毕业论文-基于at89s52的程控音频功率放大器

梧州学院毕业论文完整源代码及整套相关文件QQ68661508，完整电路设计图纸，程序设计源代码请联系本人，参见豆丁备注和信息。HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219论文题目基于AT89S52的程控音频功率放大器系别计算机与电子信息工程系专业电子信息工程班级三班学号学生姓名指导教师（签名）完成时间2009年5月摘要本课题以AT89S52为主控制器，采用一种低噪声、电压控制增益的运放AD603，进行程控增益调整，以单片机AT89S52控制D/A转换器（MAX531）改变运放增益后，信号输入到LM1875进行功率放大，负载经AD637可直接检测出负载的有效值，再经过12位的A/D（MAX187）转换输出，通过D/A对电压控制，从而实现程控音频功率放大的目的。该系统能够测量的音频信号频率范围为10HZ20KHZ，其幅度范围为；在音频信号源的幅度和频率固定为某一值时，功率相对误差MVRS10小于等于3，输出功率小于等于8705W，是理想的程控音频功率放大器的解决方案。本文详细论述了系统自上而下的设计方法及各部分硬件电路组成及单片机的软件编程设计，并进行了仿真分析和硬件实现，达到了预期的效果。关键词AT89S52程控功率AD637AT89S52BASEDONTHEPROGRAMCONTROLLEDAUDIOPOWERAMPLIFIERABSTRACTAT89S52BASEDISSUESTOTHECONTROLLER,USINGALOWNOISE,VOLTAGECONTROLLEDGAINOPAMPAD603,PROGRAMMABLEGAINTOADJUSTTOSINGLECHIPAT89S52CONTROLD/ACONVERTERMAX531TOCHANGETHEOPAMPGAIN,THESIGNALINPUTFORTHELM1875POWERAMPLIFIER,AD637THROUGHTHELOADCANBEDIRECTLYDETECTEDINTHERMSLOAD,ANDTHENAFTERA12BITA/DMAX187CONVERTEROUTPUTTHROUGHD/AVOLTAGECONTROLPROGRAMINORDERTOACHIEVETHEPURPOSEOFAUDIOPOWERAMPLIFIERTHESYSTEMCANMEASURETHEAUDIOSIGNALFREQUENCYRANGEIS10HZ20KHZ,FORITSRANGEATTHESOURCEOFAUDIOSIGNALAMPLITUDEANDFREQUENCYFORAMVRS10FIXEDVALUE,THEPOWERRELATIVEERRORLESSTHANOREQUALTO3,OUTPUTPOWERLESSTHANOREQUALTO8705W,ISTHEIDEALPROGRAMCONTROLLEDAUDIOPOWERAMPLIFIERSOLUTIONTHISARTICLEDISCUSSESINDETAILTHESYSTEMTOPDOWNDESIGNMETHODSANDSOMEOFTHEHARDWARECIRCUITANDSCMSOFTWAREDESIGN,ANDCARRIEDOUTASIMULATIONANALYSISANDHARDWAREIMPLEMENTATIONTOACHIEVETHEDESIREDRESULTSKEYWORDAT89S52PROGRAMMECONTROLLEDPOWERAD637目录第一章前言1第二章总体方案的设计221增益控制方案的比较与选择222A/D转换方案的比较与选择223D/A转换芯片比较与选择324有效值检测方案的比较与选择325显示方式方案的比较与选择3第三章系统设计531总体设计532单元设计5第四章软件设计1941概述1942主程序结构1943主程序19第五章系统测试2651D/A及A/D电路处理2652功率测量（室温条件下）2653失真度测量（室温条件下）27第六章总结29参考文献30附录31附录1元件明细表31附录2PCB图31致谢33第一章前言伴随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，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越来越高，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。由于A类放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。由于效率比较低，现在设计基本上不再使用。B类放大器效率较高78，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真“较大。即当信号在06V06V之间时，Q1Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。LM1875音频功放芯片工作于甲乙类放大状态，LM1875外围元件少，性能优异，具有频率响应宽和速度快，在标准工作电压下能获得30的平均功率，在芯片内部内置了多重保护电路，这款芯片被广泛应用于各种多媒体音箱的生产当中，具有体积小，输出功率大、失真小等特点。在多媒体音箱领域，采用了国家半导体正品LM1875的音箱大多为一代经典产品。第二章总体方案的设计21增益控制方案的比较与选择方案一根据运放增益，改变或均能改变增益。但由于增益开1RAFVF1R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。方案三以AD827高速运放为基础设计的高速、高精度、低漂移、宽频带偏转放大器,其开环增益优于130DB。单位增益带宽达500MHZ15V,输出电流为5A。但是设计时容易产生失调电压，在此设计中不适用。