基于protel_dxp2004的雙聲道音頻放大器的課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1前言1</b></p><p>　　2 Protel DXP 2004的簡介2</p><p>　　2.1 Protel DXP的簡介2</p><p>　　2.2 DXP的主要特點2</p>

2、<p>　　2.3 DXP的主要工作界面2</p><p>　　2.4原理圖設計基本操作4</p><p>　　2.4.1 項目文件和原理圖文件的創(chuàng)建4</p><p>　　2.4.2 工作環(huán)境設置4</p><p>　　2.4.3 放置元件5</p><p>　　2.4.4 原理圖連線5<

3、/p><p>　　3 設計方案的比較與選擇6</p><p>　　4雙聲道音頻功放電路的設計7</p><p>　　4.1 電路設計流程7</p><p>　　4.2 直流穩(wěn)壓電源的設計7</p><p>　　4.3 前置放大電路設計8</p><p>　　4.4 音量控制電路設計9&l

4、t;/p><p>　　4.5 功率放大電路設計9</p><p>　　5 PCB電路板制作11</p><p>　　5.1原理圖的繪制11</p><p>　　5.2 PCB圖的繪制11</p><p><b>　　6總結13</b></p><p><b>

5、;　　參考文獻14</b></p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　隨著科技的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高，人們對音質的要求越來越高。音頻功率放大器是音響系統(tǒng)中不可缺少的重要部分，其主要任務是將音頻信號放大到足以推動外接負載，如揚聲器、音響等。所以要滿足于廣大消費者享受優(yōu)美動聽的音質，必須研發(fā)更替功率放大器。</p>

6、<p>　　目前，音頻功率放大器仍以模擬功放為主流產(chǎn)品，模擬功放經(jīng)歷了數(shù)十年的不斷改進和完善，其技術已發(fā)展到了頂峰。音頻功率放大器是一個技術已經(jīng)相當成熟的領域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無論從線路技術還是元器件方面，乃至于思想認識上都取得了長足的進步?；仡櫼幌鹿β史糯笃鞯陌l(fā)展歷程。1906年美國人德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了人類電聲技術的先河。1927年貝爾實驗室發(fā)明了負反饋技術后，使音響技術的發(fā)展進入了一個

7、嶄新的時代，比較有代表性的如"威廉遜"放大器，較成功地運用了負反饋技術，使放大器的失真度大大降低，至50年代電子管放大器的發(fā)展達到了一個高潮時期，各種電子管放大器層出不窮。音響技術的發(fā)展歷史可以分為電子管、晶體管、集成電路、場效應管四個階段。 </p><p>　　音頻放大器的目的是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號，信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz～

8、 20kHz，因此放大器在此范圍內(nèi)必須有良好的頻率響應(驅動頻帶受限的揚聲器時要小一些，如低音喇叭或（高音喇叭)。根據(jù)應用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數(shù)瓦，再到“迷你”家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統(tǒng)的數(shù)百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。音頻放大器的一種簡單模擬實現(xiàn)方案是采用線性模式的晶體管，得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如

9、果反饋環(huán)包含正向增益，則整個環(huán)增益也很高。因為高環(huán)路增益能改善性能，即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真，而且通過提高電源抑制能力(PSR)來降低電源噪音，所以經(jīng)常采用反饋。</p><p>　　2 Protel DXP 2004的簡介</p><p>　　2.1 Protel DXP的簡介</p><p>　　隨著計算機技術的飛速發(fā)展，Protel以其卓越的功能和

10、旺盛的生命力緊跟操作系統(tǒng)和EDA技術的發(fā)展步伐。從第一個Protel for Windows版本到Protel98、 Protel99和Protel99SE，直到推出功能更強大的Protel DXP。他繼承了Protel系列產(chǎn)品的優(yōu)點。與Protel 99SE相比他在許多方面均有大幅度提高。Protel DXP項目級集成管理雙向同步，自帶錯誤檢查，文件比較，多功能輸出配置，比較器引擎保證了源文件和目標文件PCB文件之間的完全同步，消除了

