2.1声道Hi-Fi音响系统的设计与制作报告[上学时做的]

爱你久久1984 · 发表于 2010-12-27 13:21

本音响系统主要用于多媒体播放中的音频功率放大，可用于一般家庭或小集体。其主功放模块采用的是菲利蒲公司出品的双通道Hi-Fi集成功率放大电路TDA1521，低音模块采用的是TDA2003，用两个模块对中、高音和低音信号分别进行放大。本音响系统在传统的2.0声道多媒体有源音响的基础上增加了低通滤波器和一个低音通道，组成2.1声道，使声音显得有深度，立体感强，真正实现了立体声重放。本系统有较好的频率特性，可放大多种频率的音乐和语音信号。设计制作中的技术关键在于各级电路间的级连和电子元器件的选取、输入控制电路和低通滤波电路的设计、电路的焊接等。
该音响系统的主功放电路选用的是一款比较高档的双通道Hi-Fi集成功率放大电路，其音质较好，低音功放电路采用专用模块，与主功放分离，真正的实现了2.1声道。同时，在本系统中还加入了左右声道的平衡调节电路，可以准确的实现两个通道的分离，这也是一般的有源音响不具有的。

满足外接功率负载（扬声器）的需求。Hi-Fi系统对功放的要求是：具有足够大的输出功率，各种线性失真（如谐波失真、互调失真、交越失真等）尽可能的小，频率特性平坦，具有较高的信噪比，优良的动态特征等。
我在学习了模拟电子技术基础课程之后，利用所学知识，在课余时间动手设计制作了下文所述的2.1声道Hi-Fi音响系统。
一、基本电路结构框图

二、单元电路原理图及其分析
1、主功放输入控制电路

图中W1-1、W1-2为一双联电位器，通过它来控制左（L）、右（R）声道输入信号强度、调节主功放音量大小；W2为一单联电位器，用于调节左（L）右（R）声道平衡，以获得更佳的立体声效果。
2、低通滤波器（LPF）及低音控制电路
本电路用于对输入信号进行频率处理，使频率较低的信号毫无损耗地通过，而对频率较高的信号进行衰减。图中R1-R5、C1、C2构成一个基本的低通电路，使信号源中频率较低的信号通过并进入低音功放模块进行放大，得到较重的低音，W3用于控制低音部分音量的大小。该电路的截止频率可由公式：f＝1/（2π×（R1+（R3＋R4＋RW3）//R5）×（C1＋C2））来近似算出。适当改变电阻（R1-R5）阻值或电容（C1、C2）值可改变其截止频率。我在制作中选择R1-R4为10K，R5为15K，W3为50K可调电位器，C1为0.33μF、C2为0.47μF的无极性电容。下面计算其截止频率：
当W3置0时，该电路的截止频率最大，此时其截止频率
f＝1/（2π×（R1+（R3＋R4）//R5）×（C1＋C2））
＝1×1000/（2π×（10+20//15）×0.8）
≈107Hz
因此，该电路的截止频率f＜107Hz。

3、主功放模块的核心器件——双通道集成功率放大电路TDA1521（见图（3））
由于要对两路（L、R）信号进行放大，故需采用双通道集成功率放大电路。我选用的是菲利蒲公司出品的TDA1521双通道集成功率放大电路，其主要参数见表（1）。TDA1521为单列9脚直插式集成电路，是一款性价比较高的Hi-Fi功放电路，其构成电路简单，外围元件少，有现成的应用电路（见参考文献[1]P.492）。它的电压适应范围宽（±7.5—±20V），频率响应特性好，高低频性能优良，带宽（BW）大于90KHz；具有高输入阻抗和低输出阻抗，带负载能力强；内部固定增益，通道间的增益平衡性优良，无开关时的电源冲击噪声，内含过热保护和负载短路保护、输入静噪等电路。
TDA1521在应用中可用双电源或单电源供电，但双电源供电时电路最简且音质最佳，所以我在制作中采用的是双电源供电。由于其输出功率比较大，所以在制作时要考虑加装散热器，我在制作中用的是铝合金材料，大约有16cm长，使用中未出现过热现象。因其散热器与5脚等电位，而5脚为负电源，故应将散热器与负电源相连。
图（3）为主功放TDA1521的外围电路原理图，两路音频信号经输入耦合电容C3、C4分别由1、9脚进入功放电路进行放大，最后分别由4、6脚输出，驱动音箱。图中RL1和RL2为负载（音响），其阻抗应为4-8欧姆。

