CN1734931A - 无线音箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与视听产品无线连接的无线音箱，该视听产品的音频信号首先经过音频放大电路，然后进行脉宽调制电路，由发光二极管输出红外信号，在该无线音箱上设有一个红外信号接收电路，该红外信号接收电路的后端依次连接有限幅放大电路及功率放大电路，该功率放大电路驱动该无线音箱的喇叭。本发明具有功率大、失真小、音量易于调节及喇叭的敏感度大的优点。

Description

无线音箱

技术领域

本发明涉及一种与电视机等视听产品构成无线连接的大功率无线音箱，特别是一种红外无线音箱。

背景技术

目前市场上销售的家用电视机伴音输出功率都不大，一般机内喇叭的输出功率都在10瓦左右。随着人们文化素质的不断提高，人们对电视机伴音的要求也相对提高。电视机在不断提高伴音质量的同时，必将要求伴音输出功率成倍的提高，但电视机中的音箱一般很小，输出功率有限，并且当声音功率过大时，电视机会产生机械震动，引发出其它机械震动声。另外，电视机中的开关电源储备功率也很小，当伴音输出功率过大时，还会使图像出现闪烁。

在现有的专利技术中，也出现了一些无线音箱，如中国专利局于1997年3月26号公告的第95246215号实用新型专利，其专利名称为“红外无线音箱”，该实用新型是采用红外副载波进行音频信号传输，在扬声器的前置部分装上一红外接收器，从主机的红外发射器发出的红外调制信号解调出音频信号，推动扬声器发声。该红外无线音箱可根据红外发射器发射信号调制频率的不同，做成调谐频率不同的音箱接收各种不同系统的音频信号。但是该专利技术存在有如下不足：该音箱对接收的信号需要进行解调过程，不能直接进行放大，因此功率放大器需要增加一个负反馈电路，故存在非线性失真和瞬态失真，以及饱和失真。且其工作效率低，输出功率低。

发明内容

为了克服现有的视听产品的音箱存在失真大、输出功率小的不足，而提供一种与这些视听产品无线连接的大功率无线音箱。

本发明所采用的技术方案为：提供一种与视听产品无线连接的无线音箱，该视听产品的音频信号首先经过音频放大电路放大，然后进行脉宽调制电路，由发光二极管输出红外信号，在该无线音箱上设有一个红外信号接收电路，该红外信号接收电路的后端依次连接有限幅放大电路及功率放大电路，该功率放大电路驱动该无线音箱的喇叭发音。

在所述音频放大电路及红外输出电路之间还设有一信号检测电路及一输出控制电路。

脉宽调制电路为一双边脉宽调制电路。

在所述的功率放大电路的后端还设有至少一个用于防止大信号时电路出现堵塞的二极管。

在所述的功率放大电路中进一步设有一个滤波电路。

所述的功率放大电路为一个具双电源的桥式放大电路。

所述功率放大器采用开关电源进行供电，通过调节开关电源输出电压来改变红外音箱的输出功率。

在所述无线音箱上进一步设有一个用于调节开关电源的开关管导通或截止的占空比的音量调节旋钮或控制按键。

进一步设有一个用于调节开关电源输出电压的遥控器，在该遥控器中安装有一编码器，而在所述开关电源中设有一与之对应的译码器。

所述的调制脉冲频率至少为音频信号频率的3倍。

本发明的有益效果在于：

由于无线音箱与电视机之间的联系，只是伴音信号通过红外线传输，它们之间基本是完全独立的，因此音箱的功率可以作得很大。

由于音频信号通过脉宽调制来传输，接收信号不需要进行解调，可以直接进行放大，因此功率放大器不需要负反馈电路，完全克服了普通功率放大器的非线性失真和瞬态失真，以及饱和失真。并且功率放大电路完全工作于开关放大状态(丁类放大)，工作效率高(大于90％)，输出功率很大。

