电子设计实践报告书(赵煜华、石潇颖)

电子设计实验报告实验名称：数字式音量自动调节的语音放大电路班级：11通信组员：赵煜华(11110003347)石潇颖（11110003321）一、设计任务与要求1.设计一个数字式的音量自动调节电路，要求有两个外部操作按钮，分别控制音量的增和减。2.设计一个静音按钮S，即按静音按钮时，音响设备不发声。3.刚接通电源时，音响设备的音量处于一个适中的位置。4.设计一个电平指示电路，将输出音量的大小用发光二极管指示出来。

二、方案论证与比较：提出方案：（1）语音放大原理框图

注：图中各基本单元电路的设计条件分别如下：①前置放大器：输入信号Uid≤10mv输入阻抗Ri≥100kΩ共模抑制比KCMR≥60dB②有源带通滤波器：带通频率范围300Hz~3kHz③功率放大器：最大不失真输出功率Pom≥5W负载阻抗RL=4Ω电源电压+5V,+12V④输出功率连续可调：直流输出电压≤50mV静态电源电流≤100mV（2）数字音量自动调节原理框图

三、主要元器件模拟开关电路控制芯片：CC4051芯片1片控制电路芯片：CC4029、74LS04、CC4025、CC4070、74LS138以上各芯片各1片集成运算放大器LM324芯片2片集成功放TDA2003(另加散热器)2片8Ω扬声器1只语音输入麦克风2只各类金属膜电阻、可调电阻、电容、开关等若干

.四、单元电路设计内容及步骤：(1)设计内容：

1.前置放大电路

前置放大电路也为测量用小信号放大电路。在测量用的放大电路中，一般用传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输，在典型情况下，有用信号的最大幅度可能仅有若干豪伏，而共模噪声可能高到几伏，故放大器输入飘移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗，高共模抑制比，低漂移的小信号放大电路。

2.有源滤波电路有源滤波电路使用有源器件与RC网络组成的滤波电路。有源滤波电路的种类很多，如按通道的性能划分，又分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波器。在本次的设计过程中采用宽带带通滤波器。在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串接起来可以实现Butteworth通带响应，如下图所示。用该方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号噪声比（S/N）的音频带通滤波器，如在电话通令系统中，采用如图所示的滤波器，能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信号，整个通带增益为8dB，运算放大器为LM324。

3.功率放大电路

功率放大的主要作用是向负载提供功率，要求输出功率尽可能大，转换功率尽可能高，非线性失真尽可能小。功率放大电路的电路形式很多，有双电源供电的OCL互补对称功放电路，单电源供电的OTL功放电路，BTL桥式推挽功放电路和变压器耦合功放电路等。在本次设计过程中，采用了五端集成功放。五端集成功放：TDA200X系列包括TDA2002/TDA2003（或D2002/D2003/D2030或MPC2002H等）为单片集成功放器件。其性能优良，功能齐全，并附有各种保护，消噪声电路，外接元件大大减少，仅有五个引出脚（端），易于安装、调试，因此也称为五端集成功效。集成功放基本都工作在接近乙类（B类）的甲乙类（AB类）状态，静态电流大都在10~50mA以内，因此静态功耗很小，但动态功耗很大，且随输出的变化而变化。五端功放的内部等效电路，主要技术指标与引脚图可参见集成电路有关手册。实验中采用简易BTL功放电路。4.控制电路

从系统的设计要求可知,控制电路要完成以下三个方面的功能:（1）能完成音量的自动增,减调节控制；（2）当音量增加到最大值(或减小到最小值)时,音量应保持不变；（3）刚通电时,音量处于一个适中的位置.如上图所示,图中U1A,U2A,U3A是由74LS04反相器组成的多谐振荡器,为计数器电路提供时钟脉冲,其振荡周期为:

VthVthVDDVDDRCT)(_________________ln2−=

式中,Vth为反相器的阈值电压,若Vth=VDD/2时则上式变为:RCRCT4.14ln≈=

(注意:振荡器的频率决定了音量控制调档的速度,频率越高,则音量调档速

度越快.一般来说,振荡器的频率在1~3Hz内比较合适。)自动音量调节电路是由CC4029加/减计数器组成。CC4029接成二进制计数器的形式,取Q2,Q1,Q0的输出作为CC4051的通道选择控制信号(A2,A1,A0),Q2—Q0的变化范围是000—111,能满足控制的需要。图中,LD端接有R2,C2组成的上电预置数据电路。在刚接通电源时,由于C2的电压不能突变,所以LD=1,使Q2Q1Q0=011,于是CC4051的输出选通I3，电源接通后，电容C2被充满电荷，于是LD=0，从而完成了功能(3)的要求,图中,G4—G10是完成功能(1)(2)的控制电路,其工作原理如下:当S1,S2均不闭合时,BIN=1,CC4029处于递减计数工作状态,但门U9C的输出为1,U8B的输出为0,从而使CE=1,CC4029的时钟使能端无效,CC4029不能计数.当按下S2键时,门U9C的输出为0,又因为A2A1A0=011(上电预置),于是门U5B,U6C的输出均为1,U7A输出为0,所以U8B输出为1,CE=0,CC4029的时钟使能端有效,于是在时钟脉冲的上升沿作用下,CC4029进行减1计数;当减计数到全零即A2A1A0=000时,门U4A,U5B,U6C的输出全为零,U7A输出1,U8B输出0,从而使CE=1,CC4029的输出保持全零不变,此时,即使S2键仍处于闭合状态,音量输出始终处于最小状态不变.当按下S1键时,BIN=1,CC4029处于加计数状态;门U9C输出为0,当门U7A的输出为0时,U8B输出为1,CE=0,CC4029在时钟脉冲的上升沿进行时增1计数;当加计数到使Q2Q1Q0=111时,门U4A—U6C的输出全为零,U7A输出为1,U8B输出为0,CE=1,于是CC4029的输出Q2Q1Q0保持111不变,此时,即使S1键仍处于闭合状态,音量输出始终处于最大的状态不变.(2)设计步骤：

