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开放实验(2)：MP3播放器的设计与制作背景知识MP3播放器是生活中最常见的电子产品之一，同学们用它来学习外语、欣赏音乐和娱乐等；本实验将实际完成设计和制作一部完整的MP3播放器。MP3音乐文件是一种数字化的音频文件，它依照MPEG-Layer3算法对音频数据进行了压缩（MP3就是MPEG-Layer3的简称），大幅节省了存储空间。如图1所示，通常的MP3播放器由以下6个主要部件组成：1）大容量存储介质（SD卡、U盘、闪存等），用于存储MP3文件；2）MP3解码器，用于将MP3文件的数据流解压成音频采样数据；3）数模转换器（DAC），用于将音频数据（数字信号）还原成模拟量；4）嵌入式微控制器，用于控制MP3文件的存取、人机交互、以及各部件间的协调；5）音频功率放大器，用于将MP3解码器输出的模拟音频信号放大，推动耳机或喇叭；6）电源管理电路，用于向各个部件提供各自所需的稳压电源，并监控电池电量。MP3解码器模数转换器(DAC)大容量存储器SD卡或U盘嵌入式微控制器（单片机）键盘、显示等一体化集成解码器音频功率放大器电源管理本实验的重点耳机、喇叭电池压缩数据流音频信号采样数据流稳压电源稳压电源文件读取控制解码/播放控制图1MP3播放器的组成和原理MP3播放器最核心的部件是MP3解码器（MP3Decoder），它内部是由复杂的高速数字电路实现的硬件MPEG-Layer3解码算法，能够将压缩的MP3文件还原成原始音频采样序列，以串行数字码流的形式输出至数模转换器（DAC）。DAC将串行码流由数字量还原成模拟信号，即音频电压信号，这个信号仍然微弱（幅度小、输出阻抗大），需要后续的功率放大器将它放大为大幅度、低阻抗的输出信号，才能推动耳机或喇叭发出洪亮的声音。本实验将使用一片集成了解码器、DAC和微控制器的一体化的解码芯片，并使用U盘和SD卡作为存储介质，因此，设计任务将主要集中在剩余的音频功放和电源管理部分。通过本次实验，同学们将实际地完成一部MP3播放器，并深刻理解功率放大器以及电源管理（低压差稳压、升压等）方面的知识。设计任务设计并制作一台以6V直流电源（4节5号电池或6V铅酸电池）供电的MP3播放器，功放部分增益不低于20dB，且要求能在8欧喇叭上获得最大不失真功率1W的输出；通频带范围优于100Hz~20kHz。设计方案可参考图2或图3，任选一种完成设计和制作。本实验中所采用的MP3解码器部分需要5V稳压电源供电，首先需要将6V的电池电压降压并稳压至5V，压差仅1V，常规稳压电路（78xx系列需要3V以上压差）难以正常工作，需要采用低压差稳压器（LDO）来实现稳压，并要求压差尽可能低以延长电池使用寿命。在功率放大部分，采用6V电源供电无法满足8欧负载上获得1W功率的设计要求，解决方案1是采用升压（Boost）电路的方法，将6V升压至12V为功放部分供电，如图2。方案2是采用桥式功放（BTL）电路的方法，用两个功率放大器差分方式驱动喇叭，保持6V电源电压不变的前提下提供足够的功率输出，如图3。MP3解码器模块音频功率放大器低压差稳压（LDO）电池（6V）升压电路（Boost）8欧喇叭12V稳压电源5V稳压电源L+RLR单声道左声道右声道SD卡U盘图2MP3播放器设计框图（升压方案）MP3解码器模块音频功率放大器1低压差稳压（LDO）电池（6V）8欧喇叭5V稳压电源L+RLR单声道左声道右声道SD卡U盘音频功率放大器26V电源图3MP3播放器设计框图（BTL方案）注意事项（1）电源采用6V电池盒。调试期间可以使用实验室的台式电源。（2）注意所有的芯片电源端对地应加上0.1uF退偶电容，电源入口处应加至少470uF退偶电容。（3）注意计算输出耦合电容的容量，要保证通频带。（4）电池、喇叭线要用2A以上的接线端子引出，不要直接焊在电路板上（5）有兴趣的同学还可以做2路功放分别放大左右声道，成为立体声播放器。