程控音频功率放大器

1、 程控音频功率放大器（A题）摘要： 本程控音频功率放大器由ATMEGA16为主控制器，前级由跟随器和两级运放组成，OCL功率放大部分用分立元件制作。设定功率初值后，通过DA转换，对电压控制，从而实现程控功率。该系统能够测量的音频信号频率范围为20Hz-22KHz，其幅度范围为10mV-1000mV（有效值）；在音频信号源的幅度和频率固定为某一值时，功率相对误差小于等于3%；其失真度小于等于3%时，输出功率大于等于7.5W，是理想的程控音频功率放大器的解决方案。关键词：ATMEGA16 OCL 程控 功率 Abstract: The program-controlled power amplif

2、ier is based on ATMEGA16 controller,it consists of voltage-follower and two stage of operational amplifier, OCL power amplifier is made up of discrete components. After setting power initial value, through the AD converter for voltage controlling, and then control power. The system can accurately me

3、asure the input audio signal frequency range of 20 Hz-22KHz, the amplitude range of 10mV-1V(rms). Both audio signal frequency and amplitude are definite value, power relative error .Output power when distortion . It is the ideal program-controlled power amplifier solution.Keyword: ATMEGA16 OCL Progr

4、am Power1方案论证与比较31.1 各级运放的比较与选择31.2 A/D转换芯片的比较与选择31.3 D/A转换芯片比较与选择42 系统设计42.1 总体设计42.2 单元电路设计52.2.1 前级阻抗匹配和放大电路设计5AD及DA转换控制、检测模块电路设计62.2.3 OCL分立元件电路设计72.2.4 发挥部分（其他）电路设计83 软件设计94系统测试104.1 功率测量（室温条件下）104.2失真度测量（室温条件下）115 结论11参考文献：11附录：12附1：元器件明细表12附2：仪器设备清单12附3：电路图图纸12附4：测试结果16附5：程序清单171 方案论证与比较1.1 各

5、级运放的比较与选择方案一、选用OP07OP07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。方案二、选用AD827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500MHz ( ±15V) ,输出电流为±5A 。但是设计时容易产生失调电压，结合题目要求，在此题中不适用。方案三、选用OPA2132OP2132具有高开环增益130dB(600欧)；低失真（0.00008%）；高速的转换速度

6、；可选单路、双路和四路放大，设计空间自由；宽带可达到8MHz，出色的共模抑制，抗干扰能力强；用于音频，数据采集和通讯方面。方案四、选用AD603 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R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输 出控制电压得来,从而实现较精确的数控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供超过20dB的增益,两级级联后即可得到40dB以上的增益

7、,通过后级放大器放大输出,在高频时也可提供超过60dB的增益。参考题目综合比较，选择由一片OP2132构成初级运放，两片AD603级联构成的次级放大电路。1.2 A/D转换芯片的比较与选择方案一、 采用ADC0832ADC0832是串行接口的8位A/D转换器，双通道A/D转换，输出输入电平与TTL/CMOS相兼容，接受05V 的模拟输入，在250KHz工作时，转换速度为32uS，功耗为15mW。方案二、采用MAX187 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（1.5uS），片内时钟，高速3 线串行接口

8、。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。1.3 D/A转换芯片比较与选择 方案一、采用D/A芯片AD7520D/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Vout=Dn×Vref/210,其中Dn为10位数字量输入的二进制值,

9、可满足210=1024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、采用12位串

10、行D/A转换芯片MAX531MAX531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<25s建立时间。速度、精度高于A/D7520。考虑到题目所要求，此方案最佳。2 系统设计2.1 总体设计根据题目的要求,采用单片机预置和控制放大器增益的方法,提高系统的精度和可控性；考虑到运放AD603的输入阻抗不大，需先使用跟随器；后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器,提高了输出电压有效值。采用环形变压器供电，电源为；音频输入信号电压幅度为10mV-1000mV，经过一个由集成运放构成的跟随器后，再经过AD603两

