有源音箱系统的设计与实现.docx
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有源音箱系统的设计与实现
有源音箱
摘要
有源音箱主要由功放组件和电源变压器组成。
功放组件主要是前置放大器和功率放大器组成，前置放大器主要负责信号的电压放大、音量控制、多路音源的切换、音调调整以及阻抗匹配等功能，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出，电源变压器则为功放组件提供电能。
通过对集成前置放大器，集成功率放大器的设计和集成稳压电源的设计完成有源音箱的设计。
目录
第一章前言1
第二章有源音箱的设计认识和意义2
2.1本设计的意义2
2.2有源音箱的认识2
第三章有源音箱的系统介绍3
3.1有源音箱的组成3
3.2有源音箱的工作原理3
3.3整体方案设计4
3.4音频功放电路的工作原理4
3.5实验制作5
3.5.1准备工作5
3.5.2PCB焊接与安装7
3.5.3特别提示8
第四章有源音箱的组成及特点10
4.1有源音箱的组成10
4.2有源音箱的组成及特点10
第五章功放电路的仿真及测试12
5.1功放电路的仿真12
5.2功放电路的测试13
第六章PCB板的设计14
6.1设计软件的介绍14
6.2有源音箱的工作原理14
6.2.1产生网络表14
6.2.2制作物理边框14
6.2.3元件布局16
6.2.4布线14
6.2.5调整完善14
6.2.6检查核实15
6.3PCB板图设计中应注意的要点15
第七章电路故障及解决方法16
7.1无工作电压16
7.2自激16
7.3仰制自激的方法16
结束语17
参考文献19
致谢20
第一章前言
有源迷你音箱是一种集功放、电池、小巧、方便携带等优点为一体的小型音响系统。
在制作中不仅需要音响能准确的把音源信号放大出来，同时也要保证所放大出来的音乐质量。
该音箱电源系统采用了干电池与USB双供电方式，突显了迷你音箱的携带方便特性。
有源音箱通常是指带有功率放大器的音箱，如多媒体电脑音箱、有源超低音箱，以及一些新型的家庭影院有源音箱等。
有源音箱由于内置了功放电路，使用者不必考虑与放大器匹配的问题，同时也便于用较低电平的音频信号直接驱动。
有源音箱是指在音箱内部装有自配功放的一类音箱。
这些功放是专门用于推动音箱内的喇叭，由于进行了专门的匹配设计，所以这些功放都能较好地用于推动音箱内的喇叭，
从而让使用者不需再去考虑功放的功率有多大以及阻抗是否匹配等问题。
另外，由于在音箱内还装有在放大器的前边便进行分频的电子分频器以及每台功放仅仅负责放大一段频率的声频信号，所以放大器的效率往往可以做得高些，失真也相对可以小些。
此外，还有一些专业用内置功放电路的录音监听音箱和采用内置电子分频电路和放大器的电子分频音箱也可归入有源音箱范畴。
无源音箱（PassiveSpeaker）又称为“被动式音箱”。
无源音箱即是我们通常采用的，内部不带功放电路的普通音箱。
无源音箱虽不带放大器，但常常带有分频网络和阻抗补偿电路等。
有源音箱通常标注了内置放大器的输出功率、输入阻抗和输入信号电平等参数。
有源超低音箱则还标注了输入信号的频率特性（如全频带信号还是低频信号）、低通滤波器特
性等参数。
无源音箱一般标注阻抗、功率、频率范围等参数。
所谓有源音箱就是指将功放做在音箱内部，可直接与音源连接并正常工作的音箱。
一些有源音箱不仅将功放集成到音箱内，还将解码器也集成到音箱内部，可以直接接受数字信号，这就是数字有源音箱。
