可视化音响放大器设计

课程名称：电工电子综合实验II

实验题目：可视化音响放大器设计

课程简要信息

课程名称：电工电子综合实验II，课程学时：60学时，适用专业：电子信息类，学生年级：本科三年级

实验内容与任务（限500字）

1. 设计一个由三部分控制模块组成的音频放大器：

（1）前置放大电路，要求输入阻抗大于20kΩ；

（2）音调控制电路，要求1kHz处增益为0dB，100Hz和10kHz处有±12dB的调节范围，高低音最大音调控制范围为±20dB；

（3）功率放大电路，要求当前置放大电路输入Vip=10mV，输出额定功率大于1W；

根据以上技术指标设计各级电路增益分配，并分析计算相应实现电路的元件参数。

2. 在音频放大器的基础上设计音量调节和显示电路，要求通过按键逐级设置音量大小，并在数码管上完成32级音量的显示，实现初级可视化的目的。

3. 设计12V-5V电源转换电路。

4. 使用EDA仿真软件，分级仿真和调试上述设计电路，测试并检验相关性能参数是否达标。

5. 搭建并测试硬件电路：

（1）根据仿真原理图逐级将设计的电路用元件接插正确。

（2）检查电源电压是否正确。

（3）测量前置放大电路的增益。

（4）测试音调控制电路的高低音控制效果

（5）测量功率放大电路输出功率和最大输出功率

（6）成品试听检验

6. 实验拓展：在音频放大电路的基础上，本实验设计开发了基于DSP和FPGA的音乐喷泉可视化模块，并已面向学生开放程序代码，学生需对程序的核心部分进行修改或优化，进一步提升实验的综合性。

实验过程及要求（限300字）

1. 学习了解音频放大器的组成、原理和设计要点；

2. 查找资料，对比模拟和数字电位计的区别，熟悉计数、译码和显示电路的原理和设计方法，将音量大小以数字的形式显示出来；

3. 熟悉EDA仿真软件；

4. 根据电路技术指标分析设计电路参数，分级仿真各级电路；

5. 硬件电路搭建和测试要点：

（1）注意±12V电源连接方法。

（2）合理布局电路，防止自激，注意功放和其他电路地线要分开。

（3）输出接扬声器，无输入时，不应有严重的交流声。

（4）输入指定音乐，调节音调控制器，高低音应明显变化，不应出现噪声。

（5）调节音量控制按钮，明显感觉音量变化，并在数码管上显示。

（6）音量显示电路中，要选择合适的消颤电路消除按钮产生的颤动。

6. 在喷泉模块的研究中，要掌握CCS或Quartus II软件使用及相关语言。

7. 撰写设计总结报告，提出电路改进方案，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

本实验是在学生修完《电路》、《模拟电路》、《数字电路》的基础上开设的一门系统化的电工电子综合实验，是一个运用电路、数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需运用信号放大、模数转换、数据显示、DSP、电机控制及参数设定等相关知识与技术方法，涉及仪表测量及准确度、软件仿真等概念、手段和方法。

教学目标与目的（限100字）

该实验在学生具备科研训练能力阶段，为提高综合能力和培养研究能力而设，注重电路原理的分析及硬件电路的调试。完成该实验，以加强小型模数综合系统的设计、调试与参数测试，为其他课外科研活动和后续的实践课程打下良好的基础。

教学设计与引导

本实验是一个比较完整的工程实践过程，需要经历学习研究、资料查找、方案论证、仿真设计、实验调试、参数测试、数据处理、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 学生自主查找资料，学习相关元器件的工作原理和逻辑功能，稍加提示，从运算放大器基本功能到放大电路与音调调节电路再结合功率放大电路，循序渐进，重点引导系统设计的思想。

2. 在设计音量显示电路时，要找准将模拟量转为数字量的关键点，并且考虑实际电路中的消颤处理。

3. 实现数字逻辑电路的方法可以有多种多样，要引导学生采用高效简易的方法实现，也可尝试对比多种方案。

4. 建议仿真时有效利用仿真软件功能，完善元件参数，以确保实际搭建电路的可行性。

5. 实际搭建连接电路时，由于功率放大电路容易产生自激振荡，需提醒在电路布局上要合理，元器件与导线尽量不要穿插，电源走线要合理，尤其是地线不能与低功率电路以及数字电路地线相混。

