王 瑞

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

一種基于單片機(jī)控制下的自動(dòng)增益功率放大器設(shè)計(jì)

王 瑞

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

本設(shè)計(jì)為根據(jù)輸入信號(hào)及周?chē)沫h(huán)境噪聲幅度自動(dòng)調(diào)節(jié)音量的自動(dòng)增益控制音量放大器。整體設(shè)計(jì)以STC12系列單片機(jī)為控制器，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部采樣得到有效信號(hào)，NE5532(高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器(雙運(yùn)放)集成電路)為關(guān)鍵器件，NE5532產(chǎn)生的放大倍數(shù)還需要電路中的數(shù)字電位器來(lái)控制，改變數(shù)字電位器的阻值可以改變放大倍數(shù)，自動(dòng)增益功能由此操作完成，從而控制最終的輸出信號(hào)。雙運(yùn)放集成電路需從電路中的音頻信號(hào)源端口接入，且為100 Hz～10 kHz信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)5 W/8 Ω的喇叭(或600 Ω負(fù)載)。當(dāng)輸入端給定信號(hào)在10 mV～5 V之間時(shí)，測(cè)得示波器顯示輸出電壓始終穩(wěn)定在2 V±0.2 V內(nèi)。其幅度大小和頻率高低在示波器上可以同時(shí)確認(rèn)。并允許在1 V～3 V范圍內(nèi)對(duì)放大器輸出電壓進(jìn)行步進(jìn)式的幅度調(diào)節(jié)且步距檔位為每檔0.2 V，所有輸出結(jié)果由LCD12864液晶顯示屏顯示。

STC12C5A60S2；NE5532；LCD12864

隨著科技的發(fā)展及生活方式的多樣化，人們對(duì)于追求高品質(zhì)的生活更加的迫切。“科技改變生活”，科技早已滲入了我們的生活，科技變化已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類(lèi)歷史上百萬(wàn)年的改變，一個(gè)小小的技術(shù)改進(jìn)可以影響到很多的方面。

然而，人們?cè)谖镔|(zhì)生活和精神生活方面都需要得到更高的體驗(yàn)，與日常生活密切相關(guān)的細(xì)節(jié)越來(lái)越多的被人們所提及。比如高品質(zhì)和專(zhuān)業(yè)的電視、音響設(shè)備，人們對(duì)其音質(zhì)控制要求越來(lái)越高；與我們生活密不可分的手機(jī)，其通話(huà)時(shí)的話(huà)音質(zhì)量都可能是一個(gè)小小的科技改變帶給人們的驚喜。本次設(shè)計(jì)采用的型號(hào)為STC12C5A60S2的單片機(jī)作為控制部分主要元件。放大器部分采用的是很多音響發(fā)燒友必備元件NE5532，這是一種高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器(雙運(yùn)放)集成電路，用作音頻放大時(shí)音色飽滿(mǎn)，保真度高，具有良好的噪聲抑制性能，最適合本次設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是其電源電壓可調(diào)節(jié)范圍大。在音響界被發(fā)燒友們譽(yù)為“運(yùn)放之皇”，在高檔次的專(zhuān)業(yè)音響設(shè)備的控制電路部分或者電話(huà)內(nèi)部的通話(huà)放大器部分都較為適用[1]。

自動(dòng)增益控制是在工作過(guò)程中，使放大電路的增益可自動(dòng)控制并調(diào)整的方法。它是限幅輸出的一種，將線(xiàn)性放大特性和壓縮放大特性有效組合[2]，對(duì)音頻的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程。當(dāng)音頻設(shè)備中的助聽(tīng)器接收到較小的弱信號(hào)時(shí)，線(xiàn)性放大電路工作，以確保信號(hào)輸出時(shí)的強(qiáng)度；當(dāng)音頻設(shè)備中的助聽(tīng)器接收到一定強(qiáng)度的輸入信號(hào)時(shí)，壓縮放大電路工作，以保證輸出的幅度不會(huì)過(guò)高。也就是說(shuō)，自動(dòng)增益控制功能是通過(guò)改變輸入輸出壓縮比例，達(dá)到對(duì)增益的幅度進(jìn)行自動(dòng)控制的過(guò)程。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證

