程控音频OCL功率放大器.doc

武汉理工大学《程控音频OCL功率放大器》
课程设计任务书

学生姓名: 专业班级：
指导教师： 刘雪冬 工作单位： 武汉理工大学
题 目: 程控音频OCL功率放大器
初始条件：
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)的相对误差为。

要求完成的主要任务
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。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
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。在交流信号输入端短路接地时，可使得输出端交流信号小于3 ;频率响应在（20～22000）Hz 范围内，实现了输出信号无失真。关键词：OCL 功放， 程控。

ABSTRACT
Programme-controlled Audio OCL Power AmplifierAbstract: The programme-controlled Audio OCL power amplifier is basedon a MCU controller. It can control output power of OCL nicety bydual digital potentiometer AD5520. When a short circuit is caused at AC signalinput port , the output AC signal is lower than 2 .And outputsignal is not distortion between 20 to 22000Hz.Keywords: OCL Power Amplifier，Programme-controlled.

前言
全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们
尽快开发出高效、节能、数字化的音频功率放大器，它应该具有输出功率可程序
控制和失真度低的特点。OCL 功放电路采用双电源供电方式，输出端直流电位为
零，由于没有输出电容，低频特性很好，扬声器一端接地，一端直接与功放输出
端相接。单片机具有功耗低、功能强和可在线编程控制等显著优点，在自动化装
置、智能仪器仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。
本设计将单片机与音频OCL 功率放大器结合起来，设计了一款新颖的程控音
频OCL 功率放大器。

1. 基本原理

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CD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幅度为：500mV
具体是：通过控制放大电路的深度负反馈电阻R9、R7以及数字电位器的电阻来改变增益。
公式为：增益A=1+（R9+数字电位器电阻）/R7，为保证输出功率为7.5W，经计算，各参数值设定为R9=100k，R7=10k。

其中，数字电位器的电阻用单片机用程序控制，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AD637将交流输出信号转变成对应的功率有效值。再通过PCF8591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LM016L LCD显示出实时功率。

2.方案论证
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1：AD603引脚排列

图2：AD603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4：AD5200引脚图 图5：AD5520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，借助TRMS/DC 转换器值。真有效值转换芯片AD637 是高准确度的单片真有效值/直流流转换器,测量误差<(0.2%计数+0.5mV),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。
比较两种方案，我们选择方案二，使用AD637 直接获得输出真有效值。

图6：AD637内部结构图
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7：MAX187/189功能框图

图8：MAX187/189引脚图
方案二：
采用A/D转换器ADC0809进行A/D转换，ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
主要特性：
　　1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
　　2）具有转换起停控制端。
　　3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）　
　　4）单个+5V电源供电
　　5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
　　6）工作温度范围为-40～+85摄氏度
7）低功耗，约15mW

图9：ADC0809引脚图及功能框图
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10：PCF8591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ADC0809进行A/D转换，而且虽然引线多了点但是功耗低，但是不会编写控制程序。所以选用方案三也足以满足设计要求。
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。

图11：LM032

3.硬件设计
3.1 总体设计
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12：系统设计框图

3.2 单元电路设计
3.2.1 增益控制模块

图13：数字电位器电路连接

AD5220中包含有多个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和三个端点都可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由CS、U/D 和INC三个输入端控制。滑动端的位置可以被贮存在一个非易失性存储器中在下一次上电工作时可以重新调用。CS非接入位低电平时，每当CLK有下降沿到来时，若U/D为高电平，则W1向上滑动一个单元，反之则向下滑动一个单元。

3.2.2 OCL 电路模块

图14：OCL增益可调功率放大电路
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Q3 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NE5532 的开环放大倍数很高,数字电位器AD5520、R9可构成大环电压深度负反馈,所以电压增益为增益A=1+（R9+数字电位器电阻）/R7，为保证输出功率为7.5W，经计算，各参数值设定为R9=100k，R7=10k。改变R8的值可是增益变化范围为20～30。

3.2.3真有效值测量模块

图15：真有效值检测

真有效值检测电路采用集成真有效值变换芯片AD637，直接输出被测复杂信
号的真有效值。AD637 可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5%，且外围
元件少，频带宽。对于一个有效值为2V 的信号，它的3dB 带宽为8MHz，并且可
对输入信号的电平以dB 形式指示。图中C21是耦合电容，平均电容C32是AD637的关键外围元件，尽管增加C32的容量可减少纹波电压产生的电压的交流误差，但稳定时间也相应增加，测量时间延长。电位器R23是用来调整9脚的输出电压，输入1V的标准直流电压，调整R23使Vo=1.000V。若选择2Vp-p的正弦波则输出为0.707的直流电压，9脚输出电压Vo=Vin然后送到ADC0809中完成A/D转换及显示。

3.2.4 A/D转换模块

图16：A/D模块

PCF8591A/D 转换器采用逐次逼近转换技术。在A/D 转换周期将临时使用片上D/A 转换器和高增益比较器。
一个A/D 转换周期总是开始于发送一个有效读模式地址给PCF8591 之后。A/D 转换周期在应答时钟脉冲的后沿被触发，并在传输前一次转换结果时执行。一旦一个转换周期被触发，所选通道的输入电压采样将保存到芯片并被转换为对应的8 位二进制码取自差分输入的采样将被转换为8 位二进制补码。
转换结果被保存在ADC 数据寄存器等待传输。如果自动增量标志被置1，将选择下一个通道。在读周期传输的第一个字节包含前一次读周期的转换结果代码。以上电复位之后读取的第一个字节在开始和停止条件之间从发送机传输到接收机的数据字节数是没有限制的。每个8 位数据字节之后紧跟着一个应答位。应答位是由发送机放在总线的一个高电平，而主机也产生一个额外的与应答有关的时钟脉冲。地址匹配的从接收机必须在接收每个字节后产生一个应答。然而主机在接收到每个已经被从发送机终止的字节后必须产生一个应答。在应答时钟脉冲期间，应答的器件必须将SDA 线拉低，因此在应答相应的时钟脉冲的高电平期间，SDA 线必须保持稳定的低电平。在由从机终止的最后一个字节，主接收机必须通过产生一个低电平应答向发送机发出一个数据结束信号，这样发送机必须将数据线拉高以允许主机产生停止条件。
3.2.5 LM016L显示模块

图 17：LM016L显示连接图

4.软件设计
4.1 流程图

图17：软件流程图

4.2 程序
4.2.1 AD转换与LCD液晶显示源程序

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