基于protel dxp的双声道音频放大器的课程设计Word文档下载推荐.docx
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1前言
随着科技的飞速发展,人们生活水平的提高,人们对音质的要求越来越高。
音频功率放大器是音响系统中不可缺少的重要部分,其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载,如扬声器、音响等。
所以要满足于广大消费者享受优美动听的音质,必须研发更替功率放大器。
目前,音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品,模拟功放经历了数十年的不断改进和完善,其技术已发展到了顶峰。
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。
回顾一下功率放大器的发展历程。
1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管,开创了人类电声技术的先河。
1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后,使音响技术的发展进入了一个崭新的时代,比较有代表性的如"
威廉逊"
放大器,较成功地运用了负反馈技术,使放大器的失真度大大降低,至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期,各种电子管放大器层出不穷。
音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。
音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号,信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。
音频范围为约20Hz~20kHz,因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些,如低音喇叭或(高音喇叭)。
根据应用的不同,功率大小差异很大,从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦,再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦,直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上,大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。
音频放大器的一种简单模拟实现方案是采用线性模式的晶体管,得到与输入电压成比例的输出电压。
正向电压增益通常很高(至少40dB)。
如果反馈环包含正向增益,则整个环增益也很高。
因为高环路增益能改善性能,即能抑制由正向路径的非线性引起的失真,而且通过提高电源抑制能力(PSR)来降低电源噪音,所以经常采用反馈。
2ProtelDXP2004的简介
2.1ProtelDXP的简介
随着计算机技术的飞速发展,Protel以其卓越的功能和旺盛的生命力紧跟操作系统和EDA技术的发展步伐。
从第一个ProtelforWindows版本到Protel98、Protel99和Protel99SE,直到推出功能更强大的ProtelDXP。
他继承了Protel系列产品的优点。
与Protel99SE相比他在许多方面均有大幅度提高。
ProtelDXP项目级集成管理双向同步,自带错误检查,文件比较,多功能输出配置,比较器引擎保证了源文件和目标文件PCB文件之间的完全同步,消除了原来版本同步困难的问题。
ProtelDXP不再是把所有文件放在一个数据库文件*.DDB里而是分为原理图设计系统*.SCHDOC和印制电路板设计系统*.PCBDOC。
ProtelDXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件该软件能实现从概念设计,顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。
当前比较流行的Protel98、Protel99SE就是它的前期版本。
ProtelDXP2004已不是单纯的PCB印制电路板、设计工具,而是由多个模块组成的系统工具分别是SCH、原理图设计、SCH原理图仿真、PCB印制电路板设计、AutoRouter自动布线器和FPGA设计等。
覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起为电路设计提供了强大的支持。
与较早的版本——Protel99相比ProtelDXP2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化而且极大地强化了电路设计的同步化,同时整合了VHDL和FPGA设计系统,其功能大大加强了。
2.2DXP的主要特点
1通过设计工程的方式,将原理图编辑,电路仿真,PCB板的设计和打印这些功能有机的结合起来,提供了一个集成开发的环境。
2提供了丰富的原理图组件库和PCB封装库,并且为设计新的器件提供封装向导程序,简化了封装设计过程。
2.3DXP的主要工作界面
1启动ProtelDXP