虽然从字面上看，有源音箱可以认为是必须插电源的音箱，但严格地说这个“源”应理解为功放，而不是指电源，因为有不少需要插电源却仍需外部功放推动的音箱，这些音箱显然不属于有源音箱。
第二章有源音箱的设计认识和意义
2.1本设计的意义
有源音箱实际上就是功放机与音箱的结合体。
咱们过去在市场上见到的家庭影院组合，是把功放机与音箱分开的，而有源音箱就是把功放机放在了音箱里。
在多媒体应用丰富的今天，一套多媒体音箱基本上是每一套系统中的标准配置。
而大多数用户往往会忽视这方面的选择，为什么会存在这种现象呢？
消费者一般存在两个极端的心态:
1,本身对音频系统表现就没有过高要求,只要能发声就行了,装机商人送的音箱就能满足他们；2,本身对音频质量有着一定水准的要求,对电脑这方面能力不报什么希望,所以也就迁就了。
其实这些消费者对于有源多媒体音箱还是存在某些误解的,随着国内多媒体音箱产业在不断竞争中发展，也涌现出不少好产品,其实只要你明白自己需要什么,还是能有产品能满足你的需求的。
2.2有源音箱的认识
有源音箱又称为“主动式音箱”。
通常是指带有功率放大器的音箱，如多媒体电脑音箱、有源超低音箱，以及一些新型的家庭影院有源音箱等。
有源音箱由于内置了功放电路，使用者不必考虑与放大器匹配的问题，同时也便于用较低电平的音频信号直接驱动。
有源音箱是指在音箱内部装有自配功放的一类音箱。
这些功放是专门用于推动音箱内的喇叭，由于进行了专门的匹配设计，所以这些功放都能较好地用于推动音箱内的喇叭，从而让使用者不需再去考虑功放的功率有多大以及阻抗是否匹配等问题。
另外，由于在音箱内还装有在放大器的前边便进行分频的电子分频器以及每台功放仅仅负责放大一段频率的声频信号，所以放大器的效率往往可以做得高些，失真也相对可以小些。
此外，还有一些专业用内置功放电路的录音监听音箱和采用内置电子分频电路和放大器的电子分频音箱也可归入有源音箱范畴。
所谓有源音箱就是指将功放做在音箱内部，可直接与音源连接并正常工作的音箱。
一些有源音箱不仅将功放集成到音箱内，还将解码器也集成到音箱内部，可以直接接受数字信号，这就是数字有源音箱。
虽然从字面上看，有源音箱可以认为是必须插电源的音箱，但严格地说这个“源”应理解为功放，而不是指电源，因为有不少需要插电源却仍需外部功放推动的音箱，这些音箱显然不属于有源音箱。
第三章有源音箱的系统介绍
3.1有源音箱的组成
有源音箱主要由功放组件和电源变压器组成。
功放组件主要是前置放大器和功率放大器组成，其功能是用来对音乐信号进行放大并实现各种操控功能，而电源变压器则为功放组件提供电能。
3.2有源音箱的工作原理
从信号源得到信号经运放推动再送到后级放大推动扬声器。
图3-2有源音箱电路原理图
图3-3元器件方位图
3.3整体方案设计
音响主要是由音源、功放、音箱而构成，如图1所示。
音源提供低电压的音频信号，通常使用MP3、手机等，功放则作为音响系统的动力，起着音源和音箱之间的桥梁作用，而音箱的作用是将电信号通过机械运动转化成声能得作用。
主体电路完成音源播放出各种声音信号的放大作用，即当人们选择好音乐之后，连接好音响，便可放出优质的美妙音乐。
图3-4系统框架图
3.4音频功放电路的工作原理
音频功放也叫功率放大器，简称“功放”。
很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。
当负载一定时，希望其输出的功率尽可能大，其输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高，功放的常见的有用集成运算放大器和晶体管组成的功放，也有专用集成电路功放。