11、原來版本同步困難的問題。Protel DXP不再是把所有文件放在一個數(shù)據(jù)庫文件*.DDB里而是分為原理圖設計系統(tǒng)*.SCHDOC和印制電路板設計系統(tǒng)*.PCBDOC。 </p><p>　　Protel DXP 2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的電路設計軟件該軟件能實現(xiàn)從概念設計，頂層設計直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗證和設計數(shù)據(jù)的管理。當前比較流行的Protel 98、Pro

12、tel 99 SE就是它的前期版本。 Protel DXP 2004已不是單純的PCB印制電路板、設計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具分別是SCH、原理圖設計、SCH原理圖仿真、PCB印制電路板設計、Auto Router自動布線器和FPGA設計等。覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。該軟件將項目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術、多通道設計、拓樸自動布線以及電路仿真等技術結合在一起為電路設計提供了強大的支持。與較早的版本——P

13、rotel99相比Protel DXP 2004不僅在外觀上顯得更加豪華、人性化而且極大地強化了電路設計的同步化，同時整合了VHDL和FPGA設計系統(tǒng)，其功能大大加強了。</p><p>　　2.2 DXP的主要特點</p><p>　　1通過設計工程的方式，將原理圖編輯，電路仿真，PCB板的設計和打印這些功能有機的結合起來，提供了一個集成開發(fā)的環(huán)境。</p><p&g

14、t;　　2 提供了豐富的原理圖組件庫和PCB封裝庫，并且為設計新的器件提供封裝向導程序，簡化了封裝設計過程。</p><p>　　2.3 DXP的主要工作界面</p><p>　　1啟動 Protel DXP </p><p>　　啟動后進入圖所示的 Protel DXP 設計管理器窗口。 Protel DXP 的設計管理器窗口類似于 Windows 的資源管理器

15、窗口。</p><p>　　圖2-1是Protel DXP2004的設計管理器窗口。</p><p><b>　　2主菜單和主工具欄</b></p><p>　　Protel DXP 的主菜單欄包括文件、視圖、項目、窗口和幫助等。圖2-2是Protel DXP2004的工作界面。</p><p>　　2.4原理圖設計基本

16、操作</p><p>　　2.4.1 項目文件和原理圖文件的創(chuàng)建</p><p>　　1首先在桌面建立工程文件夾如“雙聲道音頻放大器”，便于管理生成的子文件。</p><p>　　2執(zhí)行菜單命令“文件”/“創(chuàng)建”/“項目”/“PCB項目”，建立一個空項目文件。</p><p>　　3執(zhí)行菜單命令“文件”/“保存項目” ，在彈出的保存項目對話框

17、中輸入“雙聲道音頻放大器”文件名，并保存在“雙聲道音頻放大器”文件中。</p><p>　　4 執(zhí)行菜單命令“文件”/“創(chuàng)建”/“原理圖” ，新建電路原理圖文件。</p><p>　　5執(zhí)行菜單命令“文件”/“保存”,在彈出的保存文件對話框中輸入“雙聲道音頻放大器”文件名，并保存在 “雙聲道音頻放大器”文件夾中。</p><p>　　創(chuàng)建好的原理圖文件如下圖所示：&

18、lt;/p><p>　　2.4.2 工作環(huán)境設置</p><p>　　執(zhí)行菜單命令“設計”/“文檔選項”,打開 “文檔選項” 對話框，在該對話框中對圖紙參數(shù)進行設置。</p><p>　　設置圖紙大小單擊“Standard Style(標準圖紙格式)”區(qū)域的下拉按鈕，顯示如圖所示的下拉列表框。選擇“A4”選項，即可把圖紙設置為 A4大小。</p><

