一种分立元件式高保真音频功率放大系统的设计

李俊凯

（桂林信息科技学院，广西桂林，541004）

0 引言

社会飞速发展的当代很多产品和技术的出现其实都是因为人类某一方面的需要，而科技进步到现在已经不单单为了满足人类物质方面的需求，现在的人类物质生活已经极大丰富，所以人类开始追求精神方面的升华，绘画，文学，舞蹈，音乐等都是精神方面的享受，而音乐更能带给人们精神的满足，为了播放更高品质的音乐有了很多项发明，也有很多产品被制造了出来，录音机，随身听，MP3，MP4等都是这个需求的产物，这些产品可以带给人们更好的音乐方面的享受，而其中有一个发明是极其重要的，它就是音频功率放大器。它的出现可以说是一种技术的变革，正是这个发明的出现，让人们对音乐的追求变得容易很多。

1 系统设计

该系统的主要架构由前级调音部分、后级功放部分电源与喇叭保护部分、蓝牙模块、单片机最小系统组成。在系统构建过程中，需要根据预期目标，产品的整体成本，等因素来确定具体的方案。设计系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 电路设计与分析

2.1 蓝牙模块介绍

ISSC蓝牙是智能型无线音频数据传输模块，是低成本的高效率的双声道无线传输方案，模块采用is1681s立体声芯片，为模块提供了优质的音频和普适性，整体性能更为优越。低失真，低感染，音色纯净，传输距离远。蓝牙模块如图2所示。

图2 蓝牙模块图

2.2 前级调音部分

整个电路使用双5532芯片使整体音色更为出色。四个1N4007二极管整流，速度快于整流桥，多应用于电流小的场合，每个二极管并联一个104的CBB电容，有效滤除电源变压器引入的高频噪声，使电源更干净，这对小信号等调音板很重要。电源滤波为两Rubycon红宝石2200μF/25V电容，LM7815和LM7915芯片构建的双电源，能使运放工作在更佳状态在设计中CA，CB这两个47pF电容可视作“超前电容”，克服NE5532等集成运放本身增益过高会产生非线性失真等特点，听久也不会有烦躁感，这个电容作用在长时间听音才会体现出来其不可或缺。前级调音部分如图3所示。

图3 前级调音电路

2.3 电源电路

制作电源模块电路时采用的是在直流稳压电源模块电路中220V交流电压经过变压器转换成24V的交流电压，先通过小电容滤除二次谐波，最后通过4只10000μF的电解电容来滤除电源纹波完成滤波。因为功放板所需要的功率较大，并且220V电网也比较稳定，所以在电路中取消了稳压块的使用，这样可以获得更大的功率。电源模块如图4所示。

图4 电源原理图

2.4 喇叭保护电路

这个模块的功能是当功放通电时，功放的输出端不会直接与喇叭相连接，需要等待继电器吸合后才会与喇叭接通，这样可以防止开机时的瞬间的电流冲击，可以防止喇叭的损坏。设计带有保护状态指示灯上电瞬间此状态指示灯闪烁，继电器吸合后常亮，功放输出直流或者异常后保护功能起作用继电器跳动此灯闪烁，闪烁功能能很好的给您指示功放的状态。

当电路板上电之后，通过稳压块LM7824输出24V的直流电压，通过470kΩ和4.7kΩ的电阻进行分压，分压后得到大约1.5V的电压。此时电路首先会给100μF的电容进行充电，当充电完成之后便会使三极管Q1导通，Q1导通后Q2导通，导通后继电器的8脚会与地相连接，继电器线圈通电，继电器吸合，音频输入和输出导通。达到了延时开机的功能。

2.5 显示电路

LCD1602与单片机连在一起构成了本次设计的液晶显示部分。设计需要显示音频通道的选择和音量的大小。

2.6 后级功放电路

后级功放部分电路按照设计要求采用分立元件。采用2SC5200、2SA1943分立管功放制作。这对大功率三极管具有抗毁烧能力强，二次击穿耐压高，温度特性好，抗热疲劳能力强，开关速度快，集电极功耗大，饱和导通电压低等优点。使制作出来的功放板高音层次清晰、中音沉稳有力表现的的人声非常自然、低音下潜很深、气势磅礴。如图5所示。

图5 后级功放

2.7 单片机最小系统

单片机最小系统由一片单片机、复位电路、时钟电路、电源电路和输入/输出等构成。单片机最小系统结构框图如图6所示。

图6 单片机最小系统

3 系统软件设计

3.1 系统语言的选择

本次程序是在Keil软件编译环境中使用C语言进行编写。根据设计要求和电路情况构思出编写程序的基本框架，程序部分按照设计思路主要分为两个部分，一部分是通过按键控制4个信号继电器实现对信号的切换，另一部分是用液晶显示屏显示继电器切换成功。

3.2 程序流程图

系统通电后，第一步开始对单片机中断以及液晶屏幕初始化，之后将主界面内容显示在液晶显示屏幕上。第二步进行通道选择，音量数据采集，处理数据，最后将读取的数据通过LCD1602显示出来，包括音源通道、音量大小。程序流程结构框图如图7所示。

