程控音频OCL功率放大器.doc
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1、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(101000)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P07.5W; 2)频率响应为(2022000)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
2、日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 目录摘要1Abstract21 实验原理31.1音频功率程控增益放大电路板块31.2 A/D转换板块与CD液晶显示输出板块32方案论证与选择42.1 增益控制方案的比较与选择42.2 有效值检测方案的比较与选择62.3 A/D 转换方案的比较与选择62.4 显示方式的设计方案的比较与选择93硬件设计93.1 总体设计框图93.2 单元电路设计103.2.1 OCL电路模块103.2.2 程控增益模块113.2.3 真有效值测量模块163.2.4 AC-DC转换模块173.3 总电路图184软件设计204.1 流程图204.2 程序215心得体会306
3、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(101000)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
4、,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 AbstractThe SPC OCL audio power amplifier with single-chip microcomputer as the main controller, through the digital potentiometer AD5220 to adjust the signal gain, accurately control the OC
5、L power output. And LCD liquid crystal display output power in real time.In OCL power amplifier parts: use NE5532 integrated chip as the former power amplification, made of discrete component level after amplifying circuit, realize the push-pull output. Power supply is + 15 v, the input signal volta
6、ge amplitude for mVrms (10 1000), the load for the eight European resistance. In SPC part: the depth of the negative feedback amplifier circuit design, through the digital potentiometer AD5220 size of depth of negative feedback resistance control, so as to adjust the signal gain, the purpose of accu
7、rate control of OCL power output. In AC - DC conversion parts: using AD736 chip set up circuit, the input voltage to the average - average - open square operation, can get really effective output voltage. In A/D module and liquid crystal display conversion parts: using TCL549 modulus conversion chip
8、 and LM016L LCD to analog output power is converted into digital signal, into single chip microcomputer, through single chip microcomputer program processing, sent to the LCD display. Key words: the OCL amplifier SPC.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AD522
9、0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(101000)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。1.2 A/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
10、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LM016L LCD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2.1 AD603引脚排列图2.2 AD603典型应用电路方案二:使用非易失性数字电位器X9313
11、控制运放的增益,编程简单,容易操作控制,成本低廉。 图2.3 X9313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10k至100K之间选择,以适应从宽带宽到低功耗的各种应用。该10k器件可提供650KHz带宽,100k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
12、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2.4 AD5220引脚图 图2.5 AD5220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
13、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0460kHz)、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200A.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2.6 AD736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.
14、3 A/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,
15、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2.7 MAX187/189功能框图图2.8 MAX187/189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,
16、构成各种廉价的测控应用系统。 图2.9 TCL549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2.10 PCF8591的引脚图 对于方案一,MAX187/189 虽然引脚少,结构简单,
17、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
18、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3.2.1 OCL电路模块电路图如图所示:图3.1 OCL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V T1 V T4 的额定功率,则可以实现不同的功率输出。 因为N
19、E5532 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3.2 OCL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3.3 AT89C52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
20、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
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