19、p>　　2.4.3 放置元件</p><p>　　在Library 面板中，單擊庫文件名列表框的下拉按鈕，選中 Miscellaneous </p><p>　　Devices.IntLib元件庫，然后在下方輸入元件名，在當前庫元件列表中選中要放置的元件 ，在工作區(qū)適當位置單擊鼠標左鍵可將元件放到當前位置。當元件全部放完后，單擊右鍵結束。</p><p>　　

20、根據(jù)任務的要求對每個元件的屬性進行修改，可以雙擊元件進入屬性界面 。如我們想要合適的封裝，具體過程如下；首先在屬性界面的處單擊Edit進入界面。然后在所給的封裝中找出自己需要的即可。</p><p>　　2.4.4 原理圖連線</p><p>　　1、按照任務原理圖將各元件擺放整齊。</p><p>　　2、單擊“放置”/“導線” ，光標變?yōu)槭中螤?。連接元件。&l

21、t;/p><p>　　3、放置、編輯電源及接地符號</p><p>　　電源及接地信號有很多種，系統(tǒng)提供了專門的電源及接地符號工具，有 10 多種不同形狀供選用。</p><p>　　單擊連線工具中的按鈕，可一次放置電源及接地符號。在放置之前按 Tab鍵，打開“設置電源或接地符號屬性”對話框。設置完后，單擊 OK 即可。</p><p>　　3

22、設計方案的比較與選擇</p><p>　　通過對技術指標的分析，可以采用多種器件來達到指標要求，下面將列出三種符合要求的方案。</p><p>　　方案一：運用分立元件來實現(xiàn)。功放主要由前級差模輸入，中級放大，后級功率驅動輸出。前級主要采用應用最為廣泛的90系列的9013、9014三極管組成雙端輸入、雙端輸出差模放大器。中間級任然采用9013、9014三極管為核心器件組成共射級放大電路；對

23、信號進行放大。輸出級主要采用輸出功率能夠達到10W的三極管組成共集電極電路；以足夠的功率驅動負載。</p><p>　　方案二：采用TDA2030集成塊來實現(xiàn)電路要求。TDA2030 是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、瞬態(tài)互調(diào)失真小，能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Ω阻抗時能夠輸出16W的有效功率。TDA2030 集成電路的另一特點是保

24、護性能比較完善。一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護。所以只要采用兩片TDA2030集成塊，再附加一些其他功能電路和一些補償、保護器件即可設計出一款性能較佳的雙聲道功放。 </p><p>　　方案三：電路主要采用TDA2009運放塊；TDA2009是常見的高保真功放集成塊，一般就是用到電視或者小型功放機。額定功率為2×10W。電源電壓為8～28V。最大輸出電流為3.5A

25、。具有過熱保護電路。（2×10W，THD=0.5%）所以只要運用一片TDA2009集成塊和一些簡單的外圍器件就可以做出一款音質較好的功放。</p><p>　　綜上，三種方案各有其優(yōu)勢與缺點。如果采用分立元器件做功放，會需要很多的元器件才能實現(xiàn)功能。元器件一旦增多，必然會使電路復雜化，浪費資源利用率及設計制作時間。同時，元器件與元器件，線路之間以及元器件自身的非理想性；必然會給電路帶來大量的干擾，失真。

26、制作出來的電路板必然會遠遠偏離理論設計要求；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電路，雖然年代已相當久遠，但至今使用仍然很普及，其方面性能仍然很優(yōu)越。TDA2009集成塊雖然在很大程度上其性能與TDA2030集成塊的相似；但TDA2009集成塊實現(xiàn)本設計時電路簡單，無法很好的反應對知識理論的掌握情況。</p><p>　　所以，TDA2030集成塊是本設計制作的最佳理

27、想器件。</p><p>　　4雙聲道音頻功放電路的設計</p><p>　　4.1 電路設計流程</p><p>　　如下圖所示為TDA2030集成塊設計出來的功放電路。</p><p>　　根據(jù)設計課題的要求，該音頻功率放大器可由如下框圖實現(xiàn)。下圖主要介紹各部分電路的特點及要求。</p><p>　　4.2 直流穩(wěn)

