885191290电子琴功放电路设计（含PCB图）.doc

目 录摘 要1英文摘要2引 言31 电路功能实现要求32 方案设计32. 1 整体框图32. 2 61键电子琴介绍43 硬件电路设计43. 1 数字音乐信号处理43. 2 音频DA转换电路设计63. 2.1 单元电路DA转换63. 2.2 单元电路音频运放83. 3 功率放大电路93. 3.1 D类音频功率放大器工作原理93. 3.2 单元电路设计103. 3.3 D类音频功放电路图144 电子琴功放总电路图165 总结与谢辞176 参考文献18附件1 DA转换 PCB图19电子琴功放电路设计信息工程学院应用电子专业摘要: 电子琴主要原理是应用数字频率合成技术，形成键控数字信号发出乐音，用蜂鸣器制作的电子琴声音效果不好，本文通过电子琴音频功率放大器电路设计,以PCM1754芯片,D类音频功率放大器为基础的设计方案。本文主要以模拟电路为主，由数字信号放大电路，DA转换电路，音频功率放大电路等组成。DA转换电路主要是通过PCM1754对电子琴输出的信号进行数模转换；音频功率放大电路是对转换好的模拟信号进行功率放大，通过扬声器发出优美的声音。关键词: 电子琴 PCM1754 DA转换 D音频功放Flower power amplifier circuit design(Information Engineering College of Applied Electronic Technology )Abstract: The main organ is the application of the principle of digital frequency synthesis technology to create music keying digital signal sent by buzzer sound effects produced by electric piano well, this paper flower audio power amplifier circuit design, in order to PCM1754 chip, D audio power amplifier based on design. In this paper, mainly to analog circuits, digital signal amplification circuit, DA conversion circuit, audio power amplifier circuit and so on. DA conversion circuit of the main organ through the PCM1754 output signal digital-analog conversion; audio power amplifier circuit is a good analog signal conversion for power amplifier, through the voice of the beautiful loudspeakers.Keyword: Flower PCM1754 DA conversion Audio Amplifier引言近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。自从八十年代电子琴进入我国以来，电子琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱者、专业音乐工作者，音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。不过，对于一些用蜂鸣图器制作的简易电子琴来讲，声音效果就不怎么理想了。可能会有噪声严重，音质差等问题。因此，我们需要通过电路设计来改变电子琴的音响效果。1 电路功能实现要求1.1 数字音乐信号处理。1.2 单频率数字音乐信号转换成单频率模拟音乐信号。1.3 对模拟音乐信号进行功率放大，音亮大小要求从0调至50W，声音没有失真具有良好的音质。2 方案设计从61键电子琴M1000获取数字音乐信号,通过对数字音乐信号进行小信号放大,然后通过音频DA转换器PCM1754将数字音频信号转换成左右双声道模拟信号输出，然后进行音频信号放大,最后通过50W音频功率放大器实现声音的播放。2.1 整体框图HPL-OUTHPR-OUTOUTROUTLSCLKBCLKWSADBDLCD 显示IO PORTM1000键盘扫描口键盘DA转换电路AMPLIFTERHPAMPLIFTER 2.2 61键电子琴介绍2-1：61键电子琴61标准钢琴键 图2-1为电子琴样式20种音色20种节奏8种打击乐亲声升调降调功能(±6级)和弦自动低音和弦单指多指和弦及同步功能颤音延音插进低音效果LED数码显示相应数字节奏编程录音放音电脑内存8首示范歌曲16级音量控制32级节拍控制大规模集成电路外接话筒AC电源双喇叭立体声输出规格：935 X355 X125mm重量：5.0kgs琴键：61键音域：C2一C7输出功率：4W额定电压：9V一12V可录音，自动打击乐电源1号电池6只（1.5V）或外接插座3 硬件电路设计3.1 数字音乐信号处理数字音乐信号的处理有M1000芯片来完成。M1000是美得理微电子为了迎合市场对低价位音源产品需要，定义的一款内含16位MCU和音色合成处理器(DMSP)的通用数码MIDI音源芯片。能同时产生32个复音数。内建GM标准128个音色，47个打击乐音色。具有功能全、成本低、音质好等特点。可解决各类通用数码MIDI音源类应用（如电子乐器、MIDI伴奏）    M1000内建3KWords的SRAM和8MBits的MASK ROM。能够响应标准的MIDI IN。