程控音频OCL功率放大器.docx

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程控音频OCL功率放大器

题目:

程控音频OCL功率放大器

（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（10~1000）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P0≥7.5W；

2）频率响应为（20~22000）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）说明

1．设计报告必须包括建模仿真结果。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

程控音频OCL功率放大器

目录

摘要1

Abstract2

1实验原理3

1.1音频功率程控增益放大电路板块3

1.2A/D转换板块与CD液晶显示输出板块3

2方案论证与选择4

2.1增益控制方案的比较与选择4

2.2有效值检测方案的比较与选择6

2.3A/D转换方案的比较与选择6

2.4显示方式的设计方案的比较与选择9

3硬件设计9

3.1总体设计框图9

3.2单元电路设计10

3.2.1OCL电路模块10

3.2.2程控增益模块11

3.2.3真有效值测量模块16

3.2.4AC-DC转换模块17

3.3总电路图18

4软件设计20

4.1流程图20

4.2程序21

5心得体会30

6参考文献31

摘要

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AD5220对信号增益进行调整，准确控制OCL输出功率。

并实时LCD液晶显示输出功率。

在OCL功率放大部分：

用NE5532集成芯片作为前级功率放大，用分立元件制作后级放大电路，实现推挽输出。

供电电源为±15V，输入信号电压幅度为（10~1000）mVrms，负载为为8欧电阻。

在程控部分：

对放大电路设计深度负反馈，通过数字电位器AD5220对深度负反馈电阻进行大小控制，从而达到对信号增益进行调整的目的，准确控制OCL 输出功率。

在AC-DC转换部分：

利用AD736芯片搭建电路，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输出。

在A/D模数与液晶显示转换部分：

利用TCL549模数转换芯片和LM016L液晶将模拟输出功率转换成数字信号，送入单片机，经过单片机程序处理，送出至LCD液晶显示。

关键词：

OCL 功放程控

Abstract

TheSPCOCLaudiopoweramplifierwithsingle-chipmicrocomputerasthemaincontroller,throughthedigitalpotentiometerAD5220toadjustthesignalgain,accuratelycontroltheOCLpoweroutput.AndLCDliquidcrystaldisplayoutputpowerinrealtime.

InOCLpoweramplifierparts:

useNE5532integratedchipastheformerpoweramplification,madeofdiscretecomponentlevelafteramplifyingcircuit,realizethepush-pulloutput.Powersupplyis+15v,theinputsignalvoltageamplitudeformVrms（10~1000）,theloadfortheeightEuropeanresistance. 

InSPCpart:

thedepthofthenegativefeedbackamplifiercircuitdesign,throughthedigitalpotentiometerAD5220sizeofdepthofnegativefeedbackresistancecontrol,soastoadjustthesignalgain,thepurposeofaccuratecontrolofOCLpoweroutput.InAC-DCconversionparts:

usingAD736chipsetupcircuit,theinputvoltagetothe"average-average-opensquare"operation,cangetreallyeffectiveoutputvoltage.InA/Dmoduleandliquidcrystaldisplayconversionparts:

usingTCL549modulusconversionchipandLM016LLCDtoanalogoutputpowerisconvertedintodigitalsignal,intosinglechipmicrocomputer,throughsinglechipmicrocomputerprogramprocessing,senttotheLCDdisplay. 

Keywords:

theOCLamplifierSPC.

1实验原理

主要分成以下两板块：

音频功率程控增益放大电路板块

A/D转换板块与LCD液晶显示输出板块

1.1音频功率程控增益放大电路板块

通过单片机程序数字电位器AD5220对OCL音频功率放大器电路进行功率可程控。

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（10~1000）mVrms，负载为为8欧电阻。

我们仿真时设定输入电压有效值为1V：

具体是：

通过控制放大电路的R10和R13以及数字电位器的电阻来改变增益，也就是通过数字电位器来改变OCL功率放大器的增益。

其中，数字电位器的电阻通过单片机用程序控制，即达到“程控目的”。

另外，设定三个控制键，修改程序，达到“键盘控制”的目的。

在程控与键控之间，设定好延时控制。

1.2A/D转换板块与CD液晶显示输出板块

通过芯片AD736将交流输出信号转变成对应的功率有效值，再通过TCL549模数转换器，将模拟信号转化成数字信号，送入单片机，单片机对其处理，送出LM016LLCD显示出实时功率。