28、壓電源的設計</p><p>　　穩(wěn)定直流源在幾乎所以電路中不可缺少，主要給電子電路提供能量。直流穩(wěn)壓電源最主要是能夠輸出恒定的電壓，設計的一般思路是讓輸入電壓先通過電壓變壓器，再通過整流網(wǎng)絡，然后經(jīng)過濾波網(wǎng)絡，最后經(jīng)過穩(wěn)壓網(wǎng)絡輸出。本設計采用中心抽頭式變壓器，然后經(jīng)過橋式整流電路作為整流網(wǎng)絡，再以容值為1000uF/25V電容作為濾波網(wǎng)絡，接著采用固定式三端集成穩(wěn)壓器LM7812和LM7912作為穩(wěn)壓網(wǎng)絡，最后

29、經(jīng)過470uF電容濾波輸出。其中電容C1、C2、C3和C4主要是抑制穩(wěn)壓塊的自激震蕩。二極管D1，D2主要是對穩(wěn)壓塊的保護。設計制作出來的直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖4-3所示：</p><p>　　4.3 前置放大電路設計</p><p>　　音頻功率放大器的作用是將聲音源輸入的信號進行放大，然后輸出驅動揚聲器。聲音源的種類有多種，如傳聲器（話筒）、電唱機、錄音機（放音磁頭）、CD唱機及線路傳

30、輸?shù)?，這些聲音源的輸出信號的電壓差別很大，從零點幾毫伏到幾百毫伏。一般功率放大器的輸入靈敏度是一定的，這些不同的聲音源信號如果直接輸入到功率放大器中的話，對于輸入過低的信號，功率放大器輸出功率不足，不能充分發(fā)揮功放的作用；假如輸入信號的幅值過大，功率放大器的輸出信號將嚴重過載失真，這樣將失去了音頻放大的意義。所以一個實用的音頻功率放大系統(tǒng)必須設置前置放大器，以便使放大器適應不同的的輸入信號，或放大，或衰減，或進行阻抗變換，使其與功率放大

31、器的輸入靈敏度相匹配。另外在各種聲音源中，除了信號的幅度差別外，它們的頻率特性有的也不同，如電唱機輸出信號和磁帶放音的輸出信號頻率特性曲線呈上翹形，即低音被衰減，高音被提升。對于這樣的輸入信號，在進行功率放大器之前，需要進行頻率補償，使其頻率特性曲線恢復到接近平坦的狀態(tài)，即加入頻率均衡網(wǎng)絡放大器。</p><p>　　兩個聲道電路一致故下圖只給出左聲道電路如圖4-4所示:</p><p>

32、　　4.4 音量控制電路設計</p><p>　　音調(diào)控制電路的主要功能是通過對放音頻帶內(nèi)放大器的頻率響應曲線的形狀進行控制，從而達到控制放音音色的目的，以適應不同聽眾對音色的不同愛好。此外還能補償信號中所欠缺的頻率分量，使音質得到改善，從而提高放音系統(tǒng)的放音效果。在高保真放音電路中，一般采用的是高、低音分別可調(diào)的音調(diào)控制電路。一個良好的音調(diào)控制電路，要求有足夠的高、低音調(diào)節(jié)范圍，同時有要求在高、低音從最強調(diào)到最

33、弱的整個過程中，中音信號（一般指1kHz）不發(fā)生明顯的幅值變化，以保證音量在音調(diào)控制過程中不至于有太大的變化。音調(diào)控制電路大多由RC元件組成，利用RC電路的傳輸特性，提升或衰減某一頻段的音頻信音調(diào)控制電路一般可分為衰減式和負反饋式兩大類，衰減式音調(diào)控制電路的調(diào)節(jié)范圍可以做得較寬，但由于中音電平也要作很大的衰減，并且在調(diào)節(jié)過程中整個電路的阻抗也在變化，所以噪聲和失真較大。負反饋式音調(diào)控制電路的噪音和失真較小，并且在調(diào)節(jié)音調(diào)時，其轉折頻率保