本次制作所用的D2822芯片采用的就是集成电路功放，图2是D2822原理电路，左边缺口下方为1脚，此处的标示方法为大多数集成芯片的管脚标注方法。
D2822集成芯片，工作电压宽1.8-12V皆可以正常工作，其工作电压最高可以达到15V。
输出功率有1W*2不是很大但以可以满足我们一般的听觉要求，且有电路简单、音质好、电压范围宽等特点，采用双列直插8脚塑料封装（DIP8），表1为D2822管脚功能及测试数据。
表1D2822管脚功能及测试数据
3.5实验制作
3.5.1准备工作
在拿到套件后，首先检查一下元器件是否与下面的元器件清单相符，例如清单给出的电阻阻值与色标是否相同，电容、电解是否相符，还有各种元器件的数目是否相等。
这些都是最基本的检查工作。
检查完这后再用万用表检测各元器件的性能参数与技术与标准对照看是否完好。
表2元器件清单
序号
名称
规格
用量
位号
1
单面板
1片
2
集成电路、管座
D2822、八脚座
各1个
IC1
3
发光二极管
3MM绿色
1支
LD1
4
电位器
B50K（双声道）
2只
VR1
5
DC插座
1只
DC
6
开关
SK22D03VG2
1只
K1
7
电阻
4.7R4.7K
各2支
R3.R4.R1.R2
8
电阻
1K
3支
R5.R6.R7
9
瓷介电容
104P
4支
C2.C4.C7.C9
10
超小电解
100U220U
各2支
C5.C6.C8.C10
11
超小电解
470UE/16V
1支
C11
12
立体声插头
1根
13
喇叭
4欧5W
2只
（1）清点好元件，可以用一张白纸贴上一条双面胶，然后将辨别好的元件，按种类和大小粘在双面胶上，用笔备注好大小和对应的符号如：
R1R2C1C2，为了方便焊接时使用。
图3-5元器件
（2）看清线路板上的各个元件的位置：
图3-6线路板上的各个元件的位置
RX表示电阻，CX表示电容（线路板上椭圆形状放置瓷片电容，不区分正负极，圆形形状的放置电解电容，阴影部分代表负极，也就是对应电容上短的那只脚），BAT+代表接电源正极用红导线，BAT-代表电源负极用黑导线，L+L-R-R+分别表示左右喇叭接线，用蓝色导线，IC1表示D2882集成电路（安放是注意集成电路的缺口对应线路板上的缺口），VRI代表电位器用来调节音量的，K1是开关，J1是跳线（用之前剪下的元器件管脚连上即可）
图3-7元器件对应的焊点图
3.5.2PCB焊接与安装
焊接是一项最重要的工序,为确保电路的导电性能良好正常工作，所以在焊接时注意以下几点：
⑴焊接时尽可以能掌握好焊接时间，能快则快烙铁头应修整窄一些这样焊接时不会碰到相邻的焊接点，焊接的时间一般不能超过3秒，尤其是集成芯片。
⑵元器件的装插焊接应遵循先小后大，先轻后重，先低后高，先里后外的原则，这样有利于装配顺利进行。
⑶在瓷介电容、电解电容及三极管等元件立式安装时，引线不能太长，否则降低元器件的稳定性；但也不能过短，以免焊接时因过热损坏元器件。
一般要求距离电路板面2mm，并且要注意电解电容的正负极性，以免插错。
⑷集成芯片D2822在焊接时一定要看清缺口方向，和电路板上缺口方向要一致，要弄清引线脚的排列顺序，并与线路板上的焊盘引脚对准，核对无误后，先对角焊接1、8脚用于固定集成块，然后再重复检查，确认后再焊接其余脚位。
焊接完后要检查有无虚焊，漏焊等现象，确保焊接质量。
⑸焊接完毕后，在接通电源前，先用万用表仔细检查各管脚间是否有短路，虚焊、漏焊现象。
3.5.3特别提示
1.线路板有正反面，分清楚后，注意是在有焊接点（黄铜色的点）那一面进行焊接。
2.烙铁高温跟元器件接触的时间越长，元器件的损伤机会就越大，一般左手拿焊锡丝，右手烙铁，将焊接点、元器件管脚和焊锡丝顶端靠在一起，烙铁用最短的时间与他们接触，焊锡丝融化一点点后，就将焊接点、元器件管脚连接在一起，形成一个小小的焊点。
