1、 程控音頻功率放大器（A 題） 摘要摘要： 本程控音頻功率放大器由 ATMEGA16 為主控制器，前級由跟隨器和兩級 運放組成，OCL 功率放大部分用分立元件制作。設(shè)定功率初值后，通過 DA 轉(zhuǎn)換，對電壓 控制，從而實現(xiàn)程控功率。該系統(tǒng)能夠測量的音頻信號頻率范圍為 20Hz-22KHz，其幅度 范圍為 10mV-1000mV（有效值） ；在音頻信號源的幅度和頻率固定為某一值時，功率相對 誤差小于等于 3%；其失真度小于等于 3%時，輸出功率大于等于 7.5W，是理想的程控音 頻功率放大器的解決方案。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：ATMEGA16 OCL 程控 功率 Abstract: The progra

2、m-controlled power amplifier 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

3、 system can accurately measure 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 %3WPO5 . 7 . It is the ideal program-controlled power amplifier

4、solution.%3 Keyword: ATMEGA16 OCL Program Power 1 1方案論證與比較方案論證與比較.3 1.1 各級運放的比較與選擇.3 1.2 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的比較與選擇.3 1.3 D/A 轉(zhuǎn)換芯片比較與選擇.4 2 2 系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計 .4 2.1 總體設(shè)計.4 2.2 單元電路設(shè)計.5 2.2.1 前級阻抗匹配和放大電路設(shè)計.5 2.2.2AD 及 DA 轉(zhuǎn)換控制、檢測模塊電路設(shè)計.6 2.2.3 OCL 分立元件電路設(shè)計.7 2.2.4 發(fā)揮部分（其他）電路設(shè)計.8 3 3 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 .9 4 4系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試.10 4.1 功率測量（室

5、溫條件下） .10 4.2失真度測量（室溫條件下）.11 5 5 結(jié)論結(jié)論 .11 參考文獻：參考文獻： .11 附錄：附錄： .12 附 1：元器件明細表.12 附 2：儀器設(shè)備清單.12 附 3：電路圖圖紙.12 附 4：測試結(jié)果.16 附 5：程序清單.17 1方案論證與比較 1.1 各級運放的比較與選擇 方案一、選用 OP07 OP07 是一種高精度單片運算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP07 的優(yōu)良 特性使它特別適合作前級放大器，放大微弱信號。使用 OP07 一般不用考慮調(diào)零和頻率問 題就能滿足要求。 方案二、選用 AD827 以 AD827 高速運放為基礎(chǔ)設(shè)計的高速、高精

6、度、低漂移、寬頻帶偏轉(zhuǎn)放大器,其開環(huán) 增益優(yōu)于 130db 。單位增益帶寬達 500MHz ( 15V) ,輸出電流為5A 。但是設(shè)計時容易 產(chǎn)生失調(diào)電壓，結(jié)合題目要求，在此題中不適用。 方案三、選用 OPA2132 OP2132 具有高開環(huán)增益 130dB(600 歐)；低失真（0.00008%） ；高速的轉(zhuǎn)換速度；可 選單路、雙路和四路放大，設(shè)計空間自由；寬帶可達到 8MHz，出色的共模抑制，抗干擾 能力強；用于音頻，數(shù)據(jù)采集和通訊方面。 方案四、選用 AD603 根據(jù)題目對放大電路的可控的要求,考慮直接選取可調(diào)增益的運放實現(xiàn),如運放 AD603。 其內(nèi)部由 R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增

7、益放大器構(gòu)成,加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減 后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定;而這個參考電壓 可通過單片機進行運算并控制 D/A 芯片輸 出控制電壓得來,從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外 AD603 能提供由直流到 30MHz 以上的工作帶寬,單級實際工作時可提供超過 20dB 的增益,兩 級級聯(lián)后即可得到 40dB 以上的增益,通過后級放大器放大輸出,在高頻時也可提供超過 60dB 的增益。 參考題目綜合比較，選擇由一片 OP2132 構(gòu)成初級運放，兩片 AD603 級聯(lián)構(gòu)成的次級放 大電路。 1.2 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的比較與選擇 方案一、 采用 ADC083