方案四根据题目对放大电路的可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，如运放AD603。其内部由R2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减是由加在增益控制接口的参考消息电压决定；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。常用于自动化程序要求较高的系统中。综合以上方案，本设计选择方案四，AD603控制运放的增益。22A/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MAX187是串行12位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受05V的模拟输入。MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（15US），片内时钟，高速3线串行接口。MAX187转换速度为75KSPS。通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。MAX187有内部基准，优异的AC特性和极低的电源消耗，同时及其容易的使用和较小的封装尺寸使得MAX187能理想的应用于远程DSP和传感器，或者应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。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。23D/A转换芯片比较与选择方案一D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片,其输出VOUTDNVREF/210,其中DN为10位数字量输入的二进制值,可满足2101024挡增益调节。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成,具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点,故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。但由于AD7520对输入参考电压VREF有一定幅度要求,为使输入信号在MVV每一数量级都有较精确的增益,最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整,再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为1024,与AD7520的衰减分母抵消,即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求,具体实现起来比较复杂,而且转化非线性误差大,带宽只有几KHZ,不能满足频带要求。方案二MAX531内部自带基准参考电压，MAX531只需3根串行线与CPU接口，当时钟频率为877KHZ时，传送12位数据DA转换输出只需4AOUT_VALUEDA_L4CHARA4CS5310FORI0I8ICLK5310DELAY1MS1IFDA_H8ELSEDIN5310CLK5311DA_H81FORI0I4ICLK5310DELAY1MS1IFDA_L4ELSEDIN5310CLK5311DA_L41CS5311433A/D转换程序MAX187有2种操作模式正常模式和休眠模式,将置为低电平进入休眠模式,这时的电流消耗降到10A以下。置为高电平或悬空进入正常操作模式13。MAX187工作时序图如下图43图43MAX187时序图A/D转换的工作过程是当CS为低电平时,在下降沿MAX187的T/H电路进入保持状态,并开始转换,85S后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出,读入单片机中处理。数据读取完成后将CS置为高电平。要注意的是在CS置为低电平启动A/D转换后,检测到DOUT有效或者延时85S以上,才能发SCLK移位脉冲读数据,SCLK至少为13个。发完脉冲后应将CS置为高电平11。转换程序如下UNSIGNEDINTMAX187READUCHARL,IUINTHMAX187_CS0/低电平有效,开始转换FORI0I8I/延时85等待转换结束_NOP_MAX187_SK0MAX187_SK1MAX187_SK0H0/高位变量清零FORI0I4I/高4位MAX187_SK1IFMAX187_DOH/位标量,如为1则H加1,如为0则跳过MAX187_SK0IFI3H1L0FORI0I8I/低8位MAX187_SK1IFMAX187_DOL/位标量,如为1则L加1,如为0则跳过MAX187_SK0IFI7L1DELAY1MS1MAX187_CS1COUN0COUNH8LRETURNCOUN434显示程序VOIDWR_COMUNSIGNEDCHARCOM/写状态字/DELAY1MS3RS0RW0EN0P0COMDELAY1MS3EN1DELAY1MS3EN0VOIDWR_DATUNSIGNEDCHARDAT/写数据/DELAY1MS3RS1RW0EN0P0DATDELAY1MS3EN1DELAY1MS3EN0VOIDLCD_INIT/初始化设置/DELAY1MS15WR_COM0X38DELAY1MS5WR_COM0X08DELAY1MS5WR_COM0X01DELAY1MS5WR_COM0X06DELAY1MS5WR_COM0X0CDELAY1MS5VOIDDISPLAYUNSIGNEDCHARP/显示/WHILEP0WR_DATPPDELAY1MS1INIT_PLAY/初始化显示WR_COM0X80DISPLAYSTR2/显示SETBWR_COM0XC0DISPLAYSTR3/显示OUTPWR_COM0X85WR_DATWORDBUF0/显示千位WR_COM0X86WR_DATWORDBUF1/显示百位WR_COM0X87WR_DATWORDBUF2/显示十位WR_COM0X88WR_DATWORDBUF3/显示个位第五章系统测试系统在硬件设计和软件编程完成后进入调试阶段，本设计可现实在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以通过键盘设置，并实时测量、显示输出功率。