具有良好的音质。内部8MBits MASK ROM可根据用户产品需求重新定制进行MASK。    M1000音色优美而价格实在，极具性价比，远超出目前一般中低端解决方案的音质效果。图3-1为M1000管脚分布图。 3-1：M1000管脚分布3.2 音频DA转换电路设计 3-1：DA转换电路M1000芯片出来的音乐数字信号，从2号管脚DATA进入PCM1754，经过芯片内部处理，将数字音频信号转换为左右双声道模拟信号从7号管脚VOUTL和8号管脚VOUTR输出。转换为模拟信号后通过NJM4580运放进行信号放大，从1号管脚AOUT和2号管脚BOUT输出，进入下一单元电路的音频功率放大器便可发出声音。3.2.1 单元电路DA转换音频DA转换器PCM1754的主要功能是将数字音频信号转换成左右双声道模拟信号输出，然后进行音频信号放大。PCM1754是CMOS立体声集成电路。它采用TI公司的增强型多级-结构和噪声整形技术，执着1624位的工业标准音频数据以及三线串行控制端口操作，最高采样率可达100kHz。PCM是用于将一个模拟信号（如话音）嫁接到一个64kbps的数字位流上，以便于传输。PCM将连续的模拟信号变换成离散的数字信号，在数字音响中普遍采用的是脉冲编码研制方式，即所谓的PCM（PULSE CODE MODULATION）。PCM编码是Pulse Code Modulation的缩写，又叫脉冲编码调制，它是数字通信的编码方式之一，其编码主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。PCM编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。PCM方式是由取样，量化和编码三个基本环节完成的。音频信号经低通滤波器带限滤波后，由取样，量化，编码三个环节完成PCM调制，实现A/D变化，形成的PCM数字信号再经纠错编码和调制后，录制在记录媒介上。数字音响的记录媒介有激光唱片和盒式磁带等。放音时，从记录媒介上取出的数字信号经解调，纠错等处理后，恢复为PCM数字信号，由D/A变换器和低通滤波器还原成模拟音频信号。高分辨率音频DAC 大都采用多级幅度量化高阶 - 调制器结构。这样，在实际应用中可以提高音频动态范围，减小对时钟抖动的敏感度，降低由此引发的失真；内置过采样的数字滤波器具有2种可供选择的滚降特性： 慢滚降和陡滚降。对于PCM1748， 其内部是采用8 级幅度量化和4 级噪声整形技术。8 级调制器结构具有更高的稳定性和抗抖动能力。过采样调制器和内插滤波器的采样率是64 fs。图3-2是PCM1754的内部结构图。图3-3是PCM1754管脚分布图。VCCAGNDVOUTLVCOMVOUTRZEROLZERORVDDDGADSCKBCKLRCKDATA音频串行接口控制串行接口系 统 时 钟8倍过采样数据滤波器和功能控制增强型多级S-？调制器零 检 测 电 源 管 理输出运放低通滤波输出运放低通滤波DACDAC系统时钟MLMCMD 图3-2： PCM1754结构图图3-3：是PCM1754管脚分布BCK： 音频数据位时钟；DATA： 音频数据输入；LRCK： 左右声道音频数据的锁存；以上3 个引脚都是数字逻辑， 耐压能力5V。ML： 模式控制锁存输入；MC： 模式控制数据输入；SCK： 系统时钟输入；ZEROL、ZEROR： 左右声道零标志位；VDD、DGND： 数字电源；VCC、AGND： 模拟电源；VOUTL、VOUTR： 左右声道模拟输出；VCOM： 公共端。3.2.2 单元电路音频运放NJM4580 新一代的低成本高性能低噪声音频运放，大量被专业音响设备大公司采用。NJM4580是双路运算放大器，专门设计用于提升音频控制，最适用于音响应用。该产品具有无噪声、更高的增益带宽、高输出电流和低失真度，不仅非常适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器，还适用于工业测量工具。它也适用于更高输出电流的耳机放大器等，它可应用于通用方便型运算放大器，以及应用于适当偏置低电压源的低电压单电源型。 NJM4580M特征:工作电压 (±2V到±18V) 低输入噪声电压 (一般为0.8Vrms) 宽增益带宽积 (一般为15MHz) 低失真度 (一般为0.0005%) 转换速率 (一般为5V/s)3.3 功率放大电路我们知道传统模拟放大器（音频）有甲类（A类）、乙类（B类）和甲乙类（AB类）等。A类放大器通常需要偏置电压才能工作，放大输出的电压幅度不能超出偏置范围，所以能量转换效率很低，理论效率最高不超过50%；B类虽不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效率高达78.5%，但实际上这种放大电路小信号时失真严重；而AB类功放即在B类电路的基础上略加一点偏置，这样一来，效率也随之下降。D类音频功率放大器与模拟功放不同，它的输出器件不作为线性元件，而是作为开关，在D类放大器中，晶体管等输出器件利用其高速开关特性和低的饱和压降的特点，其功耗小、效率很高，通常可达90%以上，又此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比甲乙类放大器高4倍功率的输出，所以D类是高效、节能、数字化音频功率放大器。3.3.1 D类音频功率放大器工作原理D类音频功率放大器通常由PWM调制器、PCM-PWM转换器、脉冲推动器/功率放大器、低通滤波器这几部分组成。