程控音频OCL-功率放大器.doc

武汉理工大学学科基础课群课程设计报告课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 撒继铭 工作单位： 信息工程学院 题 目: 程控音频OCL功率放大器 初始条件：1. PROTEL、 EWB、MULTISIM、MATLAB等软件; 2.通信原理、微机原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电磁场与电磁波等学科基础知识要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下要求：1) 失真度3%时，输出功率P07.5W；2) 频率响应为(2022000)Hz；3) 在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输出功率，并实时测量、显示输出功率，显示的输出功率(Ps)与设定功率(Pg)的相对误差。时间安排：序号阶段内容所需时间1方案设计2天2硬件设计3天3软件设计3天4系统仿真2天系统调试3天答辩1天合 计14天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们尽快开发出高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应该具有输出功率可程序控制和失真度低的特点。OCL 功放电路采用双电源供电方式，输出端直流电位为零，由于没有输出电容，低频特性很好，扬声器一端接地，一端直接与功放输出端相接。单片机具有功耗低、功能强和可在线编程控制等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。本设计将单片机与音频OCL 功率放大器结合起来，设计了一款新颖的程控音频OCL 功率放大器。本程控音频OCL 功率放大器用单片机作为主控制器，通过数字电位器X9313对信号增益进行调整，准确控制OCL 输出功率。并且采用AD637 实现了显示实际输出功率。在交流信号输入端短路接地时，可使得输出端交流信号小于3 ;频率响应在（2022000）Hz 范围内，实现了输出信号无失真。关键词：OCL 功放， AD637， 程控。AbstractThe programme-controlled Audio OCL power amplifier is basedon a MCU controller. It can control output power of OCL nicety bydual digital potentiometer X9313. And realized the display of realoutput power by AD637. When a short circuit is caused at AC signalinput port , the output AC signal is lower than 2 .And outputsignal is not distortion between 20 to 22000Hz.Keywords: OCL Power Amplifier， AD637， Programme-controlled.目录摘要21 设计方案选择41.1增益控制方案的比较与选择41.2 A/D 转换方案的比较与选择51.3 有效值检测方案的比较与选择51.4 显示方式的设计方案的比较与选择51.5 电源模块的设计方案的比较与选择61.6 单片机的选择62 系统设计62.1 总体设计62.2 单元电路设计72.2.1 增益调整模块 72.2.2 OCL 电路模块82.2.3 过载保护模块92.2.4 真有效值测量模块92.2.5 A/D 转换模块 102.2.6 LCD12864 显示模块122.2.7 电源模块 122.2.8 单片机控制电路 132.3 小结 143 软件设计 153.1软件流程图153.2 部分程序 164 心得体会 265 参考文献 271 设计方案选择设计要求：（1）任务设计一个功率可程控、有输出功率显示的OCL音频功率放大器电路。后级OCL功率放大部分用分立元件制作，供电电源为15V，输入信号电压幅度为(101000)mVrms，负载为为8欧电阻。其结构框图如下图所示。（2）要求用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下要求：1. 失真度3%时，输出功率P07.5W；2. 频率响应为(2022000)Hz；3. 在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输出功率，并实时测量、显示输出功率，显示的输出功率(Ps)与设定功率(Pg)的相对误差。根据要求，进行如下的方案选择。1.1 增益控制方案的比较与选择方案一：根据运放增益 Av=Rf/R1 改变Rf或R1均能改变增益。但由于增益开关电阻的变化，会影响整个系统的精度，切换过程出现反馈回路的瞬间开路，能使运放进入暂时饱和状态而影响速度。方案二：使用非易失性数字电位器X9313 控制运放的增益，编程简单，容易操作控制，成本低廉。方案三：使用程控增益调整功能芯片AD603，能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。常用于自动化程度要求较高的系统中，但芯片价格昂贵。综合以上方案，我们选择方案二，X9313 控制运放的增益。1.2 A/D 转换方案的比较与选择方案一：按照接口类型的不同可以将A/D 转换器分为串行输出和并行输出。并行转换器的转换速度快，但占用I/O 多。