图（3）中C3（C4）为输入耦合电容，用于将信号源与集成电路中1（9）脚的直流电路隔离，同时将音频信号无损耗地输入到1（9）脚的内部电路，其容量不应太大，我选用的是0.22μF的无极性电容；C5（C6）和R6（R7）组成喇叭的均衡网络，用来抵消喇叭感抗，电阻阻值应与喇叭的阻抗相当，电容的容量应小于0.1μF，我选用的是8.2Ω的电阻和0.02μF的电容。
电路中音频信号的传输过程是：音频信号Ui→输入端耦合电容C3→TDA1521的1脚→TDA1521功率放大→TDA1521的4脚→（L）音箱。（另一路信号传输过程与此相同）
4、低音功放TDA2003及其外围电路原理图（见图（4））
输入的音频信号经低通滤波器（LPF）进行频率处理后送入低音功放模块进行放大。在制作中我选用TDA2003做低音放大器。TDA2003为一5脚单列直插式集成放大电路，其内部有短路保护、过热保护、电源极性接反和负载泄放电压反冲等保护电路，工作安全可靠，电源电压适应范围宽，为8-18V，可与主功放用同一电源供电，因此省去了另做电源的麻烦。TDA2003带负载能力强，当电源电压为14.4V，负载阻抗为2Ω时，输出功率为10W（此数据来源于资料）。因其功率较大，要考虑外接散热器，可用铝合金材料自制，用一段长约3㎝的铝合金窗料就足够了。

图（4）中C7为输入耦合电容，用于将信号源与集成电路中1脚的直流电路隔离，同时将音频信号无损耗地输入到1脚的内部电路，我在制作时选用100μF的电解电容；C8为输出端耦合电容，用于将4脚直流电路与RL隔离，防止RL影响4脚的直流电压，我选用470μF的电解电容；C9为交流负反馈回路隔直电容，将2脚直流电路与地线之间隔离，防止反馈电阻R9上产生直流负反馈作用，我选用200μF的；R8用于建立2脚和4脚之间的直流回路，同时还有直流和交流负反馈的作用，选用510Ω的；R9是交流负反馈电阻，选用5.1Ω的；C10和R10组成喇叭的均衡网络，用来抵消喇叭感抗，我在制作中分别选取了10μF的电容和8.2Ω的电阻。
电路中信号的传输过程是：音频信号Ui→输入端耦合电容C7→TDA2003的1脚→TDA2003功率放大→TDA2003的4脚→输出耦合电容C8→低音音箱。
5、电源电路原理图（见图（5））
电源变压器选用30W（以上）的双15V优质电源变压器，图（5）为其原理图。双15V变压器输出的电压经D进行全波整流和C11、C12稳压后可得到约15×1.25＝18.75V的电压，然后再用三端集成稳压管CW7815、7915或者LM7815、7915进行稳压，以得到更加平稳的电压和电流。图中C13-C18、7815、7915组成稳压电路，输出±15V的电压，供功放电路工作。该稳压电路的输入输出压差为3.75V，大于3V而小于10,刚好满足稳压器的输入输出压差（若压差过大，易烧坏稳压电路；若压差过小，则起不到稳压作用）。7815与7915各引脚的功能不同，图（5）中已标出。另外，在制作时应给其加装散热器，可用铝质的，面积根据压差的大小来确定。
由于买不到双15V的电源变压器，我在制作中选用的是一双12V的电源变压器，因它的输出电压稍小了一点，不能使稳压电路正常工作，但将其输出电压进行整流、滤波后直接应用，则可得到约12×1.25＝15V的电压，正好可以给功放供电。因此，可以省去稳压电路，其效果还不错。

双15V变压器的输出电压为30V，考虑到电源电压的波动范围为10％，所以D应选择大于30×（1＋10％）＝33V的全桥整流电路，我选用的是50V/3A的。滤波电容C11和C12的耐压值应大于1.1××15＝23.3V的，其容量在条件允许的情况下尽可能大些，我在制作中选用的是50V/4700μF的优质电解电容。C13、C14用于抵消输入线路过长时的电感效应，防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1μF，可选取0.33μF的；C15、C16用于消除输出电压中的高频噪声，可选取小于1μF的，也可以选取几微法的电容，以便输出较大的电流。但若其容量过大，一旦输入端开路，其将从稳压器的输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏，此时，可以在稳压器的输入和输出端之间跨接一二极管，起保护作用。C17、C18为稳压电路的补充电容，一般取几百微法。R11和LED构成电源的指示电路，用来指示电源接通与否。
6、音箱的制作
主功放的音箱箱体选择10-15㎜的中密度板或10-11层的胶合板或厚度相当的硬质木板，按5：3：2制成全封闭式音箱，内装20-30㎜的吸音材料（可用棉花），粘合处用木工用胶粘好，再用木螺钉加固，也可在胶合处灌上沥青，以增强密闭性，在音箱的后面装上接线柱，并标明相位，根据扬声器的大小在前面板上开口，将扬声器装入孔中，与接线柱接好，然后用螺丝将扬声器固定在音箱中。应选择20W、橡胶边的优质全频段或中频扬声器做主音箱的喇叭。低音音箱的箱体材料和形状与主音箱一样，但应作成倒相式，在前面开一倒相孔，以获得更好的低音效果。低音扬声器尽可能选择与主音箱同一品牌的，这样效果将更佳，其额定功率应大于10W。在同一功率、阻抗、品牌下，如果条件允许，尽可能选择口径较大的扬声器。为了美观，音箱的箱体表面可贴上自己喜欢的玻璃钢或彩色装饰板，还可给功放配置一个合适的机箱，也可以将功放放入低音音箱中。
在制作中，还可以在两个主音箱中各加入一个高音扬声器和简单的分频电路来改善音质，但此时要注意阻抗的匹配。
三、整体电路图
原理图.jpg