本設(shè)計(jì)在電路控制單元模塊選用的是STC12單片機(jī)系列的C5A60S2芯片，這是一種單時(shí)鐘-機(jī)器周期的單片機(jī)；其存儲(chǔ)空間比一般單片機(jī)容量都大，是較先進(jìn)的8051單片機(jī)；更具有高速、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧掉電保護(hù)功能且性?xún)r(jià)比高，近幾年受研發(fā)人員的喜愛(ài)[3]。顯示模塊采用LCD液晶顯示器，可同時(shí)顯示數(shù)字、字符、圖形等多種要求，而且人機(jī)界面好，字符美觀(guān)。音頻功率放大器采用UTC2030功率放大器，其集成度高分立元件少的特點(diǎn)，使得輸出功率大。并且因內(nèi)含有保護(hù)電路，所以開(kāi)機(jī)沖擊小，提高了工作時(shí)的安全性，另UTC2030工作電壓范圍是±6～±20，針對(duì)于本次設(shè)計(jì)，利用其在±10 V、8 Ω阻抗時(shí)能夠輸出15 W的有效功率這一特性，做電器有源音箱的功率放大部分非常適合。電壓信號(hào)采集模塊，使用芯片AD637是一種高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，任何復(fù)雜波形的真均方根值它均能計(jì)算。過(guò)零比較器電路是頻率測(cè)量的常用電路，主要元件為通用運(yùn)算放大器TL062。向輸入端輸入信號(hào)后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器電路得到方波信號(hào)已達(dá)到檢測(cè)目的；其中采用多級(jí)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓效果較好，電源效率高。本次設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心器件，NE5532采用數(shù)字電位器來(lái)采集反饋電阻，通過(guò)單片機(jī)直接操作改變采集到的阻值大小來(lái)控制增益，實(shí)現(xiàn)放大器增益的靈活控制功能。而高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器AD637可以完成信號(hào)幅度的采集工作，其采集的真有效值通過(guò)計(jì)算可間接轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需幅值。最終由LCD12864液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示各信號(hào)的信息，并且通過(guò)改變各個(gè)模式按鈕的位置使放大器在不同的工作狀態(tài)內(nèi)切換。

2 硬件電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件組成以集成較高的STC12C5A60S2單片機(jī)和NE5532放大器作為關(guān)鍵電路，頻率采集電路、反饋電阻電路、 I/O信號(hào)采集電路、音頻功率放大電路、顯示電路接口電路等其他功能電路共同組成。其中信號(hào)采集工作由AD637芯片完成，數(shù)字電位器主要完成反饋電阻的功能，放大器不同的工作模式電路由分立元件搭建的選擇電路來(lái)控制，采集各種信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示工作由LCD12864液晶顯示屏完成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)輸入電壓信號(hào)在10 mV時(shí)，輸出電壓要達(dá)到3 V。根據(jù)反相比較器的運(yùn)算公式U0=Ui·(Rf/Ri)，計(jì)算可得放大倍數(shù)必須在300及以上才可實(shí)現(xiàn)。若輸入電阻為150 Ω，則需最大反饋電阻值為100 k才可實(shí)現(xiàn)功能。由實(shí)驗(yàn)證明單獨(dú)使用100 k電位器不適合本次設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，需串聯(lián)一個(gè)1 k的電位器。

2.2 主要程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制下的自動(dòng)增益功率放大器，硬件基本功能是反饋電阻網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)字電位器的阻值，改變其放大的倍數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)幅度在10 mV～5 V間且變化時(shí)，放大器輸出默認(rèn)值保持在2 V±0.2 V內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)以0.2 V的間隔進(jìn)行調(diào)節(jié)，放大器輸出幅度保持在1 V～3 V范圍內(nèi)；系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)噪聲功能，當(dāng)周?chē)肼曉龃髸r(shí)，放大器輸出幅度增大，噪聲減小時(shí)放大器輸出幅度減小。

圖2 主程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試及分析

本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能較多，各電路搭建較為復(fù)雜，故分電路采用模塊化的安裝思路。各部分模塊電路最終焊接在萬(wàn)能電路板上。調(diào)試過(guò)程也是先完成子電路的調(diào)試，各部分子電路調(diào)試通過(guò)后進(jìn)行整體電路聯(lián)合測(cè)試。

3.1 硬件電路調(diào)試

電源模塊調(diào)試：電源輸出端分別是+15 V，-15 V，+5 V，其中±15 V為雙電源供電模式向NE5532芯片、AD637芯片及TL062芯片提供電能。因?qū)E5532芯片進(jìn)行直接供電，所以在穩(wěn)定性性能上要求較高，電路剛開(kāi)始搭建時(shí)選用的濾波電容規(guī)格較小，導(dǎo)致輸出直流波形不平滑。在調(diào)試過(guò)程中逐步加大電容的數(shù)值，使輸出直流電壓趨近于平滑，保證供電環(huán)節(jié)的高性能要求[4]。

頻率電路調(diào)試：初始電路搭建時(shí)運(yùn)算放大部分采用的是NE5532芯片，由萬(wàn)用表測(cè)得NE5532的反相端電位不完全為0 V，加示波器測(cè)量后波形顯示引腳電平值也不平滑。后查閱資料改用TL062芯片，再次用示波器測(cè)試顯示單片機(jī)頻率正常，波形復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

輸出與幅度電路調(diào)試：經(jīng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號(hào)的幅度足夠大時(shí)，單片機(jī)能夠從AD637得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；當(dāng)信號(hào)幅度偏小時(shí)，分析計(jì)算后的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后得出，需在直流轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口處對(duì)地向AD637芯片并聯(lián)一個(gè)低電容，調(diào)整后第二次測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果正常。