1.分配各级放大电路的电压放大倍数

由电路设计要求得知，该放大器由三级组成，其总的电压放大倍数AU=AU1*AU2*AU3。应根据所要求的总放大倍数AU来合理分配各级电压放大倍数(AU1~AU3)，同时还要考虑到各级基本放大电路所能达到的放大倍数。因此在分配和确定各级电压放大倍数是，应注意以下几点;○1由输入信号Uid,最大不失真输出功率Pom,负载阻抗RL,求出总的电压放大倍数（增益）AU。○2为了提高信噪比S/N，前置放大电路的放大倍数可以适当取大些。一般来说，一级放大倍数可达几十倍。○3为了使输出波形不致饱和失真，输出信号的幅值应小于电源电压。2.确定各单元电路及元件参数

根据已分配确定的电压放大倍数和设计已知条件，分别确定前置级、有源滤波级与输出级的电路方案，并计算和选取各元件参数。3.在实验电路板上组装所设计的电路检查无误后接通电源,进行调试。在调试时要注意先进行基本单元电路的测试，然后再系统联调。也可以对基本单元采取便组装边调试的方法，最后系统联调。5.前置放大电路的调试

（1）静态调试：调零和消除自激振荡。（2）动态调试：○1在两输入端家差模输入电压uid（输入正弦电压，幅值与频率自选），测量输出电压uod1,观测与记录输出电压与输入电压的波形（幅值，相位关系），算出差模放大倍数Auc1.○2在输入端加共模输出电压Uic，（输入正弦电压，幅值与频率自选），测量输出电压Uoc1，算出共模放大倍数Auc1.○3算出共模抑制比KCMR。○4.用逐点法测量幅频特性，并作出幅频特性曲线，求出上下限截止频率。○5测量差模输入电阻6.有源带通滤波电路的调试

（1）.静态调试：调零和消除自激振荡。（2）.动态调试：

○1输出电压的测量以及输出波形同上。○2测量幅频特性，作出幅频特性曲线，求出带通滤波电路的带宽BW2。○3在通带范围内，输入端加差模输入电压（输入正弦信号、幅值与频率自选），测量输出电压，算出通带电压放大倍数（通带增益）Au2。7.功率放大的电路的调试

（1）静态调试：集成功放（如TDA200X）或用运算放大器驱动的功放电路，其静态调试均应在输入端对地短路的条件下进行。电路静态调试：输入对地短路，观察输出有无振荡，如有振荡，采取消振措施以消除振荡。（2）功率参数调试：集成或分立元件电路的功率参数测试方法基本相同。测试中应注意输出信号不失真的条件下进行，因此测试过程中，必须用示波器监视输出信号。8.系统联调

经过以上对各级放大电路的局部调试之后，可以逐步扩大到整个系统的联调。联调时：○1令输入信号Ui=0（前置级输入对地短路），测量输出的直流输出电压。○2输入f=1kHz的正弦信号，改变ui幅值，用示波器观察输出电压uo波形的变化情况，记录输出电压Uo最大不失真幅度所对应的输入电压ui的变化范围。○3输入ui为一定值的正弦信号（在Uo不失真范围内取值），改变输入信号的频率，观察Uo的幅值变化情况，记录Uo下降到0.707Uo之内的频率变化范围。○4计算总的电压放大倍数。9.试听

系统的联调与各项性能指标测试完毕之后，可以模拟视听效果；去掉信号源，改接微音器或收音机的耳机输出口即可，用扬声器（8Ω的喇叭）代替RL，从扬声器即可传出说话声或收音机里播出的美妙音乐声，并且可以通过控制电路的S1和S2键来改变音量的大小。从视听效果来看，应该是音质清楚，无杂音，音量大，电路运行稳定为最佳设计。

五、电路焊接及调试1.主要芯片介绍

⑴CC4029

选用4位二进制/十进制加/减计数器CC4029进行设计。CC4029的外引线排列如图c所示，其功能表如图d所示。图中，BIN是二进制/十进制工作方式控制端，UP是加/减计数控制端，CE是时钟脉冲使能控制端，CP是时钟脉冲输入端，PL是与预置据控制端，CO是进位输出端，D3—D0是并行数据输入端，Q3—Q0是计数数据输出端，CC4029的工作原理是：1）当LD=1时，完成置数功能，即Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0；当LD=0.时，对计数器进行清零。2）当CI=0时，LD=0时，在时钟脉冲的上升沿，计数器基数CO端一般输出