51D/A及A/D电路处理D/A是将数字量转换为模拟量供给运放进行电压放大去改变场效应功率管基极电压从而改变场效应功率管的导通状态。所以D/A值的精确度直接影响输出的电流，所以在D/A信号输出到运放之间应该使信号（即电压）损耗达到最小，使得输进运放的电压值即为用户输入的数值。这样才能很好的控制场效应功率管的导通状态。A/D与D/A刚好相反，即是将模拟量转换为数字量。采样电路采样输出电压值，经A/D转换为数字量供给单片机与用户设定的限压值进行比较，如果超过限压值则启动报警系统，提醒用户采取措施。和D/A一样，为了使信号（即电压）损耗达到最小，从输出端到采样系统到A/D信号输出端的路线要尽量短。同时，因为信号传输过程中可能会有波动，所以一定的滤波措施是很有必要的。在A/D中如果不采取任何措施，则采样回来的电压值会有很大的跳动，以至于把数字量显示出来时用户无法看清数据值。所以在电路中加入了滤波电容，大大改善了A/D采样值的跳动情况12。52功率测量（室温条件下）有效值VRMSVPP峰峰值单位MV频率F单位HZ表51功率测量VRMS1003005009001000VPP282884841414254522828F单位W单位W单位W单位W单位W300603567626765729279835006634676271548192840370067616762749184988632900676668607667844986681K669766337774859586682K696468278055859586683K719466008263859586684K715566658348859586685K695466658557859586326K692467308717859587057K686167628717859587058K6864667958718859587059K6865679586358595870510K6864679586348595870520K68926827837485228705结果分析由于实验室提供的能够模仿音频信号的且能方便测量的信号只有正弦信号，所以使用YB1639功率函数信号发生器产生信号，然后使用IWATSU示波器进行测量，发现通过一定比例的公式计算后，因电压是实时改变的，而电压最终经过A/D转换后，实时改变，用软件使功率，所显示的功RUP2率所有跳变很快，为了降低跳变频率，用软件来控制，取平均值，使得所显示的功率相对稳定。53失真度测量（室温条件下）表52失真度测量第六章总结毕业设计终于做完了。在这个过程中，我学会了很多东西。可以说比以前任何时候学到的东西都要多和实际。过去，这样自己动手的机会很少，大多是潜心于理论上的学习，很脱离实际，当时觉得自己好像懂了。但当自己真正动手做了才知道理论和实际还是相差很远的，即使理解透的理论也并不一定能够马上用于实践，这还取决于平时积累的实际经验。有了丰富的实际经验才知道如何可以更好地运用理论知识。首先，通过自己设计硬件电路，积累了一些常用的硬件模块电路。比如，单片机的复位电路，显示电路，键盘矩阵等，这些在今后便可直接用了。其次，在调试过程中总结出了一些基本的调试方法，这在今后都是受益无穷的。而在软件调试时，原先认为，事先按照逻辑推理编写的程序基本上是没问题的，当自己实践后才明白，软件调试也是一件很费神的事，需要反复调试和运行才能发现问题，从而解决问题，不断完善软件。最后经过多次测试，本系统运行效果良好，达到了预期的设计指标。同时也积累了将过程监测系统应用于生产实际的丰富经验。此外，本系统无论是在硬件上还是在软件上都留有很大的扩展余地。本系统可以实现以下功能1在输入交流短路接地，输出端交流信号112MVPP,远远低于题目要求；2频率响应为（1020000）HZ范围内无失真；3输出功率最大8705W；4在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以实时测量、显示输出功率。本系统的不足之处在于1在设计本系统时，由于时间太紧，没有更好的完善些设计。2本系统没能直接能过键盘设置输出功率，从而无法直接在显示屏上直观看出相对误差。3由于经验不足，能力有限，没能让功率很稳定地显示在显示屏上。4希望在以后的学习工作过程中进一步完善此设计。参考文献1赵广林常用电子元器件识别/检测/选用以读通电子工业出版社，20077，64922黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计北京航空航天大学出版社，200804，15503黄智伟全国大学生电子设计竞赛电路设计北京航空航天大学出版社，200804，25474无线电杂志社无线电2007年合订本（上）人民邮电出版社，200801，14165MAXIMCOMPANYMAX187DATASHEETZ,19936MAXIMCOMPANYMAX531DATASHEETZ,19937胡汉才单片机原理及接口技术M北京清华大学出版社,2004，493678HTTP/BAIKEBAIDUCOM/VIEW/1871999HTM19玲木雅臣晶体管电路设计（上）放大电路技术的实验解析科学出版社，200409，10312010阎石数字电子技术基础高等教育出版社，200645649211康华光电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版一，2006，32540312胡斌等放大器电路识图