启动后进入图所示的ProtelDXP设计管理器窗口。
ProtelDXP的设计管理器窗口类似于Windows的资源管理器窗口。
图2-1是ProtelDXP2004的设计管理器窗口。
2主菜单和主工具栏
ProtelDXP的主菜单栏包括文件、视图、项目、窗口和帮助等。
图2-2是ProtelDXP2004的工作界面。
2.4原理图设计基本操作
2.4.1项目文件和原理图文件的创建
1首先在桌面建立工程文件夹如“双声道音频放大器”,便于管理生成的子文件。
2执行菜单命令“文件”/“创建”/“项目”/“PCB项目”,建立一个空项目文件。
3执行菜单命令“文件”/“保存项目”,在弹出的保存项目对话框中输入“双声道音频放大器”文件名,并保存在“双声道音频放大器”文件中。
4执行菜单命令“文件”/“创建”/“原理图”,新建电路原理图文件。
5执行菜单命令“文件”/“保存”,在弹出的保存文件对话框中输入“双声道音频放大器”文件名,并保存在“双声道音频放大器”文件夹中。
创建好的原理图文件如下图所示:
2.4.2工作环境设置
执行菜单命令“设计”/“文档选项”,打开“文档选项”对话框,在该对话框中对图纸参数进行设置。
设置图纸大小单击“StandardStyle(标准图纸格式)”区域的下拉按钮,显示如图所示的下拉列表框。
选择“A4”选项,即可把图纸设置为A4大小。
2.4.3放置元件
在Library面板中,单击库文件名列表框的下拉按钮,选中Miscellaneous
Devices.IntLib元件库,然后在下方输入元件名,在当前库元件列表中选中要放置的元件,在工作区适当位置单击鼠标左键可将元件放到当前位置。
当元件全部放完后,单击右键结束。
根据任务的要求对每个元件的属性进行修改,可以双击元件进入属性界面。
如我们想要合适的封装,具体过程如下;
首先在属性界面的处单击Edit进入界面。
然后在所给的封装中找出自己需要的即可。
2.4.4原理图连线
1、按照任务原理图将各元件摆放整齐。
2、单击“放置”/“导线”,光标变为十字形状。
连接元件。
3、放置、编辑电源及接地符号
电源及接地信号有很多种,系统提供了专门的电源及接地符号工具,有10多种不同形状供选用。
单击连线工具中
的按钮,可一次放置电源及接地符号。
在放置之前按Tab键,打开“设置电源或接地符号属性”对话框。
设置完后,单击OK即可。
3设计方案的比较与选择
通过对技术指标的分析,可以采用多种器件来达到指标要求,下面将列出三种符合要求的方案。
方案一:
运用分立元件来实现。
功放主要由前级差模输入,中级放大,后级功率驱动输出。
前级主要采用应用最为广泛的90系列的9013、9014三极管组成双端输入、双端输出差模放大器。
中间级任然采用9013、9014三极管为核心器件组成共射级放大电路;
对信号进行放大。
输出级主要采用输出功率能够达到10W的三极管组成共集电极电路;
以足够的功率驱动负载。
方案二:
采用TDA2030集成块来实现电路要求。
TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路,其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小,能在最低±
6V最高±
22V的电压下工作在±
19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率。
TDA2030集成电路的另一特点是保护性能比较完善。
一旦输出电流过大或管壳过热,集成块能自动地减流或截止,使自己得到保护。
所以只要采用两片TDA2030集成块,再附加一些其他功能电路和一些补偿、保护器件即可设计出一款性能较佳的双声道功放。
方案三:
电路主要采用TDA2009运放块;
TDA2009是常见的高保真功放集成块,一般就是用到电视或者小型功放机。
额定功率为2×
10W。
电源电压为8~28V。
最大输出电流为3.5A。
具有过热保护电路。
(2×
10W,THD=0.5%)所以只要运用一片TDA2009集成块和一些简单的外围器件就可以做出一款音质较好的功放。
综上,三种方案各有其优势与缺点。
如果采用分立元器件做功放,会需要很多的元器件才能实现功能。
元器件一旦增多,必然会使电路复杂化,浪费资源利用率及设计制作时间。
同时,元器件与元器件,线路之间以及元器件自身的非理想性;
必然会给电路带来大量的干扰,失真。
制作出来的电路板必然会远远偏离理论设计要求;
所以功放一般都不采用分立元器件制作。
TDA2030是一款中功率高保真功率放大集成电路,虽然年代已相当久远,但至今使用仍然很普及,其方面性能仍然很优越。
TDA2009集成块虽然在很大程度上其性能与TDA2030集成块的相似;
但TDA2009集成块实现本设计时电路简单,无法很好的反应对知识理论的掌握情况。
所以,TDA2030集成块是本设计制作的最佳理想器件。
4双声道音频功放电路的设计
4.1电路设计流程
如下图所示为TDA2030集成块设计出来的功放电路。
根据设计课题的要求,该音频功率放大器可由如下框图实现。
下图主要介绍各部分电路的特点及要求。
4.2直流稳压电源的设计
稳定直流源在几乎所以电路中不可缺少,主要给电子电路提供能量。
直流稳压电源最主要是能够输出恒定的电压,设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器,再通过整流网络,然后经过滤波网络,最后经过稳压网络输出。
