單片機(jī)程控音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

李 鵬，楊 宇，李加峰，樓然苗

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山 316022)

單片機(jī)程控音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

李 鵬，楊 宇，李加峰，樓然苗

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山 316022)

單片機(jī)程控音頻功率放大器,采用了宏晶公司的STC12C5A16S2高速單片機(jī)作為控制單元,使用四行中文LCD液晶顯示器,音量控制采用數(shù)字電位器DS1803,功率測(cè)量采用電壓互感器并經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后通過單片機(jī)的內(nèi)部AD采樣,從而求出輸出電壓的峰峰值及在8Ω負(fù)載上的輸出功率。音頻功率放大器工作時(shí)可顯示輸出電壓的峰峰值、輸出功率、設(shè)定音量、嘯叫頻率等中文信息,操作直觀簡(jiǎn)單,特別適合在小型便攜式音頻功率放大器上應(yīng)用。

單片機(jī);音頻;功率放大器;控制

數(shù)字電位器用在音頻放大器中可徹底消除機(jī)械結(jié)構(gòu)電位器使用年久后在調(diào)整音量、高低音、左右聲道平衡時(shí)出現(xiàn)的音頻噪聲,DS1803數(shù)字電位器是一種采用串行同步通訊控制的新型雙路數(shù)控電位器,具有三位獨(dú)立地址識(shí)別控制,用同一通訊線可控制7個(gè)數(shù)字電位器工作,在音頻功率放大器中應(yīng)用DS1803數(shù)字電位器及單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)電子音量程序控制、嘯叫自動(dòng)消除等先進(jìn)功能[1]。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1為單片機(jī)程控音頻功率放大器電路組成框圖。聲音信號(hào)經(jīng)前置放大器后由數(shù)字電位器控制音量大小。當(dāng)有嘯叫時(shí)由檢測(cè)電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),經(jīng)微控制器中斷方式控制音量電位器,實(shí)現(xiàn)嘯叫消除并自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài);輸出功率測(cè)定由電壓互感器將輸出電壓轉(zhuǎn)換成一定比例的小信號(hào)電壓,經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換算出峰峰值并在液晶屏上顯示,音量及聲道平衡控制可用按鍵設(shè)定。

圖1 單片機(jī)程控音頻功率放大器電路組成框圖Fig.1 Audio Power Amplifier circuit block chart

圖2 功率模塊電路原理圖Fig.2 Powermodule circuit schematic chart

圖3 DS1803數(shù)字電位器引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Pinout and internal structure chart

圖4 嘯叫檢測(cè)電路Fig.4 Howling detection circuit chart

圖5 電平及幅度變換電路原理圖Fig.5 Amplitude conversion circuit schematic chart

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 功率放大器電路

功率放大電路采用TI公司的TPA3112D1芯片制作,芯片具有四檔增益調(diào)節(jié)、最大輸出功率限制、差分或單端輸入選擇、短路故障狀態(tài)檢測(cè)輸出、功率電源關(guān)閉控制等先進(jìn)功能。模塊的正常工作電壓為8～26 V,設(shè)計(jì)中采用了12 V供電。圖2為TPA3112D1芯片典型應(yīng)用模塊電路的原理圖[2-4]。

2.2 音量控制電路

DS1803數(shù)字電位器內(nèi)部有一個(gè)可分256檔的2個(gè)獨(dú)立電位器,按型號(hào)有10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ三種規(guī)格,器件有貼片封裝及雙插直立封裝。圖3為器件引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,設(shè)計(jì)時(shí)單片機(jī)通過第9腳(同步時(shí)鐘端)及第10腳(數(shù)據(jù)端)發(fā)送及接收控制數(shù)據(jù),器件的地址是由其5、6、7三腳的電位決定的,可根據(jù)需要分別接高電平或低電平,共有0-7八種地址狀態(tài)。第1、3、4腳及第14、13、12腳分別為2個(gè)內(nèi)部數(shù)字電位器的3個(gè)外部引腳,音量控制電路中使用DS1803-100,電位器阻值為100 kΩ。

