 220V-12V 装换 .12 3.5.3 12V-3V装换 .12 3.5.4 桥式整流简介 .12 3.6 电路图绘制 .13 第 4 章 调试 .14 4.1 电源部分调试 .14 4.2 功放模块调试 .14 4.3 定时部分调试 .14 4.4 自动断电模

10、块调试 .15 总 结 .16 致 谢 .17 【参考文献】 .18 附录 1系统电路设计原理图 .19 附录 2系统电路设计 PCB .20 附录 3 实物图 .21 毕业论文 文客久久 第 1 章 综述 1.1 总括 科技是人类进步的阶梯，人类依靠日新月异的新科技不断的改善自身的生活环境，提高自身的生活质量，生活的条件的改善使人类有更多的精力去创造和研究，从而推动时代的进步。越来越多的科技产品的问世，给人们的生活提供了方便和快捷，同时使人们更加体会到科技力量的重要性。 特别是在中国，自从改革开放以来，国家重视科技力量的发展，大力引进国外先进技术，时至今日，我国的综合国力大大增强，经济稳步快

11、速的发展，城市建设有条不紊的进行。功率放大器在家电、数 码产品中的应用越来越广泛。一套完整的音响器材，音频功率放大器是不可或缺的组成部分。 近几十年来在音频领域中， A 类， B 类， AB 类音频功率放大器（额定输出功率）一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管，晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器到 OTL， OCL， BTL 形式过程。其最基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。 A 类音频功率放大器的最高工作效率为 50%， B 类音频功率放大器的最高工作效率为 78.5%， AB 类音频功率放大器的工作效率则介于 两者

12、之间。但是无论 A 类， B 类还是 AB 类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言，音乐时平均工作效率只有 30%左右。音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。因此 A 类， B 类， AB 类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们理想中的音频功率放大器。效率为 80%已经是很高要求的高效率功率放大器了。所有这些便携式的电子设备的一个共同点就是都有音频输出 ,也就是都需要有一个音频放大器 ;另一个特点就是它们都 是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的

13、背景下 ,D 类放大器应运而生了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。 高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要 ,在大功率的电子设备中也需要。因为 ,功率越大 ,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善 ,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中 ,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时 ,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。 D 类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。 D 类功率放大器又叫开关型功率放 大器，现在又有人称之为数字功率放大器。它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到 100%，

14、实际上可以达到 90%。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比 AB 类放大器高 4 倍功率的输出。 D 类功放的功率器件受一高频脉宽调制 ( PWM) 脉冲信号的控制 ,使其工作在开关状态 , D类放大器的电路共分为三级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗上要求较高的场合具有很大的优势。 另外，现代保真音响系统常采用数字音频设备如 CD、 DAT（ digital audio tape），近年发展起来的毕业论文 文客久久 DVD、计算机多媒体设备、 MP3 等也都是数字音频

15、信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（ PCM），信号分辨率通常为 12 位或 16 位，采样频率为 44.1KHZ（ CD）或 48KHZ（ DAT）。由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，这也使得 D 类功率放大器受到更大的关注。 D 类放大器虽然具有很高的效率 ,但由于功率晶体管的开关工作方式 ,D 类放大器引入的失真通常 大于线性放大器 ,这是目前 D 类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因。随着半导体及微电子制造技术的不断发展 ,高速、大功率器件已越来越多 ,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化 ,所以

16、D 类 (丁类 ) 音频功率放大器越来越受到人们的重视。 D 类放大器是目前音频播放器的非常有前途的发展方向，他更好地适应了便携式电子音频设备对功率放大器的高效率，低失真的的发展要求。 音箱要发出美妙动听的声音就必须借助音频功率放大器提供足够的音频电流来驱动音箱发声。为了省电，音频功率放大器通常是长时间处于 守候状态。此时，音频功率放大器的消耗电流远小于正常工作室的电流，但即使如此，它仍然要消耗能量。如果能控制音频功率放大器的电源通断，则情况要好很多。 音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进