本设计采用中心抽头式变压器,然后经过桥式整流电路作为整流网络,再以容值为1000uF/25V电容作为滤波网络,接着采用固定式三端集成稳压器LM7812和LM7912作为稳压网络,最后经过470uF电容滤波输出。
其中电容C1、C2、C3和C4主要是抑制稳压块的自激震荡。
二极管D1,D2主要是对稳压块的保护。
设计制作出来的直流稳压电源原理图如图4-3所示:
4.3前置放大电路设计
音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大,然后输出驱动扬声器。
声音源的种类有多种,如传声器(话筒)、电唱机、录音机(放音磁头)、CD唱机及线路传输等,这些声音源的输出信号的电压差别很大,从零点几毫伏到几百毫伏。
一般功率放大器的输入灵敏度是一定的,这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话,对于输入过低的信号,功率放大器输出功率不足,不能充分发挥功放的作用;
假如输入信号的幅值过大,功率放大器的输出信号将严重过载失真,这样将失去了音频放大的意义。
所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器,以便使放大器适应不同的的输入信号,或放大,或衰减,或进行阻抗变换,使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。
另外在各种声音源中,除了信号的幅度差别外,它们的频率特性有的也不同,如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形,即低音被衰减,高音被提升。
对于这样的输入信号,在进行功率放大器之前,需要进行频率补偿,使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态,即加入频率均衡网络放大器。
两个声道电路一致故下图只给出左声道电路如图4-4所示:
4.4音量控制电路设计
音调控制电路的主要功能是通过对放音频带内放大器的频率响应曲线的形状进行控制,从而达到控制放音音色的目的,以适应不同听众对音色的不同爱好。
此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量,使音质得到改善,从而提高放音系统的放音效果。
在高保真放音电路中,一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电路。
一个良好的音调控制电路,要求有足够的高、低音调节范围,同时有要求在高、低音从最强调到最弱的整个过程中,中音信号(一般指1kHz)不发生明显的幅值变化,以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。
音调控制电路大多由RC元件组成,利用RC电路的传输特性,提升或衰减某一频段的音频信音调控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类,衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽,但由于中音电平也要作很大的衰减,并且在调节过程中整个电路的阻抗也在变化,所以噪声和失真较大。
负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小,并且在调节音调时,其转折频率保持固定不变,而特性曲线的斜率却随之改变。
同样由于两声道的音量控制电路一样故只给出了左声道电路图如图4-5所示:
本电路通过控制变阻器RP201,RP202,RP203来控制最终的音量大小,调节方便,工作稳定。
4.5功率放大电路设计
本次功率放大电路的设计主要采用大的是TDA2030芯片进行功率放大。
TDA2030芯片的电路特点:
1外接元件非常少。
2输出功率大,Po=18W(RL=4Ω)。
3采用超小型封装,可提高组装密度。
4开机冲击极小。
5内含各种保护电路,因此工作安全可靠。
主要保护电路有:
短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接Vmax=12V以及负载泄放电压反冲等。
6TDA2030A能在最低±
19V、8Ω。
功率放大器是本设计的核心部分,功率放大器的每一环节都直接影响到输出的音质。
本设计电路为—双电源供电OCL音频功率放大器(双声道),其中高保真运算放大器TDA2030集成块输出电流峰值最大可达3.5A,其内部电路包含输入级、中间级和输出级,且有短路保护和过热保护,可确保电路工作安全可靠。
运用TDA2030集成块设计的电路图如图4-6所示:
5PCB电路板制作
5.1原理图的绘制
1启动ProtelDXP后,新建设计项目文件是设计图纸的第一步操作,然后建立原理图文件。
2绘图前的准备工作,主要包括调入元件库,图纸页面设置,放置原件和调整元件位置。
并同时写入元器件的属性设置。
如果元件库中没有的器件,必须自己画。
3整体布局,要注意电路设计的规则,一般来说,从信号进入开始,电源在上地线在下且与电源平行,左端是输入端,右边是输入端,按信号流向摆放元件。
4加入必要的文本注释,增强图纸的可读性,最后进行ERC电气规则检查,为PCB制作提供准备。
5加入必要的文本注释,增强图纸的可读性,最后进行ERC电气规则检查,生成网络表和元器件报表;