由于对红外线音箱功率放大器供电，其可以很容易地改变功率放大器工作电压，并借此改变输出功率，从而对音箱的音量进行控制。

另外，由于无线音箱中流过喇叭的电流是超音频脉冲波，喇叭的振幅只是跟随电流脉冲波的平均值曲线作改变，因此喇叭的灵敏度非常高。

附图说明

图1是本发明无线音箱工作环境的示意框图。

图2是与本发明无线音箱配合使用的视听产品部分的电路原理图。

图3是本发明第一实施例中无线音箱中的电路原理图。

图4是本发明中输入音频、脉宽调制后信号及喇叭电流的波形示意图。

图5是本发明第二实施例中无线音箱中的电路原理图。

图6是本发明第三实施例中无线音箱中的电路原理图。

图7是本发明中最高音频信号时的脉宽调制波形及喇叭电流的波形示意图。

具体实施方式

图1是本发明无线音箱工作环境的示意框图。本发明无线音箱需要配合电视机等视听产品使用，在图1中示出两大部分，左边示出了设在电视机中的电路部分，这部分包括有音频信号调制和红外信号发送电路，电视机音频信号首先经过音频放大，然后进行脉宽调制，由发光二极管输出红外线光，光的亮度在发光二极管导通的期间基本不变，但其点亮的时间随着信号的变化而变化。右边示出了安装在无线音箱中的电路部分，其包括红外信号接收电路和限幅放大电路，及功率放大电路和输出部分(喇叭)。无线音箱是通过红外信号等无线信号与该电视机进行联系的。

另外在电视机中还设有一输出信号控制电路，其主要作用是：当有音频信号输入时，红外线发送电路才开始工作；没有音频信号输入时，红外线发送电路不工作，它相当于无线音箱的工作开关。如果没有这个开关，当没有音频信号输入时，功率放大还是要对输入信号进行放大，不过被放大的是一个占空比约等于0.5的等幅高频信号，喇叭虽然发声，但仍要损耗功率。

图2是安装在电视机部分的电路原理图。而其中的红外发光二极管一般安装在电视机壳的顶部。三极管V4和三极管V5是多谐振荡器电路的主要组成器件，改变三极管V4和三极管V5的静态工作点就可以改变多谐振荡器的工作频率，即要改变输出方波的宽度或占空比。三极管V2和三极管V3是调控三极管V4和三极管V5静态工作点的器件，如果三极管V2和三极管V3同时导通或截止，就会使三极管V4和三极管V5的工作频率提高或降低。但这里的三极管V2和三极管V3并不是同时导通或截止，而是互相朝着相反的方向改变。

因此三极管V4和三极管V5导通或截止的宽度也是互相朝着相反的方向改变，即多谐振荡器的工作频率或周期不变，只是占空比不断地改变。我们把图2这种脉宽调制电路称为双边脉宽调制电路。这种双边脉宽调制电路比一般的单边脉宽调制电路或既调宽又调频电路具有更大的脉宽调变范围，即调制度更大。

二极管D1、D2的作用也是为了提高脉宽调制度。如果没有D2(D1)，三极管V5(三极管V4)由导通变为截止的时候，由于电容C6(C5)需要通过电阻R17(R12)充电，三极管V5(三极管V4)集电极输出波形的上升时间会变得很长，这样会降低输出波形的幅度和工作频率。接入二极管D2(D1)之后就可以使三极管V5(三极管V4)集电极与C6(C5)的充电回路进行隔离，从而可以减少输出波形的上升时间和提高工作频率及脉宽调制度。

三极管V6是红外信号输出驱动电路，PD1、PD2是红外发光二极管。用两个(或多个)红外发光二极管的目的是减少红外接收的方向性。三极管V1是信号分相电路，把输入信号分成两路，之间相差180度。三极管V9、三极管V8、三极管V7是信号检测和控制电路，当没有输入信号时三极管V7导通，三极管V6截止且红外发光二极管PD1、PD2不工作。

图3是本发明第一实施例中无线音箱中的电路原理图。PD1为红外线接收二极管，三极管V1、V2、V3、V4组成脉冲信号放大电路，三极管V5、V6、V7、V8组成输出功率放大电路。由于不用考虑信号幅度饱和失真，所以电路中没有自动增益控制，但需要考虑大信号时电路会产生信号堵塞，因此D1、D2的作用就是为了防止大信号时电路出现堵塞。

如果没有D2，当大信号时三极管V3完全截止，三极管V3输出信号的正半周(宽脉冲)，电源通过R11、和三极管V4基极对电容C7充电，C7两端会产生积累电荷；到三极管V3输出信号负半周的时候，C7两端的积累电荷开始通过另一回路放电，但由于三极管V4的B-E结为反向不导电，使得C7放电回路的时间常数远大于充电回路的时间常数，这样经过几个脉冲信号周期以后，C7积累电荷将越来越多，最后将无法使信号通过，即产生堵塞。D2接入后，给C7提供一个快速放电回路，完全避免了大信号堵塞的现象。