11、次电压放大。AD603的Vg(=V1-V2)，而增益 GAIN=40×Vg+20(dB),在AGC模式下,此控制电压Vg是由AGC电路的反馈电压得到,不受单片机控制；OCL功率放大部分用分立元件制作；负载为纯电阻，选用阻值为8欧姆的水泥电阻或者用康铜丝自制。通过按键预置功率初值并同时显示；AD603放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制。同时，经过12位AD转换得到数字信号，然后由Atmegal6进行测量、计算并与初值进行比较，然后进行显示。总体设计框架图集成运放Atmegal6DA转换器AD转换器负载电阻LCD显示按键OCL功率放大音频信号2.2 单元电路设计 前级阻抗匹配和

12、放大电路设计 信号输入后通过R7两个330Ohm的电阻和一个高精度仪表运放OPA2132实现跟随作用，由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为：R7=330Ohm。 在这道题目里，需要首先将信号接入跟随器，然后再进行两次放大，并且使用低压基准芯片MC1403与DA芯片MAX531之间产生电压差值，从而保证AD603工作正常。在这就要求在对小信号进行放大时，要尽可能少的引入信号的放大失真。正弦信号的理论计算失真度为零，对引入的信号失真非常灵敏，所以对信号的放大，运放的选择是个重点。我们选择的运放是ADI公司的AD603，一种低噪声、电压控制增益的新型运放,其传输带宽高达90MHz,增益最

13、高可达51dB,最低达-11dB.，其功能框架如下图所示。2.2.2 AD及DA转换控制、检测模块电路设计AD637属于高精度的单片真有效值/直流转换器，采用“平方取平方值开平方”运算，测量误差小于等于正负0.2%读数+0.5mV。通过AD637从输出端获得电压值，并传输给MAX187。MC1403是低压基准芯片，一般用作812bit的D/A芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。 12位串行DA转换器MAX531进行转换 12位串行AD转换器MAX187进行转换Atmegal6 输出数据 Atmegal6接收数据 OCL分立元件电路设计 Q1、Q3和Q4选用94002，组成利用Vb

14、e扩大电路进行偏置的互补对称电路Q2和Q5选择D1047和B817 发挥部分（其他）电路设计AD9851用于产生正弦波 3 软件设计主控制芯片为ATMEGA16,显示器件为LCD12864，采用c语言编程方便简单.软件流程图如下：主程序开始模块初始化键盘扫描按键按下YN显示结果符合要求NY通过键盘设定初值AVR单片机接收并且输出数据根据数据MAX531输出电压值MAX187检测电压值并输出数据YNAVR单片机接收并且比较数据与设定相同根据输入控制电压返回检测与比较输出功率 主流程图 循环比较图4 系统测试4.1 功率测量（室温条件下）有效值Vrms Vpp峰峰值 单位：mV频率F 单位：Hz测

15、试方法：按照比例抽取测试样品，测量三次后，取平均值（四舍五入）。Vrms1020501005001000Vpp28.2842756.56854141.4214282.84271414.2142828.427F单位：W单位：W单位：W单位：W单位：W单位：W207.27.37.27.37.47.5307.27.37.47.47.47.4407.37.37.37.67.57.5507.37.37.37.47.67.7607.27.47.47.37.27.6707.27.27.27.27.27.5807.27.37.27.17.27.1907.37.37.27.27.27.21007.37.47.4

16、7.17.27.22007.37.77.87.67.57.33007.47.77.87.77.87.74007.37.77.87.87.77.75007.47.77.77.87.87.76007.47.67.77.57.87.77007.47.77.87.77.77.78007.57.57.77.77.77.79007.67.87.87.77.77.71k7.77.87.77.77.77.72k7.57.87.77.87.77.53k7.67.77.87.87.67.44k7.57.77.77.47.77.75k7.77.77.87.77.77.76k7.77.87.87.77.87.77k7