为PCB制作提供准备。
6利用protelDXP软件画出双电源音频功率放大器原理图。
5.2PCB图的绘制
1包括设置格点大小和类型,光标类型,版层参数,布线参数等等。
大多数参数都可以用系统默认值,而且这些参数经过设置之后,符合个人的习惯,以后无须再去修改。
2规划电路版,主要是确定电路版的边框,包括电路版的尺寸大小等等。
在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。
注意-在绘制电路版地边框前,一定要将当前层设置成KeepOutlayer层,即禁止布线层。
3打开所有要用到的PCB库文件后,调入网络表文件和修改零件封装。
这一步是非常重要的一个环节,网络表是PCB自动布线的灵魂,也是原理图设计与印象电路版设计的接口,只有将网络表装入后,才能进行电路版的布线。
在原理图设计的过程中,ERC检查不会涉及到零件的封装问题。
因此,原理图设计时,零件的封装可。
能被遗忘,在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。
当然,可以直接在PCB内人工生成网络表,并且指定零件封装。
4布置零件封装的位置,也称零件布局。
ProtelDXP可以进行自动布局,也可以进行手动布局。
如果进行自动布局,运行"
Tools"
下面的"
AutoPlace"
用这个命令,你需要有足够的耐心。
布线的关键是布局,多数设计者采用手动布局的形式。
用鼠标选中一个元件,按住鼠标左键不放,拖住这个元件到达目的地,放开左键,将该元件固定。
ProtelDXP在布局方面新增加了一些技巧。
新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。
使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件,然后旋转、展开和整理成组,就可以移动到板上所需位置上了。
当简易的布局完成后,使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
提示-在自动选择时,使用ShiftX或Y和CtrlX或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
注意-零件布局,应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。
先布置与机械尺寸有关的器件,并锁定这些器件,然后是大的占位置的器件和电路的核心元件,再是外围的小元件。
5布线规则设置,布线规则是设置布线的各个规范(象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则,可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后,再导入这块板)这个步骤不必每次都要设置,按个人的习惯,设定一次就可以。
在电路原理图的基础上,绘制PCB图如图5-1和图5-2所示:
6总结
通过这次课程设计,我对ProtelDXP有了进一步的认识,在一定程度上了解了双声道音频功率放大器的作用和工作原理,还培养了独自设计实践能力。
从最初的选题,绘制电路板到写论文,每一个过程都是对自己知识的增长。
但是课程设计也暴露出自己的很多问题。
一是在设计过程中我们遇到了许多问题,像有些元件在库中找不到,需要自行建立封装库;
封装过程中许多元件无法在PCB中生成元件封装,需要对相应元件进行追加封装;
在布局时出现线多且杂乱,有可能在自动布线时会出现无法布线的情况,需要认真调整元件位置,使布线尽量少且清晰。
二是对功放知道的甚少,基本上无法下手,然后花了大量的时间查阅资料,查阅资料花了大量的时间,很难在短时间内获得第一手资料。
最后对作品的制作也存在很大问题,如对元器件的许多特性不了解,电路会受到那些干扰,怎样避免许多的错误。
总之这次课程设计也反映出自己还远远不能胜任许多公司的岗位;
只能通过在以后社会实践中慢慢积累知识经验。
在这四年的大学里很感谢老师们对我的谆谆教导,是你们教会了我勤奋学习,诚实做人,踏实做事。
指导着我们沿着正确方向前进,在点滴汇聚中使我逐渐形成正确的价值观、人生观;
以致能够更好的融入社会,影响社会工作环境。
这次课程设计让我认识到自己的不足,还要继续努力拓展知识,而且要把理论与实践结合起来,以获得最大的收益。
总之,即使自己马上就要踏上工作岗位了,我们也要记得从点滴做起,在学习中慢慢积累经验,一步一步的走向成功。
参考文献
[1].李与核.《proteldxp2004sp2实用教程》.清华大学出版社,2012.1
[2].王冬.《proteldxp2004应用100例》.电子工业出版社,2011.1
[3].薛楠.《proteldxp2004原理图与PCB设计实用教程》.机械工业出版社,2012.3
[4].李万臣,模拟电子技术基础实验与课程设计,哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,2001
[5].康华光.模拟电子技术基础.武汉:
高等教育出版社,2006.1.
[6].孙余凯:
《巧学巧用模拟集成电路实用技术》,北京电子工业出版社,2009。
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