2.3 嘯叫檢測(cè)電路

嘯叫檢測(cè)電路用電壓比較器完成。當(dāng)電路的信號(hào)值大大超過正常值時(shí),通過電壓比較器輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào),從而通過單片機(jī)中斷方式立即控制音量電位器關(guān)閉聲音并經(jīng)一定延時(shí)后重新設(shè)定到正常位置,當(dāng)嘯叫發(fā)生時(shí)單片機(jī)還可以測(cè)出嘯叫頻率,在顯示屏上顯示嘯叫信息,圖4為采用電壓比較器LM358電路的嘯叫檢測(cè)電路,當(dāng)嘯叫時(shí)輸出低電平去單片機(jī)中斷接口。

2.4 功率測(cè)定電路

功率測(cè)定電路需要測(cè)量功率輸出級(jí)的電壓信號(hào)峰峰值,先由電平及幅度變換電路將0～30 V的交流電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的0～5 V以內(nèi)的直流電壓,再經(jīng)過單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換電路求出在8Ω負(fù)載上功率[5-8]。圖6為功率測(cè)定電路接口電路。電壓電平處理由電流型電壓互感器ZMPT101B及絕對(duì)值電路完成。互感器電流比為2mA:2 mA。

絕對(duì)值電路是取輸入信號(hào)電壓的絕對(duì)值作為輸出電壓的電路,即Vo=|Vin|。與橋式整流電路相比較,橋式整流電路也能將正、負(fù)電壓轉(zhuǎn)換成正電壓輸出,但在電壓轉(zhuǎn)換的過程中,存在二極管導(dǎo)通電壓損失。在小幅度信號(hào)時(shí)無法輸出小電壓,對(duì)大幅度信號(hào)整流輸出的也不是準(zhǔn)確的絕對(duì)值電壓。圖5所示的絕對(duì)值電路可消除二極管導(dǎo)通電壓的影響,能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)值電壓,因此,絕對(duì)值電路又稱為精密整流電路。該電路采用雙電源供電,電源電壓可從±3～±15 V范圍內(nèi)選擇,在采用NE5532芯片時(shí),適用的信號(hào)頻率上限可達(dá)到1 MHz。

2.5 信息顯示電路

信息顯示電路采用了中文液晶顯示器12864M-3,其內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集,能顯示4行×8個(gè)（16×16點(diǎn)陣）中文漢字,也可作圖形顯示，應(yīng)用中使用串行接口方式進(jìn)行信息顯示控制,接口15腳需接地。如想讓背光燈省電些,可將LCD板上兩個(gè)并聯(lián)限流電阻(510Ω)焊掉一個(gè)。

2.6 微控制電路

控制器采用宏晶公司STC12C5A16S2高速單片機(jī),運(yùn)行速度是普通單片機(jī)的8～12倍。可進(jìn)行在線程序?qū)懭?內(nèi)帶ADC、PWM、存儲(chǔ)、片內(nèi)時(shí)鐘等資源,特別適合開發(fā)設(shè)計(jì)使用,圖7為微控制器外圍電路,主要外圍電路有USB轉(zhuǎn)串口電路、按鍵電路、批示燈電路、供電選擇電路等。

3 主要程序設(shè)計(jì)

3.1 初始化程序

初始化程序是系統(tǒng)上電后進(jìn)行的一些必要設(shè)置,主要的處理工作有:功率放大器禁止輸出,將數(shù)字音量電位器置最小輸出;液晶屏初始條件設(shè)置;從存儲(chǔ)器中讀出控制參數(shù);設(shè)定內(nèi)部ADC、定時(shí)器、外中斷等寄存器,最后設(shè)置功率放大器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3.2 主程序

主程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序代碼,在功率放大器控制中通過實(shí)時(shí)采集輸出的電壓并在液晶屏上顯示出來,另外通過查詢按鍵進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整操作。圖8為主程序流程圖。