图7 主程序工作流程图

4 系统设计与调试

4.1 电路设计与焊接

硬件电路的调试是所有工程技术人员的必修课，运用所掌握的知识和通用技能，根据电路的原理和操作手册进行科学的调试是从业人员应该有的基本素质。

设计完全使用手动布线，这样能更好的走线，使布局更加美观，接下来进行焊接。设计中对于有极性的元器件要仔细辨认安装方向，否则轻则造成元器件的损坏并使整个电路无法使用，重则使电路板被烧坏发生危险，焊接电路板时应非常细心，熟练掌握好焊接规则，才不至于造成焊接短路，元件没有焊接上去等低级错误，在焊接过程中顺序也非常重要，一般按规则分步进行。安装顺序遵循先电阻和二极管这些最矮的的器件，然后装上芯片插座和大功率的电阻，最后安装无极性小电容、继电器、电位器整流桥堆等元件。测试板上的各个关键点的电压是否正常，再把剩余的元件装上。本设计会用到不同阻值的电阻，焊接前先确定每个位置所需要的电阻，避免电阻用错造成电路问题。

4.2 硬件的调试

(1)直流稳压电源调试：对直流稳压电源电路的输入端接上28V的变压器，再用外用表测量输出端的电压是否达到要求的电压，是否是直流电压，如果是稳定的直流电压并且达到要求就表明此电路是成功的，可以使用；如果不是，就要对电路进行分析，找出错误，进行改正。

(2)功率放大电路调试：在直流稳压电源电路可以用的情况下，对功率放大电路进行供电，再在输出端接上8Ω，20W的外接水泥电阻，然后用数字信号发生器对功率放大电路进行信号输入，然后用数字示波器观察输出波形看是否达到要求。如果可以表明功率放大电路可以正常工作。

(3)喇叭保护电路调试：看继电器是否在过三秒后吸合，当然，其他电路正确的情况下无法测试喇叭保护电路是否会在故障的情况下断开扬声器，不过只要其他电路正确那就问题不大。

(4)前级调音电路：在其他电路调试正确之后，在功率放大电路的前端接上前级调音电路，让信号输入在前级调音电路中，然后拧动前级调音电路中几个电位器看数字示波器的波形是否发生变化，如果变化和理论一致则表示前级调音电路可用。

4.3 系统整体调试

完成硬件电路之后，整个设计的功能就基本确定了，要达到初始设计时的指标要求，就必须把软件与硬件结合起来进行软件的编写。通过前期的检测，硬件电路是已经没有问题了，接下来进行软件的调试，软件的调试主要分为主程序和子程序，主程序是设计系统的核心程序，是整个设计最重要的部分，子程序是用来实现实质性的功能，如发送、接收、计算、显示数据等。接下来根据相应的功能来编写程序实现全部要求。在使用软件Keil C51中出现语法错误要及时的发现然后更改，在最开始调试的时候要检查头文件以及各种初始化程序是否正确。其次就是根据功能来逐个检查程序准确性，在分模块编写程序的情况下，发现并解决问题能够更加有效率。整机如图8所示。

图8 整机图

5 系统的性能指标测试

5.1 输出功率检测

输出功率的检测方法：通过函数信号发生器在调音前级电路的输入端接f=1kHz，Uopp=100mV的正弦信号，使用阻值为8Ω，功率为10W的四个水泥电阻两两串联再并联作为输出端的负载，然后连接到示波器观察输出信号的波形。调节输入信号的幅度，使输出波形达到不出现失真（失真度＜5%）且幅度达到最大的临界点时，测量波形的电压值（峰峰值），此时的最大输出功率称为额定功率，计算出最大输出功率为（式1）。式中，RL为额定负载阻抗。

测试的最大不失真输出电压与功率参数如表1所示，测试参数图如图9所示。

表1 最大不失真电压与功率

图9 衰减10倍的最大不失真电压测试图

因为探头使用了十倍衰减，所以显示为5.92V。

5.2 频率响应的测量

一个音频功率放大器的电压增益相对于中音频fo（1kHz）的电压增益在下降3dB时所对应的低音频截止频率fL和高音频截止频率fH，称fL～fH为该音频功放的频率响应。

通过函数信号发生器输入一个fo=1kHz，Uopp=100mV的正弦信号，调节示波器测量输出电压峰峰值Uopp，然后调节信号源的输入频率fi，找出使得输出电压峰峰值下降为0.707Uopp时所对应的频率点即为下限截止频率fL和上限截止频率fH。

测试所得数据如表2所示。调节信号发生器上的频率输入，测出几个频率点数值所分别对应的左声道和右声道的电压点所对应的数值，将这几个点所对应的数值绘制出频率响应测量数据表如表3所示。

表2 上下限频率测量数据表

表3 频率响应测量数据表

5.3 交流声电压的测量

将前级调音的输入端交流短接到地时（左、右声道和地连接），输出端接RL=8R的负载电阻之后连接到示波器，调节示波器并观察此时的波形。所测得的交流声波形如图10所示。

图10 交流声电压测试图

5.4 效率测试

效率测试所得数据如表4所示。

表4 效率测量数据表

根据公式计算得出效率η为也就是65.5%。符合预期要求≥50%。

6 总结

本次设计的分立元件式高保真音频功率放大系统进过实机测试达到预期设计目标。特别是在前级使用双5521运放，后级采用2SC5200、2SA1943分立管功放的设计使整个达到了高功率、高保真的一个输出效果，声音表现高音层次清晰、中音沉稳有力表现的的人声非常自然、低音下潜很深、气势磅礴。适合专业音乐人士使用。