串行转换器输出建立时间相对于并行转换器稍长，但芯片与CPU 连接时使用引线少、电路简单、功耗低、成本低。方案二：按照数字量的位数可以分为8 位、10 位、12 位、16 位等精度的转换器，位数越大分辨率越大，但相应的成本也越高。综合两个方案的优点，本设计采用Maxim 公司的12 位串行输出型A/D 转换器MAX187。1.3 有效值检测方案的比较与选择方案一：根据A/D 转换的获得电压平均值V，正弦波的有效值与平均值的关系可求出有效值，但它仅适合测量无失真的正弦波,若波形存在失真,或者被测量对象为非正弦波则会产生测量误差，转换方法精度不高。方案二：，根据真有效值（TRMS）原理，借助TRMS/DC 转换器对输入电压进行“平均取平均值开平方”运算，就能获得交流电压的真有效值。真有效值转换芯片AD637 是高准确度的单片真有效值/直流流转换器,测量误差(0.2%计数+0.5mV),能计算任何复杂的波形的有效值、平均值、均方值和绝对值,具有分贝输出.比较两种方案，我们选择方案二，使用AD637 直接获得输出真有效值。1.4 显示方式的设计方案的比较与选择方案一：采用LED 数码管显示。如果需要显示的内容较多，过多增加数码管进行轮流显示则控制复杂，此外，数码管需要较多连线，电路复杂，功耗比较大。方案二：采用带字库的液晶模块LCD 显示。可以显示字符、图片，利用单片机直接驱动液晶显示模块，设计简单，且显示界面宽大美观舒适，耗电小。综上所述，本设计选择方案二，采用LCD 实时显示输出功率等。1.5 电源模块的设计方案的比较与选择方案一：用MC34063 芯片将3V 电池电压进行直流斩波调压，得到5V 和15V 的稳压输出。减小系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法保证系统长期稳定运作。方案二：采用环形变压器，漏磁小，振动噪声小，无需另加屏蔽层来屏蔽电磁干扰，适合用在高灵敏度和易受高频影响的电子设备上。三端固定稳压器获得5V 和15V 电源，电路经过进行扩流，另外输出用大容值电容滤掉高频成分，这样就可以获得一个纹波系数非常小、电流大、电压稳定的电源。综上所述，由于本设计对电源要求非常严格，所以选择方案二，采用环形变压器三端稳压扩流电路。1.6 单片机的选择本设计选用AT89C51芯片作为控制器。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2 系统设计2.1 总体设计经过以上方案的比较和论证，最终确定的系统组成框图如图2.1 所示。单片机控制数字电位器改变运放增益后，信号输入到OCL 功率放大电路，OCL 电路采用运算放大器和大功率对管构成的功率放大电路，负载端经过TRMS/DC 电路可直接检测出负载的有效值，再经过12 位的A/D 转换输出,可以计算出设定功率和实际输出功率和相对误差。图 2.1 系统组成框图2.2 单元电路设计2.2.1 增益调整模块X9313 是32 抽头，包含有31 个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和三个端点都可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由CS、U/D 和INC三个输入端控制。滑动端的位置可以被贮存在一个非易失性存储器中在下一次上电工作时可以重新调用。X9313 的分辨率等于最大电阻值除以31。图中信号经过跟随器，数字电位器控制运放的增益。X9313的引脚图如下：图2.2 X9313引脚图图2.3 增益调整模块电路2.2.2 OCL 电路模块（1）关于 OCL功率放大器OCL：英文Output Capacitorless的缩写，意为没有输出电容。所以OCL功率放大器就是输出端没有输出电容的功率放大器。 OCL 功率放大器的特点是：双电源供电、不需输出电容、频率特性好、可以放大慢变化的信号。（2）电路模块分立元件构成的低频功率放大器电路可分为输入级、功率激励级和OCL 输出级三部分。采用低噪优质运放NE5532 和大功率音频功率对管2SA1943/2SC5200组成的音频功率放大器，NE5532 的作用是电压驱动激励级，功率对管的作用是OCL 功率放大，调整滑动变阻器使2SA1943/2SC5200 的静态电流使其处于正常工作状态，二极管1 和2 的作用是给输出级提供偏置电压，让输出级始终有静态电流通过，防止交越失真。配合负反馈的作用，运放静态输出电压被嵌在0.7V左右，有效减少运放的小信号失真。根据设计要求，输出端的负载阻抗RL=8.图2.3 OCL模块电路仿真结果为：电路运用multisim进行仿真，输入的正弦信号，通过OCL放大电路之后，得到了放大，不过出现了轻微的是真，为了减少放大电路的失真，设计了过载保护电路，以使音频放大电路能够正常工作。过载保护电路如下。2.2.3 过载保护模块开机时，电源接通，功率放大器加上电，但电压控制开关未吸合，功率放大器无输出。这样可防止功率放大器在上电瞬间因电压建立不平衡而引起开机冲损坏负载和功放。C37通过电阻充电，电容充电结束Q5截止,Q6导通，开关吸合，功率放大器有输出。若输出过载，即输出电压平均值超过保护设定值时，则D3导通,Q7，Q5导通， Q6截止，开关释放，同时C37放电。当输出降低后，Q7截止，Q5 继续导通；当C37充电结束后，Q5截止，Q6导通，开关吸合，装置重新输出。C38是为了吸收个别尖峰脉冲起滤波作用， R24用于设定保护电压本电路可以有效地保护负载不过载，对功率放大器也有一定的保护作用。图2.8 过载保护电路2.2.4 真有效值测量模块真有效值检测电路采用集成真有效值变换芯片AD637，直接输出被测复杂信号的真有效值。AD637 可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5%，且外围元件少，频带宽。