17、.57.87.77.87.87.58k7.67.77.77.87.57.59k7.67.77.57.77.87.510k7.57.77.47.77.57.520k7.37.77.47.47.47.522k7.27.77.77.47.77.5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，能够较好的达到要求。4.2 失真度测量（室温条件下）功率P 单位：W 频率F 单位：Hz Vpp峰峰值 单位：mV测试方法：按照比例抽取测试样品，测量三次后，取平均值（

18、四舍五入）。F/Vpp P20Hz1414mV20Hz21mV20KHz1414mV20KHz21mV6W2.722.622.82.607W2.702.432.782.667.5W2.682.712.792.66 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，YB1639功率函数信号发生器产生信号，失真度测试仪型号为指针式的GAD-201G。但从数据上看，能够较好的达到要求。5 结论由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。参考文献：信号与系统，沈元隆 周井全编，北京：人民邮电出版社，2007年；C程序设计，谭浩强

19、著，北京：清华大学，2005年；电子技术基础-模拟部分，康华光编，北京：高等教育出版社，2006年；电子技术基础-数字部分，康华光编，北京：高等教育出版社，2006年；单片机原理及应用，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002 年；晶体管电路设计，铃木雅臣著，北京：科学出版社，2006年；ATmega16.pdf，PDF文档；附录：附1：元器件明细表1、 LCD128642、 89S51/523、 ATMEGA164、 AD6035、 AD6376、 OPA21327、 OPA6278、 MC14039、 MAX53110、AD985111、MAX187附2：仪器设备清单1、 信号发生器 2

20、、 五位半数字万用表 3、 失真度测量仪4、 数字示波器5、 稳压电源附3：电路图图纸 电源系统 前级跟随以及两级放大和DA转换 OCL功率放大部分12位串行AD转换器MAX187进行转换 Atmega16控制板AD9851用于产生正弦波51单片机控制板附4：测试结果有效值Vrms Vpp峰峰值 单位：mV频率F 单位：Hz测试方法：按照比例抽取测试样品，测量三次后，取平均值（四舍五入）。Vrms1020501005001000Vpp28.2842756.56854141.4214282.84271414.2142828.427F单位：W单位：W单位：W单位：W单位：W单位：W207.27.3

21、7.27.37.47.5307.27.37.47.47.47.4407.37.37.37.67.57.5507.37.37.37.47.67.7607.27.47.47.37.27.6707.27.27.27.27.27.5807.27.37.27.17.27.1907.37.37.27.27.27.21007.37.47.47.17.27.22007.37.77.87.67.57.33007.47.77.87.77.87.74007.37.77.87.87.77.75007.47.77.77.87.87.76007.47.67.77.57.87.77007.47.77.87.77.77.78

22、007.57.57.77.77.77.79007.67.87.87.77.77.71k7.77.87.77.77.77.72k7.57.87.77.87.77.53k7.67.77.87.87.67.44k7.57.77.77.47.77.75k7.77.77.87.77.77.76k7.77.87.87.77.87.77k7.57.87.77.87.87.58k7.67.77.77.87.57.59k7.67.77.57.77.87.510k7.57.77.47.77.57.520k7.37.77.47.47.47.522k7.27.77.77.47.77.5功率P 单位：W 频率F 单位：

23、Hz Vpp峰峰值 单位：mV测试方法：按照比例抽取测试样品，测量三次后，取平均值（四舍五入）。F/Vpp P20Hz1414mV20Hz21mV20KHz1414mV20KHz21mV6W2.722.622.82.607W2.702.432.782.667.5W2.682.712.792.66附5：程序清单AVR单片机部分：#include<iom16v.h>#include<math.h>#include<eeprom.h>#include"MAX531.H"#include"MAX187.H"#include&q