框图如下： 振荡器PWM调制器 开关电路 滤波器 PCM信号 输入信号 PCM-PWM转换器 扬声器原理：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经PWM调制电路后变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号（即音频PWM编码），然后经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，最后经功率低通滤波器带动扬声器。当输入音频信号为PCM数字信号时，该数字信号经PCM-PWM转换器成为PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，然后经功率低通滤波器带动扬声器。D类功放的特点:放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为100%，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。所以选择该类功放进行设计。3.3.2 单元电路设计高频率PWM脉冲信号的产生：它可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模数转换直接产生PWM数字音频：二是对其他编码的数字音频。PWM调制器在电路中的作用是把加在它的输入端的模拟信号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。它由三角波产生器、电压比较器和驱动功率场效应管的栅极驱动电路组成。如图所示（中间部分为电压比较器），栅极驱动电路利用电压比较器输出的脉冲宽度调制信号形成功率输出电路中各场效应晶体管的栅极驱动信号，加在功率输出电路中。3-4：波形比较功率输出电路通常由两只功率MOSFET管组成，并采用双电源供电，具体详图见后面总的工作原理图，其中脉冲宽度调制器所输出的两路脉冲信号决定这两只功率MOSFET管的状态，一路加在VT1的栅极，另一路加在VT2的栅极，由于两路脉冲信号的极性是相反的，当VT1导通时，VT2截止，电流经低通滤波器进入负载（扬声器），从接地端流出来；当VT1截止，VT2导通，进入负载的电流相反。为了提高输出功率和除去单电源供电时输出信号的直流成分，D类放大器可以以BTL方式连接，使扬声器两端的直流电压为0V。（图中大方框为栅极驱动电路，小方框为负载）由于两路脉冲信号的 极性使相反的，当VT1VT2导通时，VT2VT4截止，电流经过低通滤波器进入负载。 3-5：栅极驱动电路脉冲宽度调制器和功率输出电路的增益定义为输出电压的平均值与输入模拟电压之间的比值，它等于：Cpwm=2Vdd/Vpp.式中，Vdd是功率输出的供电电压，Vpp是三角波产生器输出的三角波的峰峰值。功率输出电路送到负载的信号是一串脉冲，脉冲的占空比和加在脉冲宽度调制器输入端的模拟信号幅度成正比，但脉冲包含的基频和谐波是有害的，必须通过低通滤波器把基频和谐波信号滤除，仅留调制音频信号的部分，用以驱动扬声器。低通滤波器的截止频率决定功放频率响应的高频上限。此高频上限随着输出负载不同而改变，可选3040kHz.但是输出低通滤波器由于其电感中流过的电流很大，电感线圈的电阻和电容器的等效电阻会消耗功率，因此而降低D类功率放大器的效率，必须使用等效串联电阻小的电容器，通常该电路采用功率损耗较小的二阶低通LC滤波器，具体电路图如下：二阶低通LC滤波器就是用电感器L1和电容器C23,C24(一个声道)组成的巴特沃斯滤波器。（Vcc处为低通LC滤波器，输出是扬声器A和B）3-6：低通滤波电路 为了稳定D类音频功率放大器的增益并优化频率特性，D类音频功率放大器通常设计有反馈放大器如图。反馈放大器是一个差动放大器，它把脉冲宽度调制器的 两路相位相反的脉冲宽度调制信号V+和V-转换成单端电压信号VF。（图中左端为脉冲输入，下面分别为音频信号输入和调制信号，在右端输出的 同时，一反馈信号输入经过Rfb。.3-7：反馈电路3.3.3 D类音频功放电路图成型后50W集成D类音频功率放大器原理电路图如下:3-8：50W音频功放电路以上集成D类音频功率放大器中的ZXCD1000配合外部的4只超高速MOSFET功率管，在35V单电源电压时，可以向4的负载提供每声道150W以上的输出功率，其效率高达90以上，且噪声小于115Db,总谐波失真度低于0.05。具体电路的参数如下：参 数条 件最小值典 型 值最 大 值单位电源电压121618v工作电流Vcc=12v45mAVcc=18v50mA开关频率Cosc=330pF150200250kHz频率允许误差Cosc=330pF±2.5%输入电阻1.35k1.8k2.3k偏置电压2.953.13.26v4 电子琴功放总电路图 4-1:电子琴功放总电路5 总结与谢辞通过本次毕业设计,我发现自己学的专业知识还有所欠缺，所以在做毕业设计过成中遇到了很多困难。不过在余老师的帮助下，自己还是学到了很多知识。本次毕业设计中，用到了数字放大电路，DA转换电路，音频功率放大电路等知识，让我收益良多。让我进一步了列解了有关电子琴的各个系统原理，更熟练的运用Protel 99 SE软件。单元电路的每一部分都经过比较认真的考虑，比较了很多类似的电路，也参考了很多书，做完之后觉得这样的方案组合还是可行的。通过这次设计使我进一步提高了硬件软件结合的产品设计与开发能力，当然在这方面还有很多地方需要努力。本次设计的圆满完成要特别感谢余红娟老师给了我的指导和帮助,感谢她提出的宝贵意见。在这里，我衷心感谢余红娟老师，并祝她身体健康，工作顺利！6 参考文献1 康华光.电子技术基拙M. 北京:高等教育出版社, 1998.2 阎石. 数字电子技术基础M. 北京:高等教育出版社, 1998.3 胡宴如.模拟电子技术M. 北京:高等教育出版社, 1998.4陈伟鑫.新型实用电路精选指南M. 电子工业出版社5 WWW.GOOGLE.COM 谷歌搜索平台按实际需要附上程序清单、图纸等附件1DA转换电路PCB图