基于电子元器件的音频放大器设计

邱子境，苏盈盈

（广州大学 机械与电气工程学院，广东广州，510006）

0 引言

伴随着电子技术和元器件的发展，如今能以较低的成本实现音频放大器的高效率运作，在本设计中，音频放大器的电路板全程手工焊接，实现的功能包括可将音频经过放大后输出到扬声器以及耳机播放；音频放大倍数分为0～7 八个等级，音量放大级数通过数码管显示；音频放大部分由12V独立电源进行供电，数控部分通过5V 独立电源进行供电；利用NE555 设计按键防抖动电路，利用74LS192 实现按键加减，除了具有放大功率的作用外，LED 部分可实时显示播放信号音量大小的频谱，亮光随着音乐进行跳动，制造出美观的视觉效果。下文将从方案设计与器件选择、电路设计原理、实物操作与演示等方面介绍一种基于电子元器件的音频放大器设计。

1 方案设计与器件选择

■1.1 方案设计

设计部分可分为音频放大部分和数控部分，音频放大部分即对输入音频信号通过放大器进行放大，在通过仿真实验测试保证输出波形不失真的情况下，用电容对电源进行滤波，减小音频噪声，最后将声信号输出到耳机或喇叭，同时音量检测电路可将音量大小实时显示成LED 的亮度波动；数控部分即按键控制音量的级数调节并通过数码管显示音量等级大小，实现音响音量控制的智能化和可视化。系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

■1.2 器件选择

（1）按键防抖电路。按键一般都是机械按键，由于触点具有弹性，当按键按下或弹起时，在动作的瞬间会伴随着一连串的抖动，按键的开断状态有可能被多次识别而导致按键不灵敏，无法达到预期效果，因此需利用外接电路实现按键消抖。NE555 适合与CMOS、TTL 等逻辑电路匹配使用，由于其只需简单的电阻电容就能起到振荡延时的作用，具有计时精确度高、价格便宜等优点，所以应用到按键防抖动电路中效果良好。

（2）模拟开关电路。模拟开关可以根据输入电平的高或低控制输出的状态，74LS192 是同步十进制可逆计数器，当收到上升沿脉冲信号时就会被触发，从而可控制加计数或减计数，设置0～7 八个可调等级，方便使用者调节音量的大小，实现音量控制的智能化。

（3）运放电路与重低音调节电路。LM324 是四运放集成电路，用LM324 组成的同相输入比例放大器，可对输入信号放大特定倍数，使音量大小的调节更为明显，在高频部分和低频部分分别通过LM324 控制，可实现重音和低音的独立调节。在运放电路的输入、输出端添加电容器能起到滤波作用，可减小音频噪声。在实际电路中，当滤波电容达到一定的限值后，其滤波效果几乎不变，但电容太大会使其充电时间加长，对电路的带载能力、工作频率等有更高的要求，因此电容器的取值要合理。

（4）功放电路。功放电路的作用是把前级的音频信号进行功率放大，推动设备发声，LM386 是一种音频集成功放，具有增益可调性、功耗低、外接元件少和总谐波失真小等优点，可将运放电路的音频信号功率放大进而驱动喇叭发声。

（5）调节放大倍数电路。CD4051 是一个单端8 通道的多路开关，由8 选1 译码电路、逻辑电平转换电路和8 个CMOS 开关单元组成，用CD4051八路开关控制不同的电阻接入电路中，根据电阻的比例大小达到数字方式控制放大倍数的目的。

（6）译码电路。译码器的作用是将输入的二进制码译成相应的状态信息，并使数码管上显示十进制数。CD4511 是驱动共阴极显示器的BCD 七段码译码器，具有消隐、BCD 转换、锁存控制等功能，可直接驱动共阴数码管。当使用按键调节音量时，数码管将当前音量等级可视化。

（7）音量检测电路。LM3915 是一个单片集成电路十位发光二极管驱动器，灵敏度很高，其输出电流大约是流入7 脚电压的10 倍来驱动负载，尽管电源电压和温度不同，电流仍相对恒定变化，因此可根据喇叭阻抗来选择输入分压电阻。

2 各电路设计原理

（1）按键防抖电路。NE555 的4 脚是直接清零端，当按键未按下时，2 脚由于上拉电阻的作用，初始时被置为高电平大于VCC，6 脚为高电平大于VCC，根据功能表可知此时输出低电平；反之，当按键被按下时，输出高电平，同时电容C1、C4 在充电，在充电过程中，无论2 脚、6 脚的电平如何变化，仍保持输出高电平，形成暂稳态，当充电到VCC 时，输出低电平。其中高电平的持续时间是由电容充电的时长决定的，本设计中NE555 的按键防抖电路的延时可达110ms，按键状态被有效识别，几乎不出现抖动。

