2.1多媒体音响设计与制作

2.1多媒体音响设计与制作
作者：中山市技师学院 曾当兵
地址：广东省中山市东区兴文路72号电气应用系
随着电脑的普及，多媒体音响进入了寻常百姓家。

多媒体音响主要满足对听音要求不高的电脑玩家，声场一般不大，主要以卧室为主；目前市场上出售的多媒体音响逐渐向结构小型化方向发展。

2.1多媒体音响在结构上主要由低音和高音部分组成：低音部分驱动低音扬声器，高音部分驱动高音立体声扬声器。

一、 系统框图
常见2.1多媒体音响结构框图如图1，利用常见的集成芯片，满足普通电脑使用者的听音要求，严格控制制作成本，目前市面上售价在100-300元的多媒体音响大部分是使用TDA2030，本设计也不例外。

设计的难点主要在前置和低通滤波器部分。

图 1 系统结构框图
二、电路设计
1、电源电路
12V 交流电压经过桥式整流以后，±Vcc 约为±15V ，1C 、2C 、3C 、4C 为滤波电容，1C 、2C 去除电源纹波，使电压更平坦，要求电容的容量要大，耐压要大于电源电压；3C 、4C 是滤除电源中的高频噪声，常用瓷片电容104（0.1uF ）。

22R 、23R 分别是指示灯11D 和12D 的限流电阻，将指示灯的电流限制在10mA-15mA 之间。

图 2 双电源电路
2、高音立体声电路
J2是音源立体声信号输入接口，这部分信号主要来自电脑、CD 机、MP3、MP4等音源设备；J3是高音立体声信号输出，连接高音扬声器。

P1是总音量控制，P2是高音音量控制。

声音信号经过左右声道功率放大以后从J3口输出驱动扬声器。

在高音部分我们提供Ω85W 的扬声器，由于TDA2030属于甲乙类功放，那么输出功率是负载L R 上的电流o I 和电压o U 的乘积，即
o P =o I o U =2m I .2m U =L m R U 22
（2-1） m U 和m I 均是峰值电压，那么
2m U =2L R o P =2×8Ω×5W=80
m U =8.9V
即高音扬声器输出的峰峰值电压p op U -为：
p op U -=2×8.9V=17.8V
以正弦波信号作为输入测试信号，调节1R 和24R ，使得最后从双联电位器
P1可动端输出信号的峰峰值为700mV 。

由于常用的音源设备输出的最大信号幅度差别比较大，因此有必要在信号输入时进行幅度调整。

左右通路的信号增益u A 为：
u A =mV
V 7008.17≈25 从图3可见，TDA2030的信号增益为u A 为：
u A =Ui Uo =1 + R
R f （2-2） 其中f R 为反馈电阻，R 为偏置电阻，为了使放大器同相输入和反相输入满足直流平衡，f R 应取20K ，从（2-2）中可知，R= 1-A u f
R =1
2520-K =833Ω，在这里选择820Ω电阻，即18R 、19R 均为820Ω。

8765D D D D 、、、是外接保护电路，用来泄放喇叭的自感应电压， 5R 、7C 和6R 、8C 分别组成高频校正网络，抑制高频自激振荡。

图 3 高音立体声电路
3、低音电路部分
低音电路部分由如图4的前置电路和低通滤波器电路以及如图5的低音功放电路组成。

采用正弦波输入信号进行分析，甲乙类功率放大器最大输出功率表达式为：
P V (max)= L
CC R V 2
2⋅π 由于采用±15V 的双电源供电，则CC V =15V ，当L R =4Ω时，P V (max)=35.8W 当L R =8Ω时，P V (max)=17.9W ，所以在扬声器的选择上我采用15W/4Ω低音喇叭，高音部分为两个5W/8Ω喇叭。

整个低音通道的总增益为A V =前置总增益A u ×低音功放增益A P 。

巴特沃斯低通滤波器由10R 、11R 、14C 、15C 和运算放大器NE5532，以及控制信号增益的14R 、15R 和抑制交流反馈的17C 组成。

当14C = 15C 时，由二阶低通滤波器电路传递函数的典型表达式知： ()2220n n n w s Q
w s w A s A ++= (3-1) 考虑到-3dB 截止角频率n H w w =，则
()1120
++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=H H w s Q w s A s A (3-2) 令H
w s S =，(3-2)可转化为 ()1120++=
S Q S A S A (3-3) 表3-4 巴特沃斯多项式
从表3-4的巴特沃斯多项式可知，当n=2时有 ()20
21S S A S B ++= (3-4)
对比式(3-3)和(3-4)，当()()S B S A =时，Q=
21。