17、步。 音频放大器已经有快一个世纪的历史了 ,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止 ,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种 ,也是最基本的一种。为了满足它的需要 ,有关 的音频放大器就要不断地加以改进。尤其进入21 世纪以后 ,随着各种便携式的电子设备的发展。从作为通讯工具的手机 ,到作为娱乐设备的MP3 播放机 ,已经快成为人人具备的便携式电子设备。 1.2 研究该课题的背景及意义 1.2.1 基本情况： 随着日新月异的科技进步，许多高科技技术开始应用于人们的日程生活中，为人们的生活提供了便利，也大大丰富了人民的业余生活。音频功

18、率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面都取得了长足的进步。 随着生活质量的提高 ,你们对音乐的要 求也越来越高 .同时也产生了一个很严重的问题：当音频用于无人看管的音乐场所时 .如果一直没关闭 ,就大大浪费了电能 ,也对器件造成一定的损耗。因此，当一定时间没人使用或者没信号输入的时候。设计一个自动断电功能的音频放大器就显得尤为重要了。 1.2.2 课题的目的意义： 研究此课题可以对当前的音频功率放大器进行改进 ,当人们有事情的时候有忘记关闭电源和音频功放的时候 .可以利用自动断电功能进行断电 .以达到节约能源和保护元器件的功能 ,

19、这样大大方便了对于无人的音乐场所的音频的控制。因此，自动断电功能的音频放大器会在以 后在各种 场所应用的越来越广泛。 毕业论文 文客久久 第 2 章 系统的总体设计 2.1 本课题设计的主要任务 本课题设计的主要目的是要求所设计的音频功率放大器连续静音 3-5 分钟后能够自动切断电源，避免长时间无效的通电工作。音频功率放大器的输出额定负载阻抗为 8，每个声道的额定输出功率不小于 50W，频带宽度不小于 10Hz-15kHz，非线性失真小于 1%。输入电源采用成品电源，电源电压视电路需要而定，一般不低于 24V。 需要解决的问题主要是： 选择硬件设备，主要包括如何选择电源 ，能够产生音频信号 的

20、模块，定时的模块，自动断电模块。 按照要求，调试各部分设备，使各部分硬件能够进行正常的功能，为实现最终功能做准备。 通过毕业设计过程，总结收获，为大学生活画上圆满的句号。 2.2 系统框架设计总方案 自动断电音频功率放大器系统主要由两个部分组成，一个是通过音频放大器放大输入信号，得到一个放大的音频信号后能够控制后面的定时器，通过定时器来控制输出的高低电平控制总电源的开关。 自动断电的音频放大器系统的总体结构如图 2.1 所示： 图 2.1 系统总体设计结构 通过使用电源模块得到本次研究需要的电压值 ,并且提供给功 率音频放大器 和定时器两个模块 ,让这两个模块可以正常工作。 通过给功放提供电压

21、后，由外接电路和功放的共同电路，可获得 音频信号 。 由这个 音频信号 送到定时器模块后，能在输出端产生一个高低电平。 通过输出的高低电平控制一个二极管和继电器，这样就能控制电源自动关闭。节约了电能，也方便了管理。 2.3 研究内容和章节安排 本课题论文主要研究的内容包括：一是构建硬件开发平台；二是调试硬件系统。 其具体章节安排如下： 第 1章 主要通 过介绍课题的背景和意义、基本情况、和研究的主要内容。 第 2章 主要介绍系统的总体设计，包括系统的方案的选择，任务完成的主要流程和总体框架，使设计有一个总体的规划，能够有条不紊的进行。 电源 定时器 音频信号放大器 二极管 继电器 毕业论文 文