（2）模拟开关电路。放大倍数拟分为0～7 八个等级，因此需把十进制的74LS192 设置成八进制，D0～D3 端口全部接地预置数为0，Q0-Q3 为输出端，采用异步清零的方式，当计数器计数到8 时清零，完成0-7 的循环，而8 对应的二进制数为1000，因此Q3 接清零端MR，当Q3 为1时清零，实现八进制计数。当DN 端为高电平，UP 端收到上升沿脉冲时将被触发，进行加计数；当UP 端为高电平时，DN 端收到上升沿脉冲时将被触发，进行减计数。无论进行加计数还是减计数，触发条件都需有一端为高电平，而NE555 电路中，按键未按下时，3 脚输出为低电平，所以在NE555 的输出端添加一个非门使74LS192 的UP 和DN端初始为高电平。按键在未按下—按下—松开的过程中，NE555 电路的输出呈现低—高—低电平的变化，经非门输入到74LS192 呈现高—低—高电平的变化，低到高电平的变化提供一个上升沿使计数器被触发进行加或减计数。

（3）运放电路。运放电路是用来控制并调节音频信号的音量级数的，运用LM324 组成的同相输入比例放大器，电压放大倍数可列为，其中Rf 大小由CD4051 八路开关控制，将R1 设置为100kΩ，当Rf=10kΩ 时，A 为2；当Rf=20kΩ 时，A 为3，以此类推，通过改变接入电路中Rf的阻值可以达到调节音频音量级数的目的。为减小音频噪声，需用电容对电源进行滤波，且在运放电路的输入、输出端口也需要用到电容进行高通滤波以及低通滤波。

（4）功放电路。功放电路主要是将运放电路输出的音频信号功率放大进而驱动喇叭发声，增益越大，电路的音频噪声也会相应增大，此电路不需要用到太大的增益，因此1 脚和8 脚断开时增益为20 就合适。为减小音频噪声，需要使用低通滤波滤除低频噪音，比如芯片电源噪音以及音频输入端的电流噪音，同时也要使用高通滤波滤除电路的高频噪音。

（5）调节放大倍数电路。用CD4051 八路开关控制将不同的电阻接入电路中可达到用数字方式控制音量分级放大的目的，CD4051 实则是一个单刀八掷的开关，输入的3位地址码将决定开关接通的通道。当计数器计数为2 时，相应的二进制码为010，则输入的地址码也为010，此时X2 和X 端接通，Rf 的等效电阻为30KΩ，所以运放的放大倍数为3 倍，以此类推。

（6）译码电路。根据CD4511 的功能表可知，若需数码管正常显示工作，其3、4 脚应接高电平，而5 脚接地，QA～QG 分别控制共阴极数码管的a～g 端，当某个发光二极管的阳极接了高电平，相应的段便会被点亮，输入不同的状态信号则可以显示相应的数字。

（7）音量检测电路。LM3915 是一个单片集成电路十位发光二极管驱动器，通过A/D 转换输出信号驱动十个LED柱实时显示音量大小，使音乐不局限于听觉，还可通过音乐的高低音大小声转换成光信号显示，具有一定的创意。

（8）重低音调节电路。通过不同电容允许通过不同频率范围的音频信号这一特点，把高频的音频信号单独通过LM324 进行放大，实现高音部分的放大，通过低频的音频信号单独通过LM324 进行放大，实现低音部分的放大，此设计有利于听者根据自身的喜好和对音乐的不同见解调节音色的重音与低音。

电路原理图如图2 所示。

图2 仿真运行图片

3 实物操作与演示

■3.1 操作说明

根据不同的电子元器件正常工作时所需的电源大小不同，此设计中需要配备两个电源，音频放大部分需要接入12V 独立电源，数控部分需要接入5V 独立电源，此时电路才能正常工作，插入音频输入，喇叭开始工作，初始放大倍数默认为1 倍，通过点击按键1 减小音量，点击按键2 增大音量，音量可调范围为0～7。用耳机进行输出时，插入耳机，喇叭停止工作，转换为耳机发声。

■3.2 功能说明

系统自带独立电源，电路设有0.35cm 的音频插头，可对手机或电脑的音源信号进行放大输出至喇叭或耳机；放大器的放大倍数分八个等级进行调节，通过按键进行音量增减变化，方便调整音量大小，每级音量变化明显并可通过数码管显示等级；运用NE555 设计按键防抖电路；通过LM3915 制作音频大小检测器及通过LED 光柱显示；通过调节电位器单独控制音乐的高音与低音。

实物图如图3 所示。

图3 实物图

4 结语

音频放大器的设计运用到模拟电子技术和数字电子技术的理论知识，也涉及到电路设计、软件仿真调试、焊接、实物制作等相关技术，电源接口、元器件本身等因素都有可能制造音频噪音污染，因此设计制作的重点就是滤除高频和低频噪音，设计电路时需通过仿真测试音频输入及输出的波形，当波形失真时，学会检查电路并作出修改，去除噪音的措施有很多，高通滤波接地可滤除高频噪音，低通滤波可用于干路直接滤除电源产生的低频噪音，除此之外也可通过接地进行滤除。本设计实现了按键控制音频音量的多级放大，基本无噪音，实现重低音可调，并将音律变化通过LED 频谱显示。可改进的地方是使用PCB 板制作电路，会比手工焊接万用板的运行稳定性略好。