对于一个有效值为2V 的信号，它的3dB 带宽为8MHz，并且可对输入信号的电平以dB 形式指示。AD637的引脚图如下：图2.4 AD637引脚图图2.5 真值有效测量模块电路2.2.5 A/D 转换模块MAX187 使用采样/保持（T/H）和逐次逼近寄存器（SAR）电路来转换模拟量至12 位数字量输出。T/H 不需要外部保持电容。MAX187 有一个片内基准并有温度补偿能隙（bandgap）二极管，保持精度为4.096V0.5%。其输出接至REF同时也驱动内部DAC。输出可以用作一个其他器件的基准电压源并能提供0.6mA。通过接一个4.7uF 的电容来减弱REF 上的振动。4 脚为参考端接一个10F 的电容，这是使用内部4096 V 参考电压方式。输入模拟信号的电压范围为04096 V，如模拟输入电压不在这个范围要外加电路进行电压范围的变换。MAX187引脚图如下：图2.6 MAX187引脚图图2.7 A/D转换电路2.2.6 LCD 显示模块采用带字库的点阵图形液晶模块LCD12864，可以显示汉字、字符和图形，功耗很低，显示效果直观。图2.9 显示电路2.2.7 电源模块电路经过TIP41/TIP42 进行扩流，另外输出用大容值电容滤掉高频成分，在四个整流二极管两端各并联一个0.01F 的瓷片电容,这样就可以获得一个纹波系数十分微小小、电流大、电压稳定的电源。图2.10 电源电路2.2.7 单片机控制模块采用AT89C51芯片控制电路，其引脚图如下：控制电路如下图图2.11 控制电路2.3 小结 通过各单元模块的设计，程控音频OCL功率放大器电路满足如下要求：1失真度3%时，输出功率P07.5W；2频率响应为(2022000)Hz；3在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输出功率，并实时测量、显示输出功率，显示的输出功率(Ps)与设定功率(Pg)的相对误差。3. 软件设计3.1软件流程图3.2 部分程序1.数字电位器x9313的C52程序 /=/ X9313 数字电位计驱动程序/硬件连接: INCP00;/ UD P01;/ CS P02;/ VDD-逻辑电源(+5V)/ VSS-GND(0V)/X9313.c/writer:谷雨 2008年8月2日于EDA实验室/说明： X9313当设置其划向最大或者最小时，不会循环回复/=#include /STC单片机头文件#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char/*修改硬件时要修改的部分*sbit INC=P00; /加/减计数脉冲输入端sbit UD=P01; /加/减计数控制端，高电平时加法计数，低电平时减法计数sbit CS=P02; /片选输入端，低电平有效/=/ 函数名称 ：void X9313_set(uchar res,uchar ud)/ 函数功能 ：设置X9313数字电位计的滑动方向以及滑动幅度/ 入口参数 ： res 131 滑动的幅度 res每增加1,电位器电阻增加或减少10/31K/ ud 0 1 滑动方向 0:向低端滑动 1:向高端滑动/ 出口参数 ：无/=void X9313_set(uchar res,uchar ud)uchar i; switch(ud) case 0:UD=0; break; /U/D=0,向低端滑动 case 1:UD=1; break;/U/D=1,向高端滑动 default:break; CS=0; /片选有效 for(i=0;ires;i+) INC=1; _nop_(); INC=0; _nop_(); INC=1; _nop_(); CS=1; /片选无效/=/ 函数名称 ：int main(void)/ 函数功能 ：主函数，无实际意义,仅测试9313用/ 入口参数 ：无/ 出口参数 ：无/=void main(void) X9313_set(31,0);/覆盖原来数据,使电位器从最低端开始 X9313_set(31,1); while(1);/经实验表明：X9313内部可滑动31次，大于31时等效31；小于零时等效为零；/*/12864 程序/*/*检查LCD 忙状态*/*lcd_busy 为1 时，忙，等待。lcd-busy 为0 时,闲，可写指令与数据。*/* */*/bit lcd_busy()bit result;rs = 0;wr = 1;lcden = 1;delay1ms(5);result = (bit)(P2&0x80);lcden = 0;return(result);/*/* */*写指令数据到LCD */*RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码。*/* */*/void wr_com(uchar cmd)17while(lcd_busy();rs = 0;wr = 0;lcden = 0;_nop_();_nop_();P2 = cmd;delay1ms(5);lcden = 1;delay1ms(5);lcden = 0;/*/* */*写显示数据到LCD */*RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据。