D1的工作原理完全相同。三极管V1和三极管V2放大的信号幅度一般都很小，所以不需要考虑信号堵塞的问题。

D3、C9是自举电路，当三极管V5、三极管V6导通时把R15两端电压提高，给三极管V5、三极管V6提供足够的基极电流，让三极管V5、三极管V6能深度饱和导通，从而提高功率放大器的工作效率，和输出功率。

当三极管V5、三极管V6轮流导通和截止时，加到喇叭两端的电压是一个幅度基本相等，但宽度不同的正负方波。如果把喇叭等效成一个电感L，流过电感的电流就是一个个互相迭加的小锯齿波，其表达式为：

$i=\∫\frac{e}{L}\mathrm{dt}+I\left(0\right)---\left(1\right)$

即： $i=\frac{e}{L}t+I0---\left(2\right)$

式中e＝E(t)，即e为t的函数，幅值E不变，但符号来回变化，幅值就是输出方波的幅值，在图3中E的最大值约等于电源电压的二分之一(小于1/2)，I0是上一个方波结束时流过电感的电流，(2)式中前一项是锯齿波，E为正时表示上升，E为负时表示下降，方波越宽I0就越大。

如果以t0时刻I0等于0开始计算ti时刻的电流，则上面(2)式可变为：

$i=\frac{e}{L}\mathrm{\τ}1+\frac{e}{L}\mathrm{\τ}2+...+\frac{e}{L}\mathrm{\τi}---\left(3\right)$

式中τ为脉宽，τ1＝t1-t0，τ2＝t2-t1，后面依次类推。从(3)式可以看出，如果τi为奇数时e的幅度为正值，τi为偶数时e的幅度为负值，且如果τ(奇数)大于τ(偶数)，则流过电感(喇叭)的电流平均值是在上升(平均值为前后两项电流值之和的二分之一)；如果τ(奇数)小于τ(偶数)，则流过电感(喇叭)的电流平均值是在下降。这就说明流过喇叭电流的平均值与音频的输入波形基本一致，只是落后一个相位角。流过喇叭的电流波形见图4中所示。

但实际上喇叭并不是一个纯电感，喇叭在产生振动的同时也会产生机械阻尼运动，这相当于电感量也在不断变化(受磁场强度调制)，同时它还有电阻，因此喇叭可等效为一个电感与一个电容(电容的特性与电感相反)并联及和一个电阻串联。由于喇叭有电阻，加到电感两端的电压要降低(等于输出电压减去电阻压降)，因此流过电感的电流实际上不是按线性变化电流，而是按指数变化的电流。所以，流过喇叭的电流实际上与图4中所示的有一些差别，但它们的包络形状基本相同。

为了使加到喇叭上的电压包络基本和音频输入波形相同，也可以在图3的功率放大电路中加入滤波电路。由于脉宽电压波形的平均值变化曲线正好与音频输入波形相同，因此只需把输出波形的平均值取出即可得到音频信号，但这样喇叭的发音灵敏度会降低很多。带有滤波输出的功率放大电路如图5所示，图中电感L1和电容C9是滤波电路关键器件，正确选择它们的参数就可以输出一个与音频输入基本一致的电压波形。

由于图3、图5中功率放大电路电源电压的利用率很低，只有电源电压的二分之一，所以输出功率一般不大，输出功率大约只有20瓦左右。为了提高输出功率，可以选用图6所示的双电源电路。图6所示电路是一个桥式放大电路，理论上其输出功率可达图3、图5的16倍，这种功率放大电路可用于公共场所。

在本发明中，脉冲频率的选择和无线音箱的音量控制通过如下的方法来实现：

1、对于脉冲频率的选择

从图2的红外音箱脉宽调制电路可知，不管脉宽怎样变化，但脉冲信号的周期是不变的，即频率不变。从图4可以看出，调制电路的脉冲频率越高，输出信号的包络失真就越小。另外，调制占空比的余量越大，输出信号的包络的幅度失真就越小，当输入信号的幅度为最大时，调制占空比也应该为最大，此时图3中的三极管V4和三极管V5一个接近饱和(但不能完全饱和)，另一个接近截止(但不能完全截止)。调制占空比的最大值，受多谐振荡器的最窄脉宽(约1微秒)和最宽脉宽限制，最宽脉宽又受音频信号的最高频率限制，见图7。