四、组装调试
   1、仪器设备
   万用表、敷铜板、台钻、钳子、镊子、电烙铁、木板、螺丝刀、木工用胶、502快干胶、接插件、电子元件（规格参数见表（2））等。
   2、组装调试
   ① 选择合适的元件和敷铜板；
   ② 按照总体电路图进行电路布局。根据各元件引脚长短和敷铜板大小初步确定各元件的位置，确定不需要再修改后用台钻在敷铜板的适当位置打孔；
   ③ 安装各元件，先安装比较大的元件和应该在电路板上固定的元件，散热器应尽量安装在电路板的外侧；
   ④ 给各元件上锡，并按图焊接电路；
   ⑤ 按喇叭大小和音箱比例设计并制作音箱；
   ⑥ 确保以前各项无误后便可通电试机。
五、使用说明书
   1、接通电源，电源指示灯（LED）亮，表明正常工作（两个红色夹子是交流变压器输出的相线，黑色的为地线，为了电路安全起见，确保通电前W1、W3均置于最大阻值处，即将音量开到最小）；
   2、用双声道音频线将音频信号源与功放电路板上对应的R、L输入端相连（直接插上即可）；
   3、将两个主音箱和低音音箱分别接在电路板上对应的插孔内（注意低音喇叭的极性）；
   4、打开音频信号源，调节W1可改变两个主音箱音量的大小，调节W2可控制左（L）右（R）声道的平衡，调节W3可控制低音的轻重和大小；
   5、关机时请将W1和W3置于最大阻值处；
   6、该功放可接收音机、单放机、随身听、CD、VCD、DVD、MP3、MP4、电脑等多种音频信号源。
六、实验测试及数据处理
１、仪器设备
信号发生器、交流毫伏表、示波器、万用表、电烙铁。
2、测量数据处理
①电源
变压器次级输出电压　12.2V 　11.9V
整流滤波后输出电压　＋15V 　－14.8V
最大电流       　1.08A 　1.02A
②输出功率
      低　音　R＝4Ω    Uom＝4.2V
            左声道    R＝4Ω    Uom＝5.4V
            左声道    R＝4Ω    Uom＝5.7V
由①得：P＝15×1.08＋14.8×1.02＝31.296W
由②得：PM＝（4.2×4.2）÷4＝5.29W
            PL＝（5.4×5.4）÷4＝7.29W
PR＝（5.7×5.7）÷4＝8.12W
所以，P总＝PM ＋PL＋PR＝5.29＋7.29＋8.12＝20.7W
效率为：（20.7/31.296）×100％＝66.14％
七、功能扩展
本音响系统中可加入前置放大器和电子混响器，实现卡拉OK和电子混响功能；还可以加入音量显示电路（如音量显示专用集成电路TA7666P），通过多个发光二极管（或发光二极管阵列）来直观指示音量的大小，乐趣无穷。因时间和条件所限，在本次设计和制作中暂未考虑这些电路，不过，我以前作过这些电路，效果都不错。
八、总结
   本音响系统基本上是在上文所述电路的基础上制作而成，但因受各方面条件的限制，在制作中多出降低了标准，甚至出现了电子制作中应避免的问题，但总体上来看，我制作的这个音响系统的各种性能还是比较理想的，我个人感到比较满意。
   在制作中主要存在以下问题：①没有买到合适的电源变压器，因而没有加稳压电路；②没有买到新的敷铜板，用旧电路板来代替，电路布局不尽合理；③信号线不规范，存在干扰和信号衰减；④交叉导线过多，接插件不够规范；⑤音箱用的是一旧录音机上的喇叭箱，其箱体设计不太合理，喇叭质量也不是太好，低音音箱是我自己就地取材用三合板钉成的，其密闭性不好，板太薄，也没有装吸音材料；⑥由于时间有限，部分电路尚未考虑进去，其功能还有待于继续扩展。
   改进意见：①严格按照电路标准设计印制电路板；②使电路更合理，提高效率；③进行功能的扩展和完善（见上文“功能扩展”部分所述）。

这个是我上大学时参加比赛的一个作品，这次的参赛作品也可以说是这个作品的一个延伸和扩展，下面继续上图给大家看看！