6. 在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，并记录相关数据，要留存硬件电路照片以及硬件联调测试结果照片。

7. 在验收过程中，要对学生进行分层次，分要求验收，能够很好的区别出不同学生的水平，要有针对性的提示学生验收的重点，引导学生分析导致指标不够好的可能性原因，让学生主动思考解决问题的方案。

8. 在实验完成后，可以组织学生答辩，讨论交流硬件实测中出现的问题，采用的处理措施及处理结果。

实验原理及方案

1. 系统结构

音频放大器是音响系统的关键部分，其作用是将传声器件（信号源）获得的微弱信号放大到足够的强度去推动放声系统中的扬声器或其他电声器件，使原声响重现。音响系统原理框图如图7.1所示。

图7.1 音响系统原理框图

由于信号源输出幅度往往很小，不足以激励功率放大器输出额定功率，因此常在功率放大器之间插入前置放大器将输入信号加以放大，同时由音调控制电路对信号进行适当的音色处理。

此外，在音频放大器的基础上添加音量调节与数码显示和喷泉显示部分，实现系统的可视化功能，提升系统设计的趣味性和综合性，各部分控制模块组成如图7.2所示。

图7.2 音响放大与显示系统原理方框图

（1）前置放大电路：主要功能是同信号源阻抗进行匹配，并有一定的电压增益。一般要求输入阻抗高，很好的和信号源匹配，同时要求输出阻抗低，带负载能力强，以便不影响后一级电路，并为后一级获得一定的信噪比电压。

（2）音调控制电路：主要功能是实现高、低音的提升和衰减。

（3）功率放大电路：将电压信号进行功率放大，保证在扬声器上得到不失真的额定功率信号。

（4）音量控制电路：控制前置放大器的电压增益，实现音量的调节。

（5）计数、译码、显示电路：显示32级音量调节的大小。

（6）实验拓展—迷你喷泉系统：利用喷泉的形式更加形象的显示音量大小和音调高低。

2. 实现方案

（1）前置放大电路

根据音频放大器的技术要求，前置放大电路需要输入阻抗比较高，输出阻抗比较低，一边不影响音调控制电路的正常工作。同时要求噪声系数尽可能小。因此如果选择分立元件作为前置放大电路，可以选择由场效应晶体管构成的共源放大器和场效应管源极输出器级联组成。

但由于分立元件实现的电路比较复杂，尺寸比较大，而且静态工作点的调节以及放大倍数的设计都比较麻烦，因此可以考虑使用集成运算放大器来实现。运算放大器的输入电阻非常高，可近似为无穷大，并且输出电阻很低，可以近似为零，同时由于它本身的电压放大倍数很高，只要将运算放大器引入负反馈，整个放大器的电压增益就是由反馈网络决定。这样放大电路的电压增益就非常容易设计。本次设计选用μA741构成的放大器，既方便又能满足设计要求。前置放大器原理图如图7.3所示。

图7.3 前置放大器的原理图

电压放大倍数由反馈网络RF和R1来决定。

（2）音调控制电路

常用的音调控制电路有三类：一是低失真非线性负反馈型音调控制电路，其调整限度小，使用更多；二是RC衰减式，其调节范围较宽，但容易失真；三是多用于高级收录机中的混合式音调控制电路。从经济效益来看，负反馈型电路简单，失真小，均多选用负反馈型。

如图7.4所示负反馈型音调控制电路。Z1、Zf是由RC组成的网络，放大电路为集成运算放大器（如μA741），Avf=Vo/Vi≈-Zf/Z1。

为了分析方便，先假设R1=R2=R3=R，Rw1=Rw2=9R，C1=C2>>C3。

图7.4音调控制电路原理图

当信号频率不同时，Z1和Zf阻值不相同，Avf会随着频率的改变而变化。其频率特性曲线如图7.5所示（虚线表示实际频率特性）。

图7.5 音调控制电路的频率特性曲线

图7.5所示f0是中心频率，一般增益为0dB；其中fL1、fL2、fH1、fH2分别为低音到中低音、中低音到中音、中音到中高音、中高音到高音的转折频率，一般取fL1为几十赫兹，而fL2=10fL1，fH2=10fH1，fH2一般为几十千赫兹。图7.5可知，音调控制只针对于高、低音的增益进行提升、衰减，而中音的增益基本是保持不变的。因此，音调控制级电路是由低、高通滤波器构成，下面对图7.4所示电路进行分析。