2方案论证与选择

2.1增益控制方案的比较与选择

方案一：

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。

AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在很多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益接口还具有差分输入能力，设计可根据信号电平和极性选择适合的控制方案。

常用于自动化程度要求较高的系统中，但芯片价格昂贵。

图2.1AD603引脚排列

图2.2AD603典型应用电路

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。

图2.3X9313引脚图

方案三：

使用AD5220增量\减量数字电位器控制运放的增益，通过控制反馈电阻的大小从而达到控制运放增益的效果。

AD5220是一款单通道、128位、数字控制可变电阻（VR）器件，可实现与电位计或可变化电阻相同的电子调整功能，并针对便携式仪表和测试设备的“按钮”应用进行了优化。

端接电阻值（端到端）可以再10kΩ至100KΩ之间选择，以适应从宽带宽到低功耗的各种应用。

该10kΩ器件可提供650KHz带宽，100kΩ器件则可将功耗降至微瓦水平。

可变电阻由芯片选择CS、计数CLK和U/D方向控制输入设置，利用机械或按钮开关（或其他触点闭合器件），很容易产生这些控制输入。

内部上电复位功能可将游标预设为中程量。

游标增至POT末端后，不会发生翻转至另一端的现象。

图2.4AD5220引脚图图2.5AD5220功能框图

综合以上方案，由于AD603适用于自动化要求高的电路中，而且芯片价格较贵，所以不选；而X9313，虽然易操作且成本低廉，但是在我手上有的仿真软件中找不到该芯片，所以也不选;最后选择方案三，采用AD5520控制运放增益。

2.2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

。

AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。

其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%.

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输出。

图2.6AD736引脚图

比较两种方案，我们选择方案，使用AD736直接获得输出真有效值。

2.3A/D转换方案的比较与选择

（1）.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。

（2）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。

方案一：

计采用Maxim公司的12位串行输出型A/D转换器MAX187/MAX189。

MAX187/MAX189串行12位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受0-5V的模拟输入。

MAX187,189均为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟高速3线串行接口

MAX187/MAX189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。

接口与SPI，QSPI和Microwire兼容。

图2.7MAX187/189功能框图

图2.8MAX187/189引脚图

方案二：

TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位 A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。

它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

图2.9TCL549引脚图

方案三：

采用PCF8591进行A/D转换，PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。

3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。

器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。

器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模拟转换。

最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。

图2.10PCF8591的引脚图

对于方案一，MAX187/189虽然引脚少，结构简单，但是在手上的仿真软件中却没有。

而方案二，使用TCL549进行A/D转换，它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

所以选用方案二。

2.4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：

采用液晶模块LM016L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LM016L实时显示输出功率。

3硬件设计

3.1总体设计框图

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，负载端经过TRMS/DC电路可直接检测出负载的有效值，再经过8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

3.1总体设计框图

3.2单元电路设计

3.2.1OCL电路模块

电路图如图所示：

图3.1OCL增益可调功率放大器

图13中的Q1与Q4构成第一级推挽输出电路.Q2与Q3分别是Q1和Q4的射级跟随器,构成第二级推挽输出电路.合理选择VT1～VT4的额定功率,则可以实现不同的功率输出。

因为NE5532的开环放大倍数很高,数字电位器AD5520、R10可构成大环电压深度负反馈,所以电压增益为增益A=1+（R10+数字电位器电阻）/R13，以保证输出功率大于7.5W。