34、持固定不變，而特性曲線的斜率卻隨之改變。</p><p>　　同樣由于兩聲道的音量控制電路一樣故只給出了左聲道電路圖如圖4-5所示：</p><p>　　本電路通過控制變阻器RP201,RP202,RP203來控制最終的音量大小，調(diào)節(jié)方便，工作穩(wěn)定。</p><p>　　4.5 功率放大電路設計</p><p>　　本次功率放大電路的設計主要

35、采用大的是TDA2030芯片進行功率放大。</p><p>　　TDA2030芯片的電路特點： </p><p>　　1 外接元件非常少。 </p><p>　　2 輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。 </p><p>　　3 采用超小型封裝,可提高組裝密度。 </p><p>　　4 開機沖擊極小。 &

36、lt;/p><p>　　5 內(nèi)含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接Vmax=12V以及負載泄放電壓反沖等。 </p><p>　　6 TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Ω。</p><p>　　功率放大器是本設計的核心部分，功率放大器的每一環(huán)節(jié)都直

37、接影響到輸出的音質。本設計電路為—雙電源供電OCL音頻功率放大器（雙聲道），其中高保真運算放大器TDA2030集成塊輸出電流峰值最大可達3.5A，其內(nèi)部電路包含輸入級、中間級和輸出級，且有短路保護和過熱保護，可確保電路工作安全可靠。運用TDA2030集成塊設計的電路圖如圖4-6所示：</p><p>　　5 PCB電路板制作</p><p><b>　　5.1原理圖的繪制<

38、/b></p><p>　　1啟動Protel DXP后，新建設計項目文件是設計圖紙的第一步操作，然后建立原理圖文件。</p><p>　　2繪圖前的準備工作，主要包括調(diào)入元件庫，圖紙頁面設置，放置原件和調(diào)整元件位置。并同時寫入元器件的屬性設置。如果元件庫中沒有的器件，必須自己畫。</p><p>　　3整體布局，要注意電路設計的規(guī)則，一般來說，從信號進入開始

39、，電源在上地線在下且與電源平行，左端是輸入端，右邊是輸入端，按信號流向擺放元件。</p><p>　　4加入必要的文本注釋，增強圖紙的可讀性，最后進行ERC電氣規(guī)則檢查，為PCB制作提供準備。</p><p>　　5 加入必要的文本注釋，增強圖紙的可讀性，最后進行ERC電氣規(guī)則檢查，生成網(wǎng)絡表和元器件報表；為PCB制作提供準備。</p><p>　　6利用prote

40、l DXP軟件畫出雙電源音頻功率放大器原理圖。</p><p>　　5.2 PCB圖的繪制</p><p>　　1包括設置格點大小和類型，光標類型，版層參數(shù)，布線參數(shù)等等。大多數(shù)參數(shù)都可以用系統(tǒng)默認值，而且這些參數(shù)經(jīng)過設置之后，符合個人的習慣，以后無須再去修改。</p><p>　　2規(guī)劃電路版，主要是確定電路版的邊框，包括電路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地

41、方放上適當大小的焊盤。注意-在繪制電路版地邊框前，一定要將當前層設置成Keep Out layer層，即禁止布線層。</p><p>　　3打開所有要用到的PCB庫文件后，調(diào)入網(wǎng)絡表文件和修改零件封裝。這一步是非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡表是PCB自動布線的靈魂，也是原理圖設計與印象電路版設計的接口，只有將網(wǎng)絡表裝入后，才能進行電路版的布線。在原理圖設計的過程中，ERC檢查不會涉及到零件的封裝問題。因此，原理圖設計時

42、，零件的封裝可。</p><p>　　能被遺忘，在引進網(wǎng)絡表時可以根據(jù)設計情況來修改或補充零件的封裝。當然，可以直接在PCB內(nèi)人工生成網(wǎng)絡表，并且指定零件封裝。</p><p>　　4布置零件封裝的位置，也稱零件布局。ProtelDXP可以進行自動布局，也可以進行手動布局。如果進行自動布局，運行"Tools"下面的"Auto Place",用這個命令