①信号在中频区

由于C1=C2>>C3，因此低、中频区的C3可视为开路，中、高音频区C1、C2则可以视为短路。又因为μA741开环增益很高，放大器输入阻抗又很高，所以VE≈VE`≈0(虚地)。因此，R3的影响可以忽略。在中频区可以绘制出音调控制等效电路如图7.6所示，根据假设R1=R2，于是得到该电路的电压增益|Avf|=1=0dB。

图7.6信号在中频区的等效电路

②信号在低频区

因为C3很小，C3、R4支路可视为开路。反馈网络主要由上半边起作用。同样因为μA741开环增益很高，放大器输出阻抗又很高，所以VE≈VE`≈0 (虚地)。因此，R3的影响可以忽略。

当电位器RW1的滑动端移到A点时，C1被短路，其等效电路如图7.7（a）所示。

(a)低频提升等效电路 （b）低频衰减等效电路

图7.7信号在低频区的等效电路

下面进行电路的幅频特性分析，该电路是一个一阶有源低通滤波器电路，其传递函数表达式为：

$$\dot{\text{A}{\text{Vf}}}\left( \text{j}\text{ω} \right)\text{=}\frac{\dot{\text{V}{\text{o}}}}{\dot{\text{V}{\text{i}}}}\text{=}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{1}}} \bullet \frac{\text{1+}\frac{\text{jω}}{\text{ω}{\text{L2}}}}{\text{1+}\frac{\text{jω}}{\text{ω}{\text{L1}}}}\text{ （7.1）}$$

式中：

$$\text{ω}{\text{L1}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{R}{\text{W1}}\text{C}{\text{2}}}\left( \text{或}\text{f}{\text{L1}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π}\text{R}{\text{W1}}\text{C}{\text{2}}} \right)$$

$$\text{ω}{\text{L2}}\text{=}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{W1}}\text{R}{\text{2}}\text{C}{\text{2}}}\left( \text{或}\text{f}{\text{L2}}\text{=}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{2π}\text{R}{\text{W1}}\text{R}{\text{2}}\text{C}{\text{2}}} \right)$$

根据前面假设条件：R1=R2=R3=R，Rw1=Rw2=9R，C1=C2>>C3, 可得(Rw1+R2)/R1=10，ωL2=10ωL1。

$$\text{当ω>>ωL2时，即信号接近中频时，}\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{1}}}\text{∙}\frac{\text{ω}{\text{L1}}}{\text{ω}{\text{L2}}}\text{=10∙}\frac{\text{1}}{\text{10}}\text{=1(即0dB)。}$$

$$\text{当ω=ωL2时，}\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{1}}}\text{∙}\sqrt{\frac{\text{1+1}}{\text{1+}\left( \frac{\text{ω}{\text{L2}}}{\text{ω}{\text{L1}}} \right)^{\text{2}}}}\text{≈}\sqrt{\text{2}}\text{(即3dB)。}$$

$$\text{当ω=ωL1时，}\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{1}}}\text{∙}\sqrt{\frac{\text{1+}\left( \frac{\text{ω}{\text{L2}}}{\text{ω}{\text{L1}}} \right)^{\text{2}}}{\text{1+1}}}\text{≈}\frac{\text{10}}{\sqrt{\text{2}}}\text{(即17dB)。}$$

当ω<<ωL1时，C2当成是开路，由此电压增益从图7.7（a）中可得到:

$$\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{1}}}\text{=10(即20dB) （7.2）}$$

综上所述，在f=fL2和f=fL1时，分别比中频时提升了3dB和17dB，我们称fL2和fL1为转折频率，在这两个转折频率之间（fL1<fLX<fL2）曲线斜率为-6dB/倍频程。低音最大提升量为20dB。

同样分析方法可知，当RW1滑至右端时的低频衰减特性。等效电路如7.7(b)所示，读者可以自行分析。其中转折频率为：

$$\text{f}{\text{L1}}\text{'=}\frac{\text{1}}{\text{2π}\text{R}{\text{W1}}\text{C}{\text{1}}}\text{=}\text{f}{\text{L1}}\text{，}\text{f}{\text{L2}}\text{'=}\frac{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{1}}}{\text{2π}\text{R}{\text{W1}}\text{R}{\text{1}}\text{C}{\text{1}}}\text{=}\text{f}_{\text{L2}}\text{ （7.3）}$$