8、2 ADC0832 是串行接口的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換，輸出輸入電平與 TTL/CMOS 相兼容，接受 05V 的模擬輸入，在 250KHz 工作時，轉(zhuǎn)換速度為 32uS，功耗為 15mW。 方案二、采用MAX187 MAX187是串行12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以在單5V電源下工作，接受05V 的模擬輸入。 MAX187 為逐次逼近式ADC，快速采樣/保持（1.5uS），片內(nèi)時鐘，高速3 線串行接口。 MAX187 轉(zhuǎn)換速度為75Ksps。通過一個外部時鐘從內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)，并可省卻外部硬件而與 絕大多數(shù)的數(shù)字信號處理器或微控制器通訊。MAX187 有內(nèi)部基準(zhǔn)，優(yōu)異的AC 特性和

9、極 低的電源消耗，同時及其容易的使用和較小的封裝尺寸使得MAX187 能理想的應(yīng)用于遠程 DSP 和傳感器，或者應(yīng)用于對電源消耗和空間極為苛刻的地方。 1.3 D/A 轉(zhuǎn)換芯片比較與選擇 方案一、采用 D/A 芯片 AD7520 D/A 芯片 AD7520 的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進而控制電路增益。又考慮到 AD7520 是 一種廉價型的 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片,其輸出 Vout=DnVref/210,其中 Dn 為 10 位數(shù)字量輸入 的二進制值,可滿足 210=1024 擋增益調(diào)節(jié)。它由 CMOS 電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有 結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特

10、點,故可以采用 AD7520 來實 現(xiàn)信號 的程控衰減。但由于 AD7520 對輸入?yún)⒖茧妷?Vref 有一定幅度要求,為使輸入信號 在 mVV 每一數(shù)量級都有較精確的增益,最好使信號在到達 AD7520 前經(jīng)過一個適應(yīng)性的幅 度放大調(diào)整,再通過 AD7520 衰減后進行相應(yīng)的后級放大,并使前后級增益積為 1024,與 AD7520 的衰減分母抵消,即可實現(xiàn)程控放大。但 AD7520 對輸入范圍有要求,具體實現(xiàn)起來 比較復(fù)雜,而且轉(zhuǎn)化非線性誤差大,帶寬只有幾 kHz,不能滿足頻帶要求。 方案二、采用 12 位串行 D/A 轉(zhuǎn)換芯片 MAX531 MAX531 內(nèi)部自帶基準(zhǔn)參考電壓，MAX531

11、 只需 3 根串行線與 CPU 接口，當(dāng)時鐘頻率為 877kHz 時，傳送 12 位數(shù)據(jù) DA 轉(zhuǎn)換輸出只需25s 建立時間。速度、精度高于 A/D7520?？紤]到題目所要求，此方案最佳。 2 系統(tǒng)設(shè)計 2.1 總體設(shè)計 根據(jù)題目的要求,采用單片機預(yù)置和控制放大器增益的方法,提高系統(tǒng)的精度和可控性； 考慮到運放 AD603 的輸入阻抗不大，需先使用跟隨器；后級放大器使用由分立元件設(shè)計的 推挽互補輸出放大器,提高了輸出電壓有效值。 采用環(huán)形變壓器供電，電源為；音頻輸入信號電壓幅度為 10mV-1000mV，經(jīng)V15 過一個由集成運放構(gòu)成的跟隨器后，再經(jīng)過 AD603 兩次電壓放大。 AD603

12、的 Vg(=V1-V2)，而增益 GAIN=40Vg+20(dB),在 AGC 模式下,此控制電壓 Vg 是 由 AGC 電路的反饋電壓得到,不受單片機控制； OCL 功率放大部分用分立元件制作；負載為純電阻，選用阻值為 8 歐姆的水泥電阻或 者用康銅絲自制。通過按鍵預(yù)置功率初值并同時顯示；AD603 放大倍數(shù)由單片機通過 D/A 轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。 同時，經(jīng)過 12 位 AD 轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，然后由 Atmegal6 進行測量、計算并與初值 進行比較，然后進行顯示。 集成運放集成運放 Atmegal6 DA 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器負載電阻負載電阻 LCD 顯示顯示 按鍵按鍵 O