参考资料（1）MP3解码器模块MP3解码器已经做成电路板，提供给同学使用。其内部集成了一枚解码器芯片以及USB插座（插U盘）和SD卡槽。外部只需向它提供5V稳压电源即可输出MP3解码后的音频信号（模拟量，双声道立体声输出）。控制MP3的播放共需3枚按键，接法如图；短按时三个按键的功能分别是“上一曲”、“下一曲”、“暂停/播放”；当长按按键时，分别是“音量+”和“音2kLED播放/暂停下一曲/音量+上一曲/音量-220k330k12345678910111213141516左声道右声道+5V电源输入GNDGND播放指示灯SD卡U盘图4MP3解码模块接线图量-”功能。其他脚悬空不接。（2）参考芯片以下芯片为本设计可能会用到的芯片，相关芯片资料请登陆自行搜索并下载。1）HT7550:低压差稳压器（LDO）2）LM386:单通道音频功率放大器3）TDA2822:双通道音频功率放大器4）MC34063:通用型DC-DC变换器5）NE5532:音频运算放大器（双运放）6）MC4558音频运算放大器（双运放）（3）扬声器的原理电动式扬声器，俗称“喇叭”，是一种将电信号转换成声音的器件。其外形和结构如图5a和5b所示。发声的基本原理如图5c，在磁铁的磁力线回路中，放置有一个多匝线圈（音圈），当交变电信号施加在音圈中时产生变化的电磁力，推动音圈前后移动（振动），音圈带动喇叭的振膜，推动空气形成声波。通常，扬声器的音圈的电阻仅有数欧姆（4、8、16欧三种规格），需要较大的电流才能推动，通常需要借助音频功率放大器提供大功率驱动信号。（a）外形（b）结构（c）原理图5喇叭（扬声器）结构及原理（4）简易音箱的制作当电信号推动音圈向前移动时，振膜前方的空气被压缩，气压升高；而振膜后方的空气变得稀薄，气压降低。如果扬声器完全裸露在空气中，前方高压的气体就会自然向后方稀薄的区域流动，这种现象称为“声短路”，它将浪费掉大部分的振动能量，如图6(a)所示。而且频率越低的声波能量，越容易被短路，所以从裸露的扬声器中播放出来的声音大多干瘪而无力。声短路密闭腔体前方能量转换成声波少部分能量转换成声波吸声材料半密闭腔体能量转换效率更高吸声材料倒相孔(a)声短路(b)密闭式音箱(c)倒向式音箱图6声短路现象与音箱原理如果将喇叭的后方全部密闭起来，且加入吸音材料将声波能量吸收，就成为“密闭式音箱”如图6(b)所示，将不再发生声短路现象，喇叭前方的振动能量将大部分转化成声波，声音立刻变得洪亮，低音也饱满。但这种方法缺点是完全浪费了后方的振动能，如果改为图6(c)的形式，增加一个倒相孔，让后方的声波经过一定的路径（延迟）后再从前方出来，如果延迟合理，恰好被倒相180度，后方的声波能量将与前方能量相叠加而增强，从而使发声效率进一步提高，但这种音箱的尺寸、材料、倒相路径等需要极其严格的声学设计。综上，在业余条件下，制作密闭式音箱是最简单的。取任何一个可以形成密闭腔体的废旧日常用品（鞋盒、茶杯、羽毛球桶、易拉罐、肥皂盒、饼干桶、胶带卷…等等），将它内部填充吸音材料（松散的卫生纸、棉花、抹布、废旧毛巾），即可构成简易音箱。（a）薯片桶(b)下水管道(c)纸包装盒(d)鞋盒(e)奶粉罐图7各种可用于制作简易音箱的材料提交设计报告要求（1）完整的电路图，并详细标明每一部分的功能。（2）根据你所选择的方案中功率放大器芯片的内部框图，推导电压增益的计算公式。（3）分析电路中各隔直电容的容量对通频带的影响。（3）根据HT7550的内部电路框图，推导输出电压公式，并说明它的稳压反馈过程。（4）进行实际测试，完成以下指标的测量。要有详细测试方法、步骤和计算分析1）最大不失真输出功率（1kHz正弦）2）达到最大不失真输出功率时，整机的效率。提示：可以下载“正弦波.mp3”当作信号源进行测试。（5）完成制作，电路，正面、背面以及工作中的照片各一张。作品样例12345678910111213141516功放部分电源部分喇叭+6VGND电池播放控制键