*/* */*/void wr_data(uchar dat)while(lcd_busy();rs = 1;wr = 0;lcden = 0;P2= dat;delay1ms(5);lcden = 1;delay1ms(5);lcden = 0;void clear()wr_com(0x01); /清屏wr_com(0x34);wr_com(0x30);2.LCD控制程序：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define Delay4us()_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();sbit LCD_RS=P26;sbit LCD_RW=P25;sbit LCD_EN=P27;sbit SCL=P20; /I2C时钟引脚sbit SDA=P21; /I2C数据输入输出引脚uchar Recv_Buffer4; /数据接收缓冲uint Voltage=0,0,0,0; /数据分解为电压x.xxbit bdata IIC_ERROR; /I2C错误标志位uchar LCD_Line_1= . W ;/延时void delay(int ms)uchar i;while(ms-) for(i=0;i250;i+) Delay4us();/LCD忙检测bit LCD_Busy_Check()bit Result;LCD_RS=0;LCD_RW=1;LCD_EN=1;Delay4us();Result=(bit)(P0&0x80);LCD_EN=0;return Result;/写指令void LCD_Write_Command(uchar cmd)while(LCD_Busy_Check();LCD_RS=0;LCD_RW=0;LCD_EN=0;_nop_();_nop_();P0=cmd;Delay4us();LCD_EN=1;Delay4us();LCD_EN=0;/ 写数据void LCD_Write_Data(uchar dat)while(LCD_Busy_Check();LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_EN=0;P0=dat;Delay4us();LCD_EN=1;Delay4us();LCD_EN=0;/初始化void LCD_Initialise()LCD_Write_Command(0x38);delay(5);LCD_Write_Command(0x0c);delay(5);LCD_Write_Command(0x06);delay(5);LCD_Write_Command(0x01);delay(5);/设置显示位置void LCD_Set_Position(uchar pos)LCD_Write_Command(pos|0x80);/显示一行void LCD_Display_A_Line(uchar Line_Addr,uchar s)uchar i;LCD_Set_Position(Line_Addr);for(i=0;i16;i+)LCD_Write_Data(si);/ 将模数转换后得到的值分解存入缓存void Convert_To_Voltage(uchar val)uchar Tmp; /最大值为255,对应5V,255/5=51Voltage2=val/51+0; /整数部分Tmp=val%51*10; / 第一位小数Voltage1=Tmp/51+0;Tmp=Tmp%51*10;Voltage0=Tmp/51+0;/启动I2C总线void IIC_Start()SDA=1;SCL=1;Delay4us();SDA=0;Delay4us();SCL=0;/停止I2C总线void IIC_Stop()SDA=0;SCL=1;Delay4us();SDA=1; Delay4us();SCL=0;/ 从机发送应答位void Slave_ACK()SDA=0;SCL=1;Delay4us();SCL=0;SDA=1;/ 从机发送非应答位void Slave_NOACK()SDA=1;SCL=1;Delay4us();SCL=0;SDA=0;/发送一字节void IIC_SendByte(uchar wd)uchar i;for(i=0;i8;i+) /循环移入8位SDA=(bit)(wd&0x80);_nop_();_nop_();SCL=1;Delay4us();SCL=0;wd=1;Delay4us();SDA=1; /释放总线并准备读取应答SCL=1;Delay4us();IIC_ERROR=SDA; /IIC_ERROR=1表示无应答SCL=0;Delay4us();/接收一字节uchar IIC_ReceiveByte()uchar i,rd=0x00;for(i=0;i8;i+)SCL=1;rd=1;rd|=SDA;Delay4us();SCL=0;Delay4us();SCL=0;Delay4us();return rd;/连续读入4路通道的A/D转换结果并保存到Recv_Buffervoid ADC_PCF8591(uchar CtrlByte)uchar i;IIC_Start();IIC_SendByte(0x90); / 发送写地址if(IIC_ERROR=1)return;/ IIC_SendByte(CtrlByte); /发送控制字节/if(IIC_ERROR=1)return;IIC_Start(); /重新发送开始命令IIC_SendByte(0x91); / 发送读地址if(IIC_ERROR=1)return;IIC_ReceiveByte(); /空读一次,调整读顺序Slave_ACK(); /收到一字节后发送一个应答位for(i=0;i4;i+)Recv_Bufferi+=IIC_ReceiveByte();Slave_ACK(); /收到一个字节后发送一个应答位Slave_NOACK();IIC_Stop(); /收到一个字节后发送一个非应答位/ 向 PCF8591发送1字节进行AD转换/主程序void main()LCD_Initialise();while(1)