（注意焊点不能过于大，本来不导通的两个焊点在焊接时，注意不能使得焊锡丝融化后粘连在一起形成通路，否则整个电路就坏了，制作也就不会成功）。
3.开始布置元件，准备焊接
I第一步先装电阻,对着（R5.R6.R7///R3,R4///R1R2）位置装,瓷片电容同时装上,对着（C2C4C7C9）位置装。
把装上的元器件脚弄弯固定住，然后翻过来进行焊接，先焊接上然后把多余的管脚剪掉。
图3-8步骤图
II第二步：
a.把D2822集成块管座（缺口对板子上的缺口标志）插入电路板上，用电烙铁进行焊接，所有焊接结束后插上D2822，注意集成电路缺口与管座一致。
b.指示灯（绿色发光二极管）也装上，管脚长的一边为正极，与线路中电容正极相通，注意管脚的长度。
此处也可利用万用表去判别，亦可使用3V纽扣电池判别二极管管脚的正负。
将二极管插入电路，不要焊接，先把放入音箱底座里，看一下二极管管具体应该留多长，必须调试好长度和位置。
（这个一定要注意，焊接好后如果长度不合适，再调节会很困难）。
c.电容长脚为正极，短脚为负极，如果脚位认不出就认电容身上有灰白边的那一侧的管脚为负极,对着板子上阴影部分装。
d.J1（JUMP）跳线，用之前剪下的元器件管脚连上即可，焊接上剪管脚。
e.然后是安装开关,电源插座.
f.音频输入:
GND接地线（未加屏蔽的铜丝线（原铜色）;LIN左声道输入;RIN右声道输入/这两根线随意对着位置接.）先给三根彩色音频导线上好松香（用电烙铁将三根彩色音频线需要焊接的部位按在松香使其表面上锡），然后可以选择直接在电路板后面焊接（注意线的走向，把握好将导线外面的黑色外圈剥去掉多少），也可以从正面焊接（注意留足三根导线的长度，三根导线上会被用来调节音量的电位器所覆盖）。
先调试好长度，走向后，再焊接。
g.焊接电位器，即用来调节音量的黑色圆盘齿轮。
h.音频输出接线:
音频输出,L+L-/左声道喇叭R-R+/右声道喇叭先把焊好的板子固定好后再焊接喇叭，用蓝色的线焊接。
电池线（BAT+为接电池正极,BAT-为接电池负极）是用红色和黑色的导线焊接。
第四章有源音箱的组成及特点
4.1有源音箱的组成
有源音箱的构成可分为有源和无源部分。
有源部分主要由功放组件和电源变压器组成。
功放组件用来对音乐信号进行放大并实现各种操控功能，而电源变压器则为功放组件提供电能。
扬声器是整个音响系统的最终发声器件，目前绝大多数有源音箱使用的是动圈式设计，结构简单，成本低廉且性能良好，但对高音和低音对于扬声器的不同要求难以兼顾，所以必须使用分别针对高音和低音的两种单元，既提供良好的音质，又保证频带的完整。
低音单元的重放频率一般在20～6000Hz之间，口径大多数在3～8英寸之间。
高音单元一般体积较小，重放频率为1500～25000Hz，振膜直径在12～25毫米之间。
分频器的作用是根据频率将信号分别分配给高音单元和低音单元，高水平的设计师还能利用分频器对声音的音色进行调整。
分频器的另一个作用是防止大功率的低频信号损坏高音单元。
一般中低档有源音箱仅用最简单的单电容分频，成本低但效果差，而高档音箱则配备经过精心设计和调整并由多元件构成的真正的分频器。
箱体的作用主要是防止发生“声短路”现象。
“声短路”现象是指扬声器正面和背面所发出的声波因相位相仿而抵消，主要发生在低频段。
扬声器如果不装在音箱上是没有低音的，箱体的作用就是将扬声器两面的声波隔离，避免“声短路”现象。
扬声器、分频器和箱体的组合是有源音箱的重中之重，是有源音箱音质的决定性因素，对于多媒体有源音箱来说，该组合更决定了音箱音质的70%以上。