24、uot;LCD12864.H"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define S6K PORTD|=(1<<PD6) / 常闭为1, 1为6K; #define S100K PORTD&=(1<<PD6) / 0是100K#define ND PORTD&=(1<<PD7)#define DIV PORTD|=(1<<PD7)#define keypress() (PINC&0X1F)!=0X1Fdouble NowPower=300,Set

25、Power=300;/当前功率，设定功率long NowV531=1800,NextV531=1000; /当前531电压，预设电压uint V187; /读187电压uchar keycode=0;uint addnum=1;uchar fleg_enter=0; /0时是40Kuchar fleg_jidianqi=0;uchar R_fleg=0;long R=800;float DIV637=3.327;uchar AGCflag=0;uint count=0;/端口初始化void PORTinit()DDRA=0XFF;DDRD=0XDF;PORTD=0X0f;PORTC=0X1F;

26、DDRC=0X00;void delay(uint i)uint j=65535;for(;i>0;i-) for(;j>0;j-) ;uchar getkey()if(!(PINC&0X01)return(1);if(!(PINC&0X02)return(2);if(!(PINC&0X04)return(3);if(!(PINC&0X08)return(4);if(!(PINC&0X10)return(5);void main() uint r187data=0,i,j; double sed_gonglv=0; double out_go

27、nglv=0; unsigned long input;S6K; /为6KDIV; PORTinit(); lcd_init(); send_531_data(NowV531); WriteStr(0x80," 程控功放 "); WriteStr(0x90,"设定值为: W"); WriteStr(0x98,"输出功率 W"); while(1) for(i=50000;i>0;i-) r187data=read_187_data();NowPower=(double)r187data*DIV637)/10; /为U有效值out

28、_gonglv=(NowPower*NowPower)/1000; /V的平方 if(keypress() /如有键按下 keycode=getkey(); /取键值delay(4000); /消抖 while(keypress() ; /等待松开 switch(keycode) /键处理 case 1:fleg_enter=1; R_fleg=0; break; case 2:addnum*=10; break; case 3: if(R_fleg) R-=addnum; else SetPower-=addnum; break; case 4: if(R_fleg) R+=addnum;

29、else SetPower+=addnum; break;case 5:R_fleg=1;break; if(addnum=10000|addnum=0) addnum=1;if(SetPower>9999) SetPower=0; keycode=0;if(R_fleg) WriteStr(0x90,"设定电阻: ");SendUint(0x95, R); SendUint(0x8d, addnum); if(R_fleg=0) WriteStr(0x90,"设定值为: W"); SendUint(0x95, SetPower); SendUin

30、t(0x8d, addnum); count=0; /AGCflag=1; SendUint(0x9d, (out_gonglv*1000)/R);if(AGCflag) break;if(AGCflag=1) S6K; send_531_data(2000);r187data=read_187_data();NowPower=(double)r187data*DIV637)/10;if(NowPower<=40) for(j=10;j>0;j-); S100K;S100K;S100K;fleg_jidianqi=1; if(fleg_enter=1) while(AGCflag)

31、 r187data=read_187_data();NowPower=(double)r187data*DIV637)/10; /为U有效值 sed_gonglv=(SetPower*R)/1000; /P*R out_gonglv=(NowPower*NowPower)/1000; /V的平方if(fabs(sed_gonglv-out_gonglv)<2) /精度 if(count=45) NextV531=NextV531-1; send_531_data(NextV531); AGCflag=0; count+; if(fabs(sed_gonglv-out_gonglv)>

32、;=2) if(sed_gonglv>out_gonglv) NextV531+; for(j=10;j>0;j-); send_531_data(NextV531); if(sed_gonglv<out_gonglv) NextV531-; for(j=10;j>0;j-); send_531_data(NextV531); fleg_enter=0; fleg_jidianqi=0; SendUint(0x9d, (out_gonglv*1000)/R); 51单片机部分#include <reg52.h>#include <intrins.h>#include <stdio.h> #include <12864.h># include "key.h"#include &qu