最大衰减量为：

$$\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{W1}}\text{+}\text{R}{\text{1}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{10}}\text{(即-20dB) （7.4）}$$

③信号在高频区

在高频区间，图7.4中C1和C2可视为短路，这时起着作用的是C3、R4支路，如图7.8(a)所示为音调控制器的等效电路。可以将R1、R2、R3的星型连接转换成RA、RB、RC的三角形连接，这样便于分析，转换后的等效电路如图7.8(b)所示。

(a)原始等效电路 (b)转换后的等效电路

图7.8 高频区的等效电路

其中：

$$\text{R}{\text{A}}\text{=}\text{R}{\text{1}}\text{+}\text{R}{\text{3}}\text{+}\frac{\text{R}{\text{1}}\text{R}{\text{3}}}{\text{R}{\text{2}}}\text{=3R}\left( \text{R}{\text{1}}\text{=}\text{R}{\text{2}}\text{=}\text{R}_{\text{3}} \right)$$

$$\text{R}{\text{B}}\text{=}\text{R}{\text{2}}\text{+}\text{R}{\text{3}}\text{+}\frac{\text{R}{\text{2}}\text{R}{\text{3}}}{\text{R}{\text{1}}}\text{=3R}$$

$$\text{R}{\text{C}}\text{=}\text{R}{\text{1}}\text{+}\text{R}{\text{2}}\text{+}\frac{\text{R}{\text{1}}\text{R}{\text{2}}}{\text{R}{\text{3}}}\text{=3R}$$

由于前级输出电阻很小，输出信号Vo通过RC反馈到输入端的信号被输出电阻所旁路，所以RC的影响可以忽略，视为开路。当滑动变阻器RW2滑到C和D点时，RW2等效于跨接在输入和输出之间，且数值比较大，也可视为开路，因此可得到滑动变阻器在C和D点时的等效电路如图7.9所示。

（a）高频提升等效电路 （b）高频衰减等效电路

图7.9 高频提升和衰减时的等效电路

能够看出，图7.9（a）所示为一阶有源高通滤波器电路，其传输函数

$$\dot{\text{A}{\text{vf}}}\left( \text{jω} \right)\text{=}\frac{\text{V}{\text{o}}}{\text{V}{\text{i}}}\text{=-}\frac{\text{R}{\text{B}}}{\text{R}{\text{A}}} \bullet \frac{\text{1+}\frac{\text{jω}}{\text{ω}{\text{H1}}}}{\text{1+}\frac{\text{jω}}{\text{ω}_{\text{H2}}}}\text{ （7.5）}$$

其中：

$$\text{ω}{\text{H1}}\text{=}\frac{\text{1}}{\left( \text{R}{\text{A}}\text{+}\text{R}{\text{4}} \right)\text{C}{\text{3}}}\left( {\text{或}\text{f}}{\text{H1}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π}\left( \text{R}{\text{A}}\text{+}\text{R}{\text{4}} \right)\text{C}{\text{3}}} \right)$$

$$\text{ω}{\text{H2}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{R}{\text{4}}\text{C}{\text{3}}}\left( {\text{或}\text{f}}{\text{H2}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π}\text{R}{\text{4}}\text{C}{\text{3}}} \right)$$

当ω>ωH2时,C3视为短路，此时电压增益为：

$$\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{A}}\text{+}\text{R}{\text{4}}}{\text{R}{\text{4}}}\text{ （7.6）}$$

同理图7.9（b）衰减等效电路的传输函数为：

$$\dot{\text{A}{\text{vf}}}\left( \text{jω} \right)\text{=}\frac{\text{V}{\text{o}}}{\text{V}{\text{i}}}\text{=-}\frac{\text{R}{\text{B}}}{\text{R}{\text{A}}} \bullet \frac{\text{1+}\frac{\text{jω}}{\text{ω}{\text{H2}}\text{'}}}{\text{1+}\frac{\text{jω}}{\text{ω}_{\text{H1}}\text{'}}}\text{ （7.7）}$$