∵ Q =
VF A -31 ∴ 0A = VF A = 1+14
15R R = 3 – Q 1 = 3 - 2 = 1.586 (3-3) 可得 15R = 0.586 14R (3-4)
(1)、选择滤波器的截止频率为200Hz ，由于电容的标称值较少，电阻阻值较广泛，所以以选定电容容量，再计算电阻值的方式。

选定电容量为0.22uF(224)，则
R =
C wH ⨯1 = Hz
F 2002100.2216-⨯⨯⨯π = 61032.2761-⨯ = 3619 ≈ 3.6K Ω (2)、考虑运放两个输入端的电阻必须满足平衡条件：
即 10R + 11R = 15R // 14R
3.6K + 3.6K = 14
151415R R R R +⨯ (3-5) 式(3-4)和式(3-5)联立求解可得14R ≈ 19.5K Ω，15R ≈11.4K Ω。

根据电阻的标称阻值序列可知，以上两个电阻都比较难买到，采用近似的办法14R 取值为20K Ω，15R 取值为12K Ω。

将前置总增益设为3，而从式(3-3)知，滤波器的增益为1.586，那么A U 4的增益应为2，即是1 +
1213R R = 2
那么13R = 12R
为了使A U 4同相输入和反相输入满足直流平衡条件，取13R 和12R 阻值均为20K Ω的电阻。

图 4 前置电路和低通滤波器电路
低音扬声器为15W/4Ω，由式（2-2）知，m U =10.9V ，那么输出信号的峰峰值p p U -=21.8V ，而输入信号峰峰值为700mV ，信号经过8R 、9R 和P3后进行分压，实际电路中测得此处的分压系数约为3，因此低音信号总增益V A 为：
V A =31×2×1.586×（1+16
17R R ）=mV V 7008.21≈31倍 则 1 + 1617
R R ≈31 ⇒16
17R R = 30 在这里取16R = 680Ω，17R = 20K Ω。

图4中26R 是稳定LPF 的输入信号电平，防止电路起振，在调试过程中发现，U4A 部分的信号增益不要超过2，否则电路容易起振。

图5 低音功放电路
三、电路制作
1、电路制板图如图6（未覆铜）。

图6 PCB板图
2、电路板装配图如图7，为了使左右声道增益均衡和低通滤波器发挥良好的性能，在以上电路部分均应采用精密电阻，在这里采用金属膜五环电阻。

为了
减少在调音时由人体引入的静电干扰，最好用一根导线连接三个电位器的外壳接地。

1R 和24R 主要是调节输入信号的幅度，防止过大的输入信号使得输出有失真，但本电路电源有一定的余量，在连接电脑调试过程中，未发现由信号过大引起的失真，因此在装配时做短路处理，不过此处需要在连接不同音源设备中做灵活处理。

图7 电路装配图
四、电路调试与测量
1、将电位器321P P P 、、均调到最大，当输入信号为p p i V -=700mV ，频率为
100Hz 的正弦波时，高音输出信号=-p op V 11.56V ，此时低音p p w V -= 19.60V ；保
持输入信号幅度不变，缓慢增大信号频率，观察低音输出信号幅度，直到低音p p w V -减小为100Hz 时的0.707倍时停止，测量此时信号的频率为223.51Hz ，即
为低通滤波器的截止频率，考虑元件的量值差异，以及测量误差，基本满足设计要求。

2、将电位器321P P P 、、均调到最大，当输入信号为p p i V -=700mV ，频率为
1KHz 的正弦波时，高音输出信号=-p op V 17.62V ，此时低音p p w V -=1.16V 。

3、接上高低音扬声器，连接电脑音频输入，欣赏音乐通过功放和扬声器后给人带来的震撼，高音清脆、明亮，低音厚重，富有震撼力，电路调试成功。

五、总结
本设计的2.1多媒体音响主要是满足入门级听音者的要求，因此在设计上控制制作成本，扬声器的成本也需要考虑，虽然优秀的扬声器会给功放音质带来翻天覆地的变化，但是往往价格昂贵。

选择时要注意扬声器的标称阻值和标称功率。

在调试中发现电源指示灯亮度随着声音有起伏现象，主要有两个原因：一是变压器的功率，变压器功率越高价格越贵，本设计总功率为25W ，因此要求变压器应有不低于30W 的功率；二是1C 和2C 的容量，容量越大直流稳压效果越好，电源指示灯亮度变化主要是LED 两端电压变化所致，因此大容量电容是解决问题的关键，但是容量越大价格越贵，会使成本大幅上升。

当然电压变化会影响低通滤波器的滤波效果，可以在滤波器电源端增加稳压模块来加以改进。