43、，你需要 有足夠的耐心。布線的關鍵是布局，多數(shù)設計者采用手動布局的形式。用鼠標選中一個元件，按住鼠標左鍵不放，拖住這個元件到達目的地，放開左鍵，將該元件固定。ProtelDXP在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局選項包含自動選擇和自動對齊。使用自動選擇方式可以很快地收集相似封裝的元件，然后旋轉、展開和整理成組，就可以移動到板上所需位置上了。當簡易的布局完成后，使用自動對齊方式整齊地展開或縮緊一組封裝相似的元件。提示-在自動選擇時，

44、使用Shift X或Y和Ctrl X或Y可展開和縮緊選定組件的X、Y方向。注意-零件布局，應當從機械結構散熱、電磁干擾、將來布線的方便性等方面綜合考慮。先布置與機械尺寸有關的器件，并鎖定這些器件，然后是大的占位置的器件和電路的核心元件，再是外圍的小元件。</p><p>　　5 布線規(guī)則設置，布線規(guī)則是設置布線的各個規(guī)范(象使用層面、各組線寬、過孔間距、布線的拓樸結構等部分規(guī)則，可通過Design-Rules的M

45、enu處從其它板導出后，再導入這塊板)這個步驟不必每次都要設置，按個人的習慣，設定一次就可以。在電路原理圖的基礎上，繪制PCB圖如圖5-1和圖5-2所示:</p><p><b>　　6總結</b></p><p>　　通過這次課程設計，我對Protel DXP有了進一步的認識，在一定程度上了解了雙聲道音頻功率放大器的作用和工作原理，還培養(yǎng)了獨自設計實踐能力。從最初的

46、選題，繪制電路板到寫論文，每一個過程都是對自己知識的增長。</p><p>　　但是課程設計也暴露出自己的很多問題。一是在設計過程中我們遇到了許多問題，像有些元件在庫中找不到，需要自行建立封裝庫；封裝過程中許多元件無法在PCB中生成元件封裝，需要對相應元件進行追加封裝；在布局時出現(xiàn)線多且雜亂，有可能在自動布線時會出現(xiàn)無法布線的情況，需要認真調(diào)整元件位置，使布線盡量少且清晰。二是對功放知道的甚少，基本上無法下手，然

47、后花了大量的時間查閱資料，查閱資料花了大量的時間，很難在短時間內(nèi)獲得第一手資料。最后對作品的制作也存在很大問題，如對元器件的許多特性不了解，電路會受到那些干擾，怎樣避免許多的錯誤。</p><p>　　總之這次課程設計也反映出自己還遠遠不能勝任許多公司的崗位；只能通過在以后社會實踐中慢慢積累知識經(jīng)驗。 在這四年的大學里很感謝老師們對我的諄諄教導，是你們教會了我勤奮學習，誠實做人，踏實做事。指導著我們沿著正確方向前

48、進，在點滴匯聚中使我逐漸形成正確的價值觀、人生觀；以致能夠更好的融入社會，影響社會工作環(huán)境。</p><p>　　這次課程設計讓我認識到自己的不足，還要繼續(xù)努力拓展知識，而且要把理論與實踐結合起來，以獲得最大的收益?？傊?，即使自己馬上就要踏上工作崗位了，我們也要記得從點滴做起，在學習中慢慢積累經(jīng)驗，一步一步的走向成功。</p><p><b>　　參考文獻</b>&l

49、t;/p><p>　　[1].李與核.《protel dxp 2004 sp2 實用教程》.清華大學出版社，2012.1</p><p>　　[2].王冬.《protel dxp 2004應用100例》.電子工業(yè)出版社，2011.1</p><p>　　[3].薛楠.《protel dxp 2004原理圖與PCB設計實用教程》.機械工業(yè)出版社，2012.3</p&