13、CL 功率放大功率放大 音頻信號音頻信號 2.2 單元電路設(shè)計 2.2.1 前級阻抗匹配和放大電路設(shè)計 信號輸入后通過 R7 兩個 330Ohm 的電阻和一個高精度儀表運放 OPA2132 實現(xiàn)跟隨作用， 由于理想運放的輸入阻抗為無窮大，所以輸入阻抗即為：R7=330Ohm。 在這道題目里，需要首先將信號接入跟隨器，然后再進行兩次放大，并且使用低壓基 總體設(shè)計框架圖 準(zhǔn)芯片 MC1403 與 DA 芯片 MAX531 之間產(chǎn)生電壓差值，從而保證 AD603 工作正常。在這就要 求在對小信號進行放大時，要盡可能少的引入信號的放大失真。正弦信號的理論計算失真 度為零，對引入的信號失真非常靈敏，所以

14、對信號的放大，運放的選擇是個重點。 我們選擇的運放是 ADI 公司的 AD603，一種低噪聲、電壓控制增益的新型運放,其傳輸 帶寬高達 90MHz,增益最高可達 51dB,最低達-11dB.，其功能框架如下圖所示。 2.2.2 AD 及 DA 轉(zhuǎn)換控制、檢測模塊電路設(shè)計 AD637 屬于高精度的單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器，采用“平方取平方值開平方”運 算，測量誤差小于等于正負 0.2%讀數(shù)+0.5mV。通過 AD637 從輸出端獲得電壓值，并傳輸給 MAX187。 MC1403 是低壓基準(zhǔn)芯片，一般用作 812bit 的 D/A 芯片的基準(zhǔn)電壓等一些需要基本 精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場合。 12 位串行

15、 DA 轉(zhuǎn)換器 MAX531 進行轉(zhuǎn)換 12 位串行 AD 轉(zhuǎn)換器 MAX187 進行轉(zhuǎn)換 Atmegal6 輸出數(shù)據(jù) Atmegal6 接收數(shù)據(jù) 2.2.3 OCL 分立元件電路設(shè)計 Q1、Q3 和 Q4 選用 94002，組成利用 Vbe 擴大電路進行偏置的互補對稱電路 Q2 和 Q5 選擇 D1047 和 B817 2.2.4 發(fā)揮部分（其他）電路設(shè)計 AD9851 用于產(chǎn)生正弦波 3 軟件設(shè)計 主控制芯片為 ATMEGA16,顯示器件為 LCD12864，采用 c 語言編程方便簡單.軟件流 程圖如下： 主程序開始主程序開始 模塊初始化模塊初始化 鍵盤掃描鍵盤掃描 按鍵按下按鍵按下 Y

16、N 顯示結(jié)果顯示結(jié)果 符合要求符合要求 N Y 通過鍵盤設(shè)定通過鍵盤設(shè)定 初值初值 AVR 單片機接收單片機接收 并且輸出數(shù)據(jù)并且輸出數(shù)據(jù) 根據(jù)數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù) MAX531 輸出電壓值輸出電壓值 MAX187 檢測電壓值檢測電壓值 并輸出數(shù)據(jù)并輸出數(shù)據(jù) Y N AVR 單片機接收并單片機接收并 且比較數(shù)據(jù)且比較數(shù)據(jù) 與設(shè)定相同與設(shè)定相同 根據(jù)輸入根據(jù)輸入 控制電壓控制電壓 返回返回 檢測與比較檢測與比較 輸出功率輸出功率 主流程圖 循環(huán)比較圖 4系統(tǒng)測試 4.1 功率測量（室溫條件下） 有效值Vrms Vpp峰峰值 單位：mV 頻率F 單位：Hz 測試方法：按照比例抽取測試樣品，測量三次后，取平