其中：

$$\text{ω}{\text{H1}}\text{'=}\frac{\text{1}}{\left( \text{R}{\text{B}}\text{+}\text{R}{\text{4}} \right)\text{C}{\text{3}}}\text{=}\text{ω}{\text{H1}}\left( \text{f}{\text{H1}}\text{'=}\frac{\text{1}}{\text{2π}\left( \text{3}\text{R}\text{+}\text{R}{\text{4}} \right)\text{C}{\text{3}}}{\text{=}\text{f}}_{\text{H1}} \right)$$

$$\text{ω}{\text{H2}}\text{'=}\frac{\text{1}}{{\text{R}{\text{4}}\text{C}}{\text{3}}}\text{=}\text{ω}{\text{H2}}\left( \text{f}{\text{H2}}\text{'=}\frac{\text{1}}{\text{2π}{\text{R}{\text{4}}\text{C}}{\text{3}}}{\text{=}\text{f}}{\text{H2}} \right)$$

当ω>ωH2$\text{'}$时,C3视为短路，此时电压增益为：

$$\left| \dot{\text{A}{\text{Vf}}} \right|\text{≈}\frac{\text{R}{\text{4}}}{\text{R}{\text{B}}\text{+}\text{R}{\text{4}}}\text{ （7.8）}$$

当频率在fH1<fHX<fH2的区间内，电压增益按±6dB/倍频程的斜率变化。

综合高低频时的电压增益分析，假设给出低频fLX处和高频fHX处的提升量，又知道fL1<fLX<fL2，fH1<fHX<fH2，那么：

$$\text{f}{\text{L2}}\text{=}\text{f}{\text{LX}}\text{×}\text{2}^{\frac{\text{提升量}\left. （\text{dB} \right.）}{\text{6dB}}}\text{ （7.9）}$$

$$\text{f}{\text{HX}}\text{=}\text{f}{\text{H1}}\text{×}\text{2}^{\frac{\text{提升量}\left. （\text{dB} \right.）}{\text{6dB}}}\text{ （7.10）}$$

可见，当某一频率的提升量和衰减量已知时，由式（7.9）和（7.10）可以求出所需的转折频率，利用式（7.1）~式（7.8）可以求出相应元件参数和最大提升量和衰减量。

（3）功率放大电路

音调控制电路末端的电路主要用于驱动负载RL(扬声器)，称为功率放大电路。目前功率放大器可以分为分立元件和集成电路两种，其中分立元件又包括半导体器件与真空管器件。按输出方式的不同，功放可划分为有变压器输出、无变压器输出（OTL）、无电容器输出（OCL）和无变压器平衡输出（BTL）等。不同的工作方式，功放可划分为不同的类别，比如甲类、乙类、甲乙类、丙类等。

此次设计选用集成功率放大电路实现，集成芯片选用集成功放TDA2030A，具体关于TDA2030A的管脚分布以及详细原理参见模拟实验四。典型应用电路如图7.10所示。

图7.10 功率放大电路

图7.10中二极管D1和D2的目的在于限制输入信号过大，并避免电源反接，起保护功能；C3、C4、C5、C6的作用是过滤直流电源中的噪声信号，R4与C7构成了输出相移的校正网络，使网络中负载接近于纯电阻；C1是输入耦合电容，它的大小决定了功率放大器的下限频率；C2的大小决定了电路的上限截止频率；R4可以用来提高频率的稳定性，其值一般为1Ω。

其交流放大倍数：AV=1+R2/R3

（4）音量调节

采用基于X9511W芯片的数字电位计实现扬声器音量的调节。

X9511内部由计数器、存储器、译码器、模拟开关和电阻阵列等电路组成，其中计数器对控制信号PU（或PD）进行加（或减）计数，该数值经过32选1译码器译码后用于控制32路模拟开关的通和断，模拟开关一端连接电阻阵列，另一端并联构成数字电位器的滑动端（VW）。该电路计数器的计数值还可以在ASE的控制下存储进可改写只读存储器（E2PROM）中。