4.2有源音箱的组成及特点
独立的外置功放的机壳应该具备足够的机械强度并有良好的屏蔽性，一些制造精良的机壳的成本往往达到总成本的15～20%。
有源音箱的功放设置在音箱内部，比功放要少一套机壳，成本得以大幅降低。
在功放电路方面，外置功放一般采用分立元件，音质较好但成本较高，且安装调试复杂，生产难度较大。
而有源音箱一般采用功率集成电路，价格低，设计简单，一般无须调试，而且保护功能齐全，容易大批量生产。
这使有源音箱的成本进一步降低。
在线材方面，优质音响线材的价格是相当昂贵的。
有源音箱只需一根喇叭线，而普通音箱至少需要一对，这又使有源音箱的成本降低不少。
有源音箱大幅简化了音响系统的环节，因此连接简单，只需一个随身听和一对有源音箱即可构成最简单的音响系统，连线只有两根。
音响器材的搭配是非常重要的，尤其是功放和音箱的搭配。
生产音响器材的厂家众多，风格各异，若搭配得当，各器材间的风格能够互补，从而发出令人满意的声音。
若搭配不当，则不是硬得刺耳就是软如稀泥。
要熟知众多厂家器材的特点，对于一般消费者是非常困难的。
有源音箱的功放和音箱由同一厂家生产，有时甚至是同一人设计，出厂前就可将搭配的问题解决，替用户省去了烦恼。
第五章功放电路的仿真及测试
5.1功放电路的仿真
由题目要求可知，该有源音箱的频率响应为40hz—18Khz,电路仿真我是用的是Multisim11。
首先输入下限，一个频率为40hz,峰峰值为100mv的正弦波，观察其是否是真及计算它的增益。
图5-1波形增益前
由上图可知，波形完好，没有失真，且增益约为92，符合合格功放的标准。
接下来输入它的上限，频率为18Khz，峰峰值仍为100mv的正弦波，所做工作如上，附图见下：
图5-2波形增益后
由上图可知，波形完好，没有失真，且增益约为88。
最后取一个中间值，频率为5Khz，峰峰值为100mv的正弦波，所做工作如上，附图如下：
图5-3有源音箱的放大标准图
由上图可知波形完好，没失真，且增益约为81，完全符合有源音箱的放大标准。
5.2功放电路的测试
实际测量结果如下图所示
蓝色波形代表信号发生器输入波形，黄色代表经过功放放大过后的波形，可以看出有明显的增益效果，如果调节音量控制旋钮，就会看到更明显的增益。
第六章PCB板的设计
6.1设计软件的介绍
Protel是电路设计软件，可以实现原理图设计、元件库设计、PCB板设计、以及相关的工业文件。
ProtelDXP2009具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：
ProtelDXP2009采用数据库的管理方式。
ProtelDXP2009软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与ProtelDXP2004大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。
新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。
6.2设计步骤
6.2.1产生网络表
在原理图编译通过后，就可以产生相应的网络表了，这是原理图到PCB重要的一个环节，如果原理图存在错误，网络表是无法生成导入PCB中的。
6.2.2制作物理边框
封闭的物理边框对以后的元件布局、走线来说是个基本平台，也对自动布局起着约束作用，否则，从原理图过来的元件会不知所措的。
但这里一定要注意精确，否则以后出现安装问题麻烦可就大了。
本设计制作的物理边框为99mmХ95mm.