圖6 液晶顯示接口電路圖Fig.6 LCD display interface circuit chart

圖7 單片機(jī)主控板電路Fig.7 Themain control circuit chart

圖8 主程序流程圖Fig.8 The flow chartof themain program

3.3 電壓、功率計(jì)算程序

宏晶單片機(jī)內(nèi)置8路10位精度的片內(nèi)全并行(flash)(多指針并行查找)ADC轉(zhuǎn)換器,單次轉(zhuǎn)換速度可達(dá)3s,對(duì)端口模擬電壓信號(hào)可完成較高精度的快速采集運(yùn)算。主要電壓采集與功率計(jì)算過程為:打開ADC電源→選擇通道→啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換→等待完成→讀ADC值→計(jì)算電壓值→計(jì)算功率值→顯示刷新→結(jié)束。

3.4 音量控制程序

DS1803-100數(shù)字電位器采用串行同步通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入及讀出,圖9為讀寫時(shí)序標(biāo)準(zhǔn),由開始、地址、讀寫、命令、數(shù)據(jù)、停止等通訊過程構(gòu)成。向DS1803寫入數(shù)據(jù)時(shí),由控制、命令、數(shù)據(jù)共三個(gè)字節(jié)加上啟動(dòng)、停止信號(hào)完成。圖10為同時(shí)控制兩組電位器的寫入格式標(biāo)準(zhǔn),圖11為讀出DS1803中控制數(shù)據(jù)的格式標(biāo)準(zhǔn)。

4 性能指標(biāo)測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

(1)由輸入端接入10～500mv的正弦交流信號(hào),經(jīng)過前端放大電路放大后,信號(hào)進(jìn)入音頻功率放大模塊進(jìn)一步放大之后輸出到8Ω負(fù)載上，用示波器測(cè)量其最大輸出功率。

(2)在輸入端保持幅值不變情況下,測(cè)量20Hz到20 kHz幾個(gè)頻點(diǎn)的輸出電壓,以測(cè)試幅度頻率特性。

(3)進(jìn)行嘯叫檢測(cè)時(shí),負(fù)載端接喇叭,輸入信號(hào)用麥克風(fēng),通過調(diào)節(jié)音量電位器及改變麥克風(fēng)與喇叭的距離使產(chǎn)生嘯叫,以檢驗(yàn)嘯叫自動(dòng)抑制功能并從液晶屏上查看嘯叫頻率。

圖9 DS1803數(shù)字電位器讀寫時(shí)序圖Fig.9 Read and write timing chart

圖10 DS1803數(shù)字電位器寫數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)Fig.10 Write data format chart

圖11 DS1803數(shù)字電位器讀數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)Fig.11 Read data format chart

4.2 主要指標(biāo)

調(diào)試完成后的音頻功率放大器的主要指標(biāo)為:

(1)在輸入音頻信號(hào)有效值為20mV時(shí),可程控功率放大器的最大不失真輸出功率功率可達(dá)5W;

(2)放大器的頻率響應(yīng)范圍為50～15 kHz,電路整體效率≥80%;

(3)具有可靠的嘯叫抑制功能及嘯叫頻率顯示,測(cè)頻顯示誤差0.1 kHz。

5 總結(jié)

與常用功率放大器相比,使用單片機(jī)管理功率放大器,可以去消開關(guān)、調(diào)節(jié)電位器等機(jī)械部件,不僅提高了設(shè)備的可靠性與使用壽命,而且還能實(shí)時(shí)顯示一些工作參數(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)、定時(shí)開關(guān)機(jī)或遠(yuǎn)程遙控操作等功能,在功率放大器設(shè)計(jì)生產(chǎn)中具有應(yīng)用價(jià)值。

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M icrocontroller SPC Audio Power Amplifier Design

LIPeng，YANG Yu，LIJia-feng，et al
（Naval Architecture and Marine Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

Microcontroller SPC audio power amplifier adopted Hongjing corporation STC12C5A16S2 high speed microcontroller as control unit，used four lines Chinese LCD，adopted DCPSDS1803 as volume control，power measurement adopted voltage transformer and after level switching，sampling inner AD through Microcontroller，thereby，worked out output voltage peak value and output power of 8Ωload.When the audio power amplifier work can display Chinese：output peak value voltage，output power，setting volume，howling frequency.It is simple in operation，especially suit for Small portable audio power amplifier.

microcontroller；audio；power amplifier；control

TP368.1

A

1008-830X（2014）05-0463-04

2014-07-11

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201410340006）

李鵬(1994-),男,山西晉中人,研究方向:單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).