整體電路聯(lián)合測(cè)試：本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集工作由單片機(jī)內(nèi)部AD完成，而STC12單片機(jī)的直流轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)顯示，電平值可能會(huì)大于供電電壓+5 V，與單片機(jī)電源供電電壓不匹配。這點(diǎn)在調(diào)試時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注，如果在最初的調(diào)試過(guò)程中沒(méi)有注意到這點(diǎn)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了解決這一問(wèn)題需在AD637直流轉(zhuǎn)換器的輸出端數(shù)據(jù)采集的IO口上進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)。在不斷地調(diào)試檢測(cè)過(guò)程中在IO口上加了一個(gè)5.1 V的穩(wěn)壓管，以保證數(shù)據(jù)采集的電壓值在AD637輸出時(shí)大于5.1 V，通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)改變系統(tǒng)性能得到很大的改善。

3.2 軟件程序調(diào)試

程序設(shè)計(jì)調(diào)試主要針對(duì)控制部分的數(shù)字電位計(jì)進(jìn)行，本次設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)比較器是X9C104和X9C102型數(shù)字電位計(jì)，其阻值變化范圍分別為1 k和100 k，芯片內(nèi)部電阻陣列共99個(gè)。其滑動(dòng)頭設(shè)置也較為靈活，在每個(gè)單元之間和兩個(gè)端點(diǎn)之間均有設(shè)置，滑動(dòng)單元分別為CS、U/D和INC三個(gè)輸入端控制。在軟件程序的調(diào)試過(guò)程中，主要通過(guò)對(duì)兩個(gè)數(shù)字電位器的電阻值進(jìn)行改變，來(lái)調(diào)節(jié)在輸出端所產(chǎn)生的放大倍數(shù)。具體調(diào)試過(guò)程為，將X9C104數(shù)字電位器調(diào)至0，同時(shí)將X9C102放在滿(mǎn)偏狀態(tài)。經(jīng)示波器檢測(cè)分析得出結(jié)論：若輸出電壓大于允許調(diào)節(jié)誤差的最大值時(shí)，X9C104數(shù)字電位器相當(dāng)于沒(méi)有工作，通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)X9C102直至滿(mǎn)足允許條件；若輸出電壓小于允許調(diào)節(jié)誤差的最大值時(shí)，則先調(diào)節(jié)X9C104，待其輸出電壓值達(dá)到允許范圍內(nèi)后，再對(duì)X9C102進(jìn)行微調(diào)[5]。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于音響儀器控制設(shè)備和電話(huà)通路的控制電路中，改善了音效難以控制的問(wèn)題，提高了收端的音質(zhì)效果。整體設(shè)計(jì)以STC12系列單片機(jī)為控制器，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部采樣得到有效信號(hào)，NE5532(高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器(雙運(yùn)放)集成電路)為關(guān)鍵器件，NE5532產(chǎn)生的放大倍數(shù)還需要電路中的數(shù)字電位器來(lái)控制，改變數(shù)字電位器的阻值可以改變放大倍數(shù)，自動(dòng)增益功能由此操作完成，從而控制最終的輸出信號(hào)。因此該自動(dòng)增益控制電路具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

[1] 劉文濤，徐釗.小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2006(3)：45-46.

[2] 王俊杰，黃心漢.程控增益放大器和自動(dòng)調(diào)整增益放大器的設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用，1998(2)：33-35.

[3] 李登科，時(shí)永鵬.一種基于TMS320C6414的自動(dòng)增益控制技術(shù)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2013(1)：66-70.

[4] 王秋爽.單片機(jī)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] 馬西秦.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

A Design of Automatic Gain Power Amplifier Based on Single Chip Microcomputer

Wang Rui

(ShanxiVocationalandTechnicalCollege,TaiyuanShanxi030006,China)

This article makes a design of automatic gain control volume amplifier which automatically adjusts the volume based on the input signal and the surrounding environment noise amplitude. The overall design takes the STC12 series single chip microcomputer as the controller, through the internal sampling of single chip microcomputer to get the effective signal. The NE5532 [high-performance low noise dual operational amplifier (double op-amp) integrated circuit] is used as the core amplifier, by changing the resistance of potentiometer to change the magnification of sampling signal and achieve the function of the control gain, finally to control the output. The amplifier inputs the100 Hz to 10 kHz signal from the audio source device drive the 5 W / 8 Ω speakers (or 600 load). When the input voltage signal amplitude value is changed between 10 mV～5 V, the default value of output voltage is within 2 V+/-0.2 V, at the same time it can display the size and frequency. All output result is displayed by LCD12864.

STC12C5A60S2; NE5532; LCD12864

2016-11-09

王 瑞(1981- )，男，山西臨汾人，講師，碩士研究生，現(xiàn)從事的主要工作:應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)。

1674- 4578(2016)06- 0029- 03

TN721.1

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