17、均值（四舍五入） 。 Vrms1020501005001000 Vpp28.2842756.56854141.4214282.84271414.2142828.427 F 單位：W單位：W單位：W單位：W單位：W單位：W 207.27.37.27.37.47.5 307.27.37.47.47.47.4 407.37.37.37.67.57.5 507.37.37.37.47.67.7 607.27.47.47.37.27.6 707.27.27.27.27.27.5 807.27.37.27.17.27.1 907.37.37.27.27.27.2 1007.37.47.47.17.27.2

18、 2007.37.77.87.67.57.3 3007.47.77.87.77.87.7 4007.37.77.87.87.77.7 5007.47.77.77.87.87.7 6007.47.67.77.57.87.7 7007.47.77.87.77.77.7 8007.57.57.77.77.77.7 9007.67.87.87.77.77.7 1k7.77.87.77.77.77.7 2k7.57.87.77.87.77.5 3k7.67.77.87.87.67.4 4k7.57.77.77.47.77.7 5k7.77.77.87.77.77.7 6k7.77.87.87.77.87

19、.7 7k7.57.87.77.87.87.5 8k7.67.77.77.87.57.5 9k7.67.77.57.77.87.5 10k7.57.77.47.77.57.5 20k7.37.77.47.47.47.5 22k7.27.77.77.47.77.5 結(jié)果分析： 由于實驗室提供的能夠模仿音頻信號的且能方便測量的信號只有正弦信號，所 以使用 YB1639 功率函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，然后使用 IWATSU 示波器進行測量，發(fā)現(xiàn)通 過一定比例的公式計算后，能夠較好的達到要求。 4.2失真度測量（室溫條件下） 功率P 單位：W 頻率F 單位：Hz Vpp峰峰值 單位：mV 測試方法：按照

20、比例抽取測試樣品，測量三次后，取平均值（四舍五入） 。 F/Vpp P 20Hz 1414mV 20Hz 21mV 20KHz 1414mV 20KHz 21mV 6W2.722.622.82.60 7W2.702.432.782.66 7.5W2.682.712.792.66 結(jié)果分析：由于實驗室提供的能夠模仿音頻信號的且能方便測量的信號只有正弦信號， YB1639 功率函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，失真度測試儀型號為指針式的 GAD-201G。但從數(shù) 據(jù)上看，能夠較好的達到要求。 5 結(jié)論 由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題 目要求的各項指標(biāo)。 參考文獻：

21、 信號與系統(tǒng) ，沈元隆 周井全編，北京：人民郵電出版社，2007 年； C 程序設(shè)計 ，譚浩強著，北京：清華大學(xué)，2005 年； 電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分 ，康華光編，北京：高等教育出版社，2006 年； 電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分 ，康華光編，北京：高等教育出版社，2006 年； 單片機原理及應(yīng)用 ，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)，2002 年； 晶體管電路設(shè)計 ，鈴木雅臣著，北京：科學(xué)出版社，2006 年； ATmega16.pdf ，PDF 文檔； 附錄： 附 1：元器件明細表 1、 LCD12864 2、 89S51/52 3、 ATMEGA16 4、 AD603 5、 AD637 6、

22、OPA2132 7、 OPA627 8、 MC1403 9、 MAX531 10、AD9851 11、MAX187 附 2：儀器設(shè)備清單 1、 信號發(fā)生器 2、 五位半數(shù)字萬用表 3、 失真度測量儀 4、 數(shù)字示波器 5、 穩(wěn)壓電源 附 3：電路圖圖紙 電源系統(tǒng) 前級跟隨以及兩級放大和 DA 轉(zhuǎn)換 OCL 功率放大部分 12 位串行 AD 轉(zhuǎn)換器 MAX187 進行轉(zhuǎn)換 Atmega16 控制板 AD9851 用于產(chǎn)生正弦波 51 單片機控制板 附 4：測試結(jié)果 有效值Vrms Vpp峰峰值 單位：mV 頻率F 單位：Hz 測試方法：按照比例抽取測試樣品，測量三次后，取平均值（四舍五入） 。

