数字扩音器的设计与实现

(商洛学院 电子信息与电气工程学院,陕西 商洛 726000)

由于大多数功放只能接收模拟音频信号,对应的各集成电路的接口几乎都是模拟的,因此模数转换和数模转换就需要反复进行。然而,这样的过程会引入量化噪声,导致音质有所下降,从而效果无法达到最佳[1-2]。数字功放在功耗和体积上占有绝对的优势,已广泛应用于汽车音响和要求较高的重低音有源音箱[3]。本文设计了一款数字扩音器,该扩音器具有电路简单、开发周期短、稳定性高等特点。

1 设计要求与总体方案设计

1.1 设计要求

本文设计的数字扩音器主要采用D类音频功率放大器元件,该元件的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大,从而达到设计的要求。设计的数字扩音器具备以下功能[4]:① 放大音频;② 调节音调;③ 调节音量。

1.2 总体方案

本文设计的数字扩音器主要由4个模块构成(见图1),包括音频输入、选频网络、放大模块、数字功放。4个模块的作用如下所示[5]:

(1)音频输入。检测的声音被采集后送到控制系统。

(2)选频网络。利用电阻电容的分频网络实现音调调节。

(3)放大模块。利用运算放大器构成的放大电路对信号电压进行放大。

(4)数字功放。利用数字电路的原理对音频信号进行电流放大,从而驱动扬声器。

通过滑动变阻器的调节改变输入信号的频率,然后通过选频网络将频率调节到预期值,再通过电压放大器调节音调的大小,最后信号传输到D类功放芯片。通过电流放大促使功率放大来驱动扬声器工作,最终达到数字信号放大的设计要求和预期效果。

图1 数字扩音器的总体框图Fig.1 Overall block diagram of digital amplifier

2 数字扩音器硬件设计

2.1 电源电路设计

本文主要采用桥式整流电路,该电路的原理比较简单。电源电路将220 V的交流电压转变为12 V的直流电压[6],电源电路原理如图2所示。

利用变压器的特性将220 V的电压转化为一个低压交流电,然后经桥式整流电路转变成脉动的直流电加到电容C9,再经过滤波作用产生一个15 V的直流电压,这部分电压提供给功率放大器[7];15 V直流电压经过LM7812的降压作用产生一个12 V的直流电压,该直流电压符合运算放大器工作的要求。

图2 电源电路原理Fig.2 Power circuit principle

2.2 音量调整电路设计

音量调整电路的核心器件是一个电位器R10,R10的主要作用就是分压。按照一定的规律或比例在变阻器上滑动浮点,产生不同的输出值,从而完成音量的调整和改变[8]。音量调整电路如图3所示。

2.3 音调调整电路设计

音调调整电路设计采用的是反比例运算放大器,由电阻和电容形成一个选频网络,通过改变电容两极板间的距离和正对面积来改变电容的大小,从而改变网络的频率以实现音调的调整[9]。

2.4 数字功放

图3 音量调整电路Fig.3 Volume adjustment circuit

D类功放对信号进行转换,损耗几乎为零,因此电源的利用率非常高[10]。本文设计主要以D类功放为主。功率放大电路由4个组成部分,分别是电路供电、信号输入、功放处理和信号输出[11]。数字功放芯片采用TDA8932芯片。输入的音频模拟信号经过脉冲宽度调制处理后,按照一定的比例形成一个脉冲链,被放大的信号再由低通滤波器将高频部分滤除,得到一个被放大的输入信号波形来驱动扬声器,最终达到数字信号放大的目的[12]。

3 实物调试

焊接完成之后,首先查看整体焊接部分有无接错,测试各端点之间的数据是否正确,并且测量不应该有连通关系的端点之间是否存在连通或短路,然后再测量电源和地之间是否存在短路。排查完成之后,如各端点之间的值与理论值相符,则硬件测试过程结束。通电后,用万用表的电压档对D功放的电压和运算放大器的电压进行测量。检查校准完毕后输入一个音频信号,在运算放大器的输出端用示波器观察或者用耳机来听是否有声音,有声音说明各个部分都连接正常。焊接调试最终的实物如图4所示。

图4 实物Fig.4 Actual object

4 结语

本文设计的数字扩音器主要由4个重要组成部分,分别是电源电路、音量调整电路、音调调整电路和数字功放电路,每个组成部分都起着至关重要的作用。音频信号经电流放大,从而驱动扬声器,最终达到音频放大、音调和音量调节的效果。

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