图7是最高音频信号时的脉宽调制波形，由图7可以看出脉冲频率必须是音频信号频率的3倍以上才不会产生失真。因为现在一般电视机中音频信号的最高频率为10KHz，因此，调制电路的最低脉冲频率为30KHz，即周期为33微妙。如取最窄脉宽为3微妙，则调制度(最高输出电压与最低电压之比)正好为10倍，相当于20分贝(db)。

故，在本实施例中，红外音箱的主要指标为：音频最高频率为10KHz；峰值功率比大于20分贝(db)；调制脉冲频率大于30KHz；最窄脉宽小于3微秒。

2、对于红外音箱的音量控制

红外音箱一般不另设音量控制功能，当需要进行音量控制时，可用电视机遥控器的音量控制键来改变电视机中音频信号的输入幅度，即改变脉宽调制度。同时可以通过改变红外音箱功率放大器的工作电压来实现音量控制。

红外音箱功率放大器一般都用开关电源来供电，一方面开关电源输出电压容易调节，另一方面开关电源的工作频率一般都很高，即使输出电压有纹波，其产生的调制噪音人耳也听不到。如选用50周整流电源，会产生100Hz的交流调制声。

在特别情况下，红外音箱也可以设置音量调节旋钮或控制按键，调节音量的方法也是通过改变开关电源开关管导通或截止的占空比。为此，本发明可以采用一种输出电压调节范围较大的开关电源来对红外音箱的功率放大器来供电。调节开关电源电压输出也可以用红外遥控的方法来实现，需要在红外遥控器中安装有MCU编码器，在开关电源中安装有MPU译码器，同时，在另外的实施例中，该用于遥控开关电源的遥控器和遥控电视机的遥控器也可以共用同一个遥控器。

本发明无线音箱装置可与诸如DVD、PC等其他视听产品配合使用，同理需要在这些视听产品中设置如图1的左边部分的电路。在本发明中，由于无线音箱与电视机之间的联系，只是伴音信号通过红外线传输，它们之间基本是完全独立的，因此音箱的功率可以作得很大。

本发明的无线音箱的另一个特点是，音频信号通过脉宽调制来传输，接收信号不需要进行解调，可以直接进行放大，因此功率放大器不需要负反馈电路，完全克服了普通功率放大器的非线性失真和瞬态失真，以及饱和失真。并且功率放大电路完全工作在开关放大状态(丁类放大)，工作效率非常高(大于90％)，输出功率很大。

由于红外线音箱的功率放大器不存在饱和失真，所以功率放大器的工作电压可高可低，改变功率放大器工作电压就可以改变输出功率。通过改变功率放大器的工作电压就可以对音箱进行音量控制。

另外，由于无线音箱中流过喇叭的电流是超音频脉冲波，喇叭的振幅只是跟随电流脉冲波的平均值曲线作改变，因此喇叭的灵敏度非常高。

Claims (10)

1.一种与视听产品无线连接的无线音箱，该视听产品的音频信号首先经过音频放大电路放大，然后进行脉宽调制电路，由发光二极管输出红外信号，其特征在于：在该无线音箱上设有一个红外信号接收电路，该红外信号接收电路的后端依次连接有限幅放大电路及功率放大电路，该功率放大电路驱动该无线音箱的喇叭。

2.如权利要求1所述的无线音箱，其特征在于：在所述音频放大电路及红外输出电路之间还设有一信号检测电路及一输出控制电路。

3.如权利要求2所述的无线音箱，其特征在于：脉宽调制电路为一双边脉宽调制电路。

4.如权利要求3所述的无线音箱，其特征在于：在所述的功率放大电路的后端还设有至少一个用于防止大信号时电路出现堵塞的二极管。

5.如权利要求4所述的无线音箱，其特征在于：在所述的功率放大电路中进一步设有一个滤波电路。

6.如权利要求4所述的无线音箱，其特征在于：所述的功率放大电路为一个具双电源的桥式放大电路。

7.如权利要求1至6任一项所述的无线音箱，其特征在于：所述功率放大器采用开关电源进行供电，通过调节开关电源输出电压来改变红外音箱的输出功率。

8.如权利要求7所述的无线音箱，其特征在于：在所述无线音箱上进一步设有一个用于调节开关电源的开关管导通或截止的占空比的音量调节旋钮或控制按键。

9.如权利要求7所述无线音箱，其特征在于：进一步设有一个用于调节开关电源输出电压的遥控器，在该遥控器中安装有一编码器，而在所述开关电源中设有一与之对应的译码器。

10.如权利要求7所述的无线音箱，其特征在于：所述的调制脉冲频率至少为音频信号频率的3倍。

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