X9511的管脚排列图如图7.11所示，引脚功能说明如表7.1所示。

图7.11 X9511芯片引脚图

表7.1 X9511引脚功能说明

（5）音量数码显示

将音量控制的输出通过数码管显示，需要经过计数器电路和译码显示电路两部分完成。计数器电路可以使用集成计数器74LS190实现。

集成计数器74LS190具有异步置数、同步加减计数等功能，图7.12为4位二进制同步加减法计数器74LS190的引脚图。

图7.12 74LS190引脚图

在图7.12中，CP为时钟输入端（上升沿有效）；$\overline{\text{LD}}$是异步置数控制端；D3、D2、D1、D0是预置数据输入端；CO/BO是进位输出/错位输出端；$\overline{\text{CT}}$是计数控制端（低电平有效）；$\overline{\text{RC}}$是行波时钟输出端（低电平有效）；$\overline{\text{U}}$/D是加/减计数方式控制端。

74LS190具有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（$\overline{\text{RC}}$）输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。利用$\overline{\text{RC}}$端，可级联成N位同步计数器。当采用并行CP控制时，则将$\overline{\text{RC}}$接到后一级$\overline{\text{CT}}$；当采用并行$\overline{\text{CT}}$控制时，则将$\overline{\text{RC}}$接到后一级CP。

译码显示电路可以选用4线-7段译码器CD4511实现。

4线-7段译码器CD4511，其引脚排列如图7.13所示。

图7.13 CD4511引脚图

在图7.13中，D、C、B、A为BCD码输入端；a~g是译码器输出端，高电平有效，可驱动共阴LED数码管；$\overline{\text{LT}}$为灯测试输入端；$\overline{BI}$为消隐功能端；LE为数据锁存输入端。表7.2为4线-7段译码器CD4511的功能表。

表7.2 CD4511功能表

由4线-7段译码器CD4511的功能表可知：

①灯测试功能：当$\overline{\text{LT}}$=0，不管D、C、B、A输入端的状态如何，输出均为1，所驱动的共阴LED数码管显示数码“8”，因此可以检查7段显示器各字段工作是否正常。

②消隐功能：当$\overline{\text{BI}}$=0且$\overline{\text{LT}}$=1时，不管D、C、B、A输入端的状态如何，输出均为0，所驱动的共阴LED数码管各字段均消隐，不显示任何数字。通常是在有效数据最高位或最低位的零不需要显示时使用。

译码功能：当LE=0、$\overline{\text{BI}}$=1、$\overline{\text{LT}}$=1，4线-7段译码器CD4511输入数据从0000到1001时，所驱动的共阴LED数码管显示数码“0”到“9”。而当输入数据为1010到1111时，输出均为0，所驱动的共阴LED数码管各字段自行消隐。

④数据锁存功能：当LE=1，且$\overline{\text{BI}}$=1、$\overline{\text{LT}}$=1时，4线-7段译码器CD4511为锁定保持状态，输出被保持在LE由0到1时BCD码的输入值。

（6）实验拓展：迷你音乐喷泉

在音频放大电路的基础上，本实验设计开发了基于DSP和FPGA的音乐喷泉可视化模块，以基于DSP模块为例介绍。

为实现音乐喷泉的控制，先对输入的音频信号进行偏置、滤波和AD 采样等处理，再将采集的信号用DSP进行分析处理，然后输出控制信号到电机，控制电机转速的变化使水泵喷出不同高度的水柱。

根据输入信号幅值、频率和采样数据样本的要求，要对音频信号进行放大、滤波、A/D采样等预处理，然后对采样的数据在DSP中进行信号处理。

为了实现音乐喷泉效果，需要水柱随着音乐强度和音调的变化改变高度，而改变水柱高度实际上就是控制电机的转速。这里选用的直流电机，其结构简单，便于调试控制。

调整直流电机转速的常用做法是调整电压来控制转速，一般分为两种方法：改变电压幅度和调整脉冲宽度来实现。后一种方式适用PWM波控制。所以只要通过分配PWM不同的占空比就可以实现电机转速的调控。

输入的音频采样信号在DSP中进行分析处理，提取音乐的强弱和频率信息，设定不同的阈值，输出不同占空比的PWM波。

而音乐就是乐音的艺术的排列组合。

音调划分：极低频：20Hz-40Hz；低频：40Hz-80Hz；中低频：80Hz-160Hz；中频：160-1280Hz；

中高频：1280Hz-2560Hz；高频：2560Hz-5120Hz；极高频：5120Hz-20KHz；

所以利用提取的音乐信号的幅值和频率来控制输出不同占空比的脉冲波是具有可行性的。

图7.14是系统总体原理框图

用DSP28335为控制核心，搭建外围电路，包括电源电路、复位电路、时钟电路（无源晶振），JTAG接口电路、外设RAM和Flash，以及调理电路和驱动输出电路。

图7.14 系统总体原理框图

DSP对电源稳定度要求较高，并且需要内核和I/O口两种供电电压，所以采用TI公司的767D301，电路中还需要+5V和-5V电源，选择7805用来+9V转+5V电压，7905用来-9V转-5V电压；SRAM选用IS61LV25616，Flash选用SST39VF800A；