仿真结果：

图3.2OCL功率放大器仿真图

如图所示，OCL功率放大电路的输出电压值为7.98V,则输出功率为7.96W，符合要求。

3.2.2程控增益模块

芯片介绍：

AT89C52介绍：

图3.3AT89C52引脚图

引脚功能介绍：

P0口

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

XTAL1

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2

振荡器反相放大器的输出端。

LM016L介绍：

图3.4LM016L引脚图

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

程控增益模块电路图：

图3.5程控增益模块电路图

原理：

通过单片机程序数字电位器AD5220对OCL音频功率放大器电路进行功率可程控。

对放大电路设计深度负反馈，通过数字电位器AD5220对深度负反馈电阻进行大小控制，从而达到对信号增益进行调整的目的，准确控制OCL输出功率。

通过控制放大电路的R10和R13以及数字电位器的电阻来改变增益，也就是通过数字电位器来改变OCL功率放大器的增益。

其中，数字电位器的电阻通过单片机用程序控制，即达到“程控目的”。

另外，设定两个个控制键，修改程序，达到“键盘控制”的目的。

在程控与键控之间，设定好延时控制。

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（10~1000）mVrms，负载为8欧电阻。

仿真结果：

如图，当按键没有变化时，OCL功率放大电路的输出电压值为7.99V。

图3.6程控增益仿真

通过计算可知，ocl电路的输出功率为7.98W，而LCD显示的功率为7.96，失真度小于3%。

当上面的按键按下再放开时：

图3.7程控增益控制模块电路仿真图

通过计算可知，ocl电路的输出功率为8.11W，而LCD显示的功率为7.96，失真度小于3%。

由此可见OCL功率放大电路的输出电压值改变了，即输出功率发生了变化，从而达到了单片机对OCL功率放大电路的控制。

3.2.3真有效值测量模块

AD736芯片介绍：

其引脚图如图所示：

图3.8AD736引脚图

各管脚的功能如下：

+Vs：

正电源端，电压范围为2.8～16.5V；

-Vs：

负电源端，电压范围为-3.2～-16.5V；

Cc：

低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：

高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。

该端有两种工作方式可选择：

第一种为输出AC+DC方式。

该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。

该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。

COM：

公共端；

Vo：

输出端；

CF：

输出端滤波电容，一般取10μF；

CAV：

平均电容。

它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。

其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。

此模块的电路图如图所示：

图3.9真有效值转换模块电路图

原理：

由于AD736只能对不大于5V的电压进行真有效值转换，但是前面的OCL功率放大电路的输出值是大于5V的，所以通过由三个NE5532构成的反相放大器对电压进行改变，使得电压值在通过AD736时的电压值小于5V。

然后经由AD736对电压进行真有效值转换。

3.2.4AC-DC转换模块

该A/D转换模块使用的芯片是TLC549，TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位 A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。

它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

如图所示是TLC549芯片的引脚：

图3.10TCL549引脚图

其引脚功能为：

REF+：

正基准电压输入2.5V≤REF+≤Vcc+0.1。

REF－：

负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V。

且要求：

（REF+）－（REF-）≥1V。

VCC：

系统电源3V≤Vcc≤6V。

GND：

接地端。

/CS：

芯片选择输入端，要求输入高电平VIN≥2V，输入低电平VIN≤0.8V。

DATAOUT：

转换结果数据串行输出端，与TTL电平兼容，输出时高位在前，低位在后。

ANALOGIN：

模拟信号输入端，0≤ANALOGIN≤Vcc，当ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全“1”（0FFH），ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全“0”（00H）。

I/OCLOCK：

外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。

A/D转换模块的电路图如图：

图3.11A/D转换模块电路

原理：

前级的真有效值模块电路的输出端接入TL549的AIN输入端，经由TCL549芯片将输入的模拟信号转为数字信号，然后通过单片机送入LCD显示。

3.3总电路图

总体电路图如图所示：

图3.12总体电路图

原理：

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AD5220对信号增益进行调整，准确控制OCL输出功率，并实时LCD液晶显示输出功率。

在OCL功率放大部分：

用NE5532集成芯片作为前级功率放大，用分立元件制作后级放大电路，实现推挽输出。

供电电源为±15V，输入信号电压幅度为（10~1000）mVrms，负载为8欧电阻。

在程控部分：

对放大电路设计深度负反馈，通过数字电位器AD5220对深度负反馈电阻进行大小控制，从而达到对信号增益进行调整的目的，准确控制OCL输出功率。

在AC-DC转换部分：

利用AD736芯片搭建电路，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输出。

在A/D模数与液晶显示转换部分：

利用TCL549模数转换芯片和LM016L液晶将模拟输出功率转换成数字信号，送入单片机，经过