23、Vrms1020501005001000 Vpp28.2842756.56854141.4214282.84271414.2142828.427 F 單位：W單位：W單位：W單位：W單位：W單位：W 207.27.37.27.37.47.5 307.27.37.47.47.47.4 407.37.37.37.67.57.5 507.37.37.37.47.67.7 607.27.47.47.37.27.6 707.27.27.27.27.27.5 807.27.37.27.17.27.1 907.37.37.27.27.27.2 1007.37.47.47.17.27.2 2007.37.77

24、.87.67.57.3 3007.47.77.87.77.87.7 4007.37.77.87.87.77.7 5007.47.77.77.87.87.7 6007.47.67.77.57.87.7 7007.47.77.87.77.77.7 8007.57.57.77.77.77.7 9007.67.87.87.77.77.7 1k7.77.87.77.77.77.7 2k7.57.87.77.87.77.5 3k7.67.77.87.87.67.4 4k7.57.77.77.47.77.7 5k7.77.77.87.77.77.7 6k7.77.87.87.77.87.7 7k7.57.8

25、7.77.87.87.5 8k7.67.77.77.87.57.5 9k7.67.77.57.77.87.5 10k7.57.77.47.77.57.5 20k7.37.77.47.47.47.5 22k7.27.77.77.47.77.5 功率P 單位：W 頻率F 單位：Hz Vpp峰峰值 單位：mV 測試方法：按照比例抽取測試樣品，測量三次后，取平均值（四舍五入） 。 F/Vpp P 20Hz 1414mV 20Hz 21mV 20KHz 1414mV 20KHz 21mV 6W2.722.622.82.60 7W2.702.432.782.66 7.5W2.682.712.792.66

26、附 5：程序清單 AVR 單片機部分： #include #include #include #includeMAX531.H #includeMAX187.H #includeLCD12864.H #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define S6K PORTD|=(10;j-) ; uchar getkey() if(!(PINC if(!(PINC if(!(PINC if(!(PINC if(!(PINC void main() uint r187data=0,i,j; double sed_gonglv=0

27、; double out_gonglv=0; unsigned long input; S6K; /為 6K DIV; PORTinit(); lcd_init(); send_531_data(NowV531); WriteStr(0 x80, 程控功放 ); WriteStr(0 x90,設(shè)定值為: W); WriteStr(0 x98,輸出功率 W); while(1) for(i=50000;i0;i-) r187data=read_187_data(); NowPower=(double)r187data*DIV637)/10; /為 U 有效值 out_gonglv=(NowPow

28、er*NowPower)/1000; /V 的平方 if(keypress() /如有鍵按下 keycode=getkey(); /取鍵值 delay(4000); /消抖 while(keypress() ; /等待松開 switch(keycode) /鍵處理 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; else SetPower

29、+=addnum; break; case 5:R_fleg=1;break; if(addnum=10000|addnum=0) addnum=1; if(SetPower9999) SetPower=0; keycode=0; if(R_fleg) WriteStr(0 x90,設(shè)定電阻: ); SendUint(0 x95, R); SendUint(0 x8d, addnum); if(R_fleg=0) WriteStr(0 x90,設(shè)定值為: W); SendUint(0 x95, SetPower); SendUint(0 x8d, addnum); count=0; / AGC

30、flag=1; SendUint(0 x9d, (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(NowPower0;j-); S100K; S100K; S100K; fleg_jidianqi=1; if(fleg_enter=1) while(AGCflag) r187data=read_187_data(); NowPower=(double)

31、r187data*DIV637)/10; /為 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) if(sed_gonglvout_gonglv) NextV531+; for(j=10;j0;j-); send_531_data(NextV531); if(sed_gonglv0;j-); send_531_data(NextV531); fleg_enter=0; fleg_jidianqi=0; SendUint(0 x9d, (out_gonglv*1000)/R); 51 單片機部分 #include #include #include #include # include key.h #include S51AD9851.h #include #def