基于DSP和FPGA开发的电路均已经设计验证完成，已经面向学生开放程序代码，学生可选择DSP模块或FPGA模块，对程序的核心部分进行修改或优化，使得喷泉效果合理变化或提升，进而体现实验教学的目的。

教学实施进程

本实验的过程是比较完整的探索研究过程，需要经历学习研究、资料查找、方案论证、仿真设计、实验调试、参数测试、数据处理、设计总结等过程合验证型与设计型的实验，需要经历文献检索与学习、电路设计、仿真调试、实际搭建、综合测试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 介绍运算放大器、功率放大器的基本原理，在此基础上开拓学生的设计思路。重点介绍音调调节电路与功率放大电路的原理和设计。

2. 需要引导学生如何将模拟信号转换成数字信号，实现模数综合。

3. 在介绍计数器的工作原理时，要引导学生计数电路设计的多样性，激发学生的创新能力。

4. 介绍仿真软件的使用方法，以及具体仿真元件的选择。

5. 布置电路技术指标及要求。

6. 在学生对电路进行仿真分析时，要提示学生考虑实际电路与仿真电路的区别，防止学生在搭建实际电路的时候过于理想化。

7. 搭建实际电路，要注意指导学生在加入功率放大器时，要合理布局电路以及电源地线，防止产生自激振荡。

8. 对电路进行测试、验证与改进。

9. 在成果验收要求上，对不同能力的同学要分层次验收，对能够比较好的完成音频放大器和音量调节与显示电路的学生，在喷泉驱动电路中，不仅要能够对程序的核心部分进行修改，还要能够优化程序，使得喷泉效果得到提升。

10）在实验完成后，撰写实验报告及项目总结PPT。组织学生以答辩、评讲的形式进行交流，了解电路产生各种问题时的不同解决方案及其具体电路不同的实际应用，拓宽知识面。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验原理分析

2. 理论推导计算

3. 电路设计与参数选择

4. 仿真电路及数据图表

5. 实际电路测试方法

6. 实验数据记录

7. 硬件电路及调试结果照片

8. 数据处理分析

9. 实验结果及问题总结

10）实际应用举例

11）提出实验改进方案

12）分析对程序修改或优化的方法和依据

考核要求与方法（限300字）

1. 仿真效果：是否仿真各级电路，并给出仿真结果。

2. 实物验收：电路功能与性能是否满足要求，尤其是音质与音量调节显示方面，电路完成时间。

3. 实验质量：电路组装布局是否合理，组装工艺是否美观，电路工作是否稳定。

4. 元件参数：材料与元器件参数选择合理性，是否符合实验室测试条件。

5. 实验数据：测试数据，是否达到指标要求，测量误差。

1. 实验改进：是否提出电路设计改进（要求有软件仿真结果）、电路硬件改进（要求有硬件调试结果）、电路元件改进（要求出示替代元件，并有软件仿真或硬件调试结果）、电路调试方法改进（要求现场演示）

2. 喷泉驱动电路：是否能够修改或优化喷泉电路开放的程序代码，使得喷泉效果合理变化或提升。

3. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：本实验是系统化的过程，运放应用、功放模块和计数译码显示模块分别在模电、数电课内实验已经开设，本实验中学生有能力独立进行系统设计、仿真，将各模块系统集成。实验涉及系统各模块的参数分解及技术指标分配，是学生从分部模块学习到系统联调的转变过程；本实验可进行拓展设计，除了基本的音频放大及音量控制与显示部分外，可加入音乐喷泉可视化模块，音乐无线传输模块，3D环绕立体声模块；因此，本实验还可分层次教学，针对不同能力，不同专业学生，实验开设要求不同。电子信息类普通学生及非电类学生，只需完成音频放大及计数译码显示等基础部分，我校培优班，钱学森学院的优秀学生还需进行拓展模块的设计与实现。

参赛选手信息表