22、客久久 第 3章 主要介绍硬件系统的构成，通过介绍各硬件部分使用方法、实现功能和电路分析，使读者明确硬件设计的构成思想和具体使用。 第 4章 主要介绍在调试过程中遇到的问题和解决方法，通过调试能够更深入的了解本课题的设计方案。 总结毕业设计，通过毕业设计有很大收获。 最后致谢，对近一阶段在毕业设计中给予帮助的老师和同学表示感谢。 总之，通过以上章节的阐述，能够完 整的表现本课题研究的内容，实现的毕业设计的要求，使读者明确本课题研究的主要内容和具体实现方法。 毕业论文 文客久久 第 3 章 电路结构的设计 通过第 2 章的总体设计的介绍，可以知道本课题硬件设计主要分为以下模块：电源模块、功放模块

23、、 定时器 模块、 自动断电 模块。 下面将详细介绍各个模块的使用和电路设计，明确硬件电路的实现方法。 3.1 电源模块 电 源是一 个系统正常工作的基础， 一个机器的能源 。如果电源不好，会造成供电不稳定，系统工作也不稳定，甚至严重的还会损坏硬件。由于本系统中不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，为保证本系 统中不同电路模块都能正常工作。提出了以下两个电源方案： 方案一：采用集成多路输出电源模块。集成多路输出电源模块具有制作简单，使用方便等特点，但临时短时间内要购买比较困难，而且价格较贵，电源组合方式固定不易选择。 方案二：使用变压器和桥式整流得到电路要求的电压值，这种电路简单，只

24、需要连接变压器和整流桥即可。用这种方法得到的电压值比较准确，且大大降低了经济成本。 总之，通过以上两种方案的比较，本课题决定使用变压器和桥式整流，设计自动断电功能的功率放大器 3.2 功放模块 设计方案 目前最常用的作为功率放大 器的是以 TDA 系列为主要芯片的功率放大器，经过老师的指导，查询一系列资料后最后本课题决定采用 TDA7294 作为本课题功率放大器。使用 TDA7294功率放大器有以下优点： TDA7294 使用最为广泛，并且价格较为便宜，适合作为本课题主控芯片 现在大多数对功放的研究基本上都是以 TDA7294 为主的。因此对此芯片比对一些其他芯片熟悉，用此芯片设计比较方便。

25、TDA7294 是目前功率最大的单片音频放大器之一，该芯片的设计有耐高压、低失真度、重放音色极具亲和力等特色；且有静音待机功能。 本课题选用的功放芯片为 TDA7294 芯片， 该芯片采用 15 脚双列非对称直插封装，差分输入级由 双极型晶体管 构成，推动级和功率输出级采用 DMOS 场效应管半导体技术。这种混合半导体制造工艺使得 TDA7294 兼顾双极型信号处理电路和 MOS 功率管的优点，重放音色极具亲和力；内置的静音待机功能，短路电流及过热保护功能使其性能更完善。可应用在家用音响、有源音响、高性能电视机等领域。 3.2.1 TDA7294芯片引脚 TDA7294 其引脚图如图 3.1

26、所示 毕业论文 文客久久 图 3.1 TDA7294 芯片引脚图 3.2.2 TDA7294芯片基本电气参数 TDA7294芯片基本电气参数 如表 3.1所示： 3.1 TDA7294 芯片基本电气参数 符号 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 Vs 电源范围 10 40 V Iq 静态电流 20 30 60 mA Vos 输入失调电压 500 mV Ios 输入失调电流 100 nA Po 连续输出功率 VS = 35V, RL = 8W VS = 31V, RL = 6W VS = 27V, RL = 4W 60 60 60 70 70 70 W W W d 总谐波失真 PO = 5W; f = 1kHz PO = 0.1 to 50W; f = 20Hz to 20kHz 0.005 0.1 % VS = 27V, RL = 4W: PO = 5W; f = 1kHz PO = 0.1 to 50W; f = 20Hz to 20kHz 0.01 0.1 % SR 转换速率 7 10 V/us Gv 开环电压增益 80 dB Gv 闭环电压增益 24 30 40 dB fL, fH 频率响应 (-3dB) Po=1W 20Hz to 20kHz Ri 输入电阻 100 K