6.2.3元件的布局
元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响，是应该特别注意的地方。
一般来说应该有以下一些原则：
（1）放置顺序:
先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的ＬＯＣＫ功能将其锁定，使之以后不会被误移动。
再放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC等。
最后放置小器件
（2）注意散热:
元件布局还要特别注意散热问题。
对于大功率电路，应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置，便于热量散发，不要集中在一个地方，也不要高电容太近以免使电解液过早老化。
6.2.4布线
走线的学问是非常高深的，每人都会有自己的体会，原则上是以最短的距离和最少的板层来走线，禁止走线交叉，少用过孔甚至盲孔或埋孔。
6.2.5调整完善
完成布线后，要做的就是对文字、个别元件、走线做些调整以及敷铜（这项工作不宜太早，否则会影响速度，又给布线带来麻烦），同样是为了便于进行生产、调试、维修。
敷铜通常指以大面积的铜箔去填充布线后留下的空白区，可以铺ＧＮＤ的铜箔，也可以铺ＶＣＣ的铜箔（但这样一旦短路容易烧毁器件，最好接地，除非不得已用来加大电源的导通面积，以承受较大的电流才接ＶＣＣ）。
包地则通常指用两根地线（ＴＲＡＣ）包住一撮有特殊要求的信号线，防止它被别人干扰或干扰别人。
6.2.6检查核对
网络有时候会因为误操作或疏忽造成所画的板子的网络关系与原理图不同，这时检察核对是很有必要的。
所以画完以后切不可急于交工，应该先做核对，后再进行后续工作。
6.3PCB板图设计中应注意的要点
在PCB设计中，PCB板图的设计应注意下列几点：
布线方向：
从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
电阻，二极管的放置方式：
分为平放与竖放两种。
电位器：
IC座的放置原则。
进出接线端布置
（1）相关联的两引线端不要距离太大。
（2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。
在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。
设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。
布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符。
设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。
第七章电路故障及解决方法
7.1无工作电压
检查交流输入是或正常，若有交流输入，则检查整流部分元件（桥堆）是或损坏，或者保险丝已熔断。
如果保险丝已熔断或整流桥已击穿，有可能后级电路有元件已损坏，应检测保护二极管D1、D2及稳压二极管D5、D6是否击穿，功放集成块LM1875和运放NE5532是否损坏。
在故障发生前注意观察是或有元件冒烟，烧焦的现象，或用手触摸是或有元件（低压工作区）发热过热。
如果还不能排除故障，可以采取采用更换替代的方法。
7.2自激
放大器产生自激振荡的现象有许多种。
如果自激振荡的频率在音频范围内，我们便可以在扬声器中听到振荡叫声，这种现象可能通过导线之间的信号耦合或电源内阻有害耦合引起的。
如果振荡频率不再音频范围内，此时好像“无声”，如果发现散热器发热量过大（即使输出功率非常小或静态的情况下）。
怀疑有自激现象，可以用万用表交流档测量功放块输出电压，用示波器可以观察到波形。
如果所测电压异常偏高，或观察到异常的高频波，可以断定是高频自激。
7.3抑制自激的方法
（1）输入信号线不要靠近输出线和电源线，信号输入线用屏蔽线。
（2）减短电源输出到功放的供电引线长度，如果引线过长应加退耦电容。
（3）前后级最好采用独立电源供电。
（4）绘制电路板布线时，要注意一些布线规则，电源线要粗而短，尤其是地线的走势，信号地与电源地的处理。
结束语
有源音箱的成本低，价格极易被接受，独立的外置功放的机壳应该具备足够的机械强度并有良好的屏蔽性，有源音箱的功放设置在音箱内部，比功放要少一套机壳，成本得以大幅降低。
而且有源音箱连接简单，使用方便。
有源音箱大幅简化了音响系统的环节，因此连接简单，只需一个随身听和一对有源音箱即可构成最简单的音响系统，连线只有两根。
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