单片机程控音频功率放大器的设计

李 鹏，杨 宇，李加峰，楼然苗

(浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山 316022)

单片机程控音频功率放大器的设计

李 鹏，杨 宇，李加峰，楼然苗

(浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山 316022)

单片机程控音频功率放大器,采用了宏晶公司的STC12C5A16S2高速单片机作为控制单元,使用四行中文LCD液晶显示器,音量控制采用数字电位器DS1803,功率测量采用电压互感器并经过电平转换后通过单片机的内部AD采样,从而求出输出电压的峰峰值及在8Ω负载上的输出功率。音频功率放大器工作时可显示输出电压的峰峰值、输出功率、设定音量、啸叫频率等中文信息,操作直观简单,特别适合在小型便携式音频功率放大器上应用。

单片机;音频;功率放大器;控制

数字电位器用在音频放大器中可彻底消除机械结构电位器使用年久后在调整音量、高低音、左右声道平衡时出现的音频噪声,DS1803数字电位器是一种采用串行同步通讯控制的新型双路数控电位器,具有三位独立地址识别控制,用同一通讯线可控制7个数字电位器工作,在音频功率放大器中应用DS1803数字电位器及单片机可实现电子音量程序控制、啸叫自动消除等先进功能[1]。

1 设计方案

图1为单片机程控音频功率放大器电路组成框图。声音信号经前置放大器后由数字电位器控制音量大小。当有啸叫时由检测电路产生触发信号,经微控制器中断方式控制音量电位器,实现啸叫消除并自动恢复到正常工作状态;输出功率测定由电压互感器将输出电压转换成一定比例的小信号电压,经单片机内部AD转换算出峰峰值并在液晶屏上显示,音量及声道平衡控制可用按键设定。

图1 单片机程控音频功率放大器电路组成框图Fig.1 Audio Power Amplifier circuit block chart

图2 功率模块电路原理图Fig.2 Powermodule circuit schematic chart

图3 DS1803数字电位器引脚及内部结构图Fig.3 Pinout and internal structure chart

图4 啸叫检测电路Fig.4 Howling detection circuit chart

图5 电平及幅度变换电路原理图Fig.5 Amplitude conversion circuit schematic chart

2 主要电路设计

2.1 功率放大器电路

功率放大电路采用TI公司的TPA3112D1芯片制作,芯片具有四档增益调节、最大输出功率限制、差分或单端输入选择、短路故障状态检测输出、功率电源关闭控制等先进功能。模块的正常工作电压为8～26 V,设计中采用了12 V供电。图2为TPA3112D1芯片典型应用模块电路的原理图[2-4]。

2.2 音量控制电路

DS1803数字电位器内部有一个可分256档的2个独立电位器,按型号有10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ三种规格,器件有贴片封装及双插直立封装。图3为器件引脚排列及内部结构图,设计时单片机通过第9脚(同步时钟端)及第10脚(数据端)发送及接收控制数据,器件的地址是由其5、6、7三脚的电位决定的,可根据需要分别接高电平或低电平,共有0-7八种地址状态。第1、3、4脚及第14、13、12脚分别为2个内部数字电位器的3个外部引脚,音量控制电路中使用DS1803-100,电位器阻值为100 kΩ。

2.3 啸叫检测电路

啸叫检测电路用电压比较器完成。当电路的信号值大大超过正常值时,通过电压比较器输出一个触发信号,从而通过单片机中断方式立即控制音量电位器关闭声音并经一定延时后重新设定到正常位置,当啸叫发生时单片机还可以测出啸叫频率,在显示屏上显示啸叫信息,图4为采用电压比较器LM358电路的啸叫检测电路,当啸叫时输出低电平去单片机中断接口。

2.4 功率测定电路

功率测定电路需要测量功率输出级的电压信号峰峰值,先由电平及幅度变换电路将0～30 V的交流电压转换为对应的0～5 V以内的直流电压,再经过单片机AD转换电路求出在8Ω负载上功率[5-8]。图6为功率测定电路接口电路。电压电平处理由电流型电压互感器ZMPT101B及绝对值电路完成。互感器电流比为2mA:2 mA。

绝对值电路是取输入信号电压的绝对值作为输出电压的电路,即Vo=|Vin|。与桥式整流电路相比较,桥式整流电路也能将正、负电压转换成正电压输出,但在电压转换的过程中,存在二极管导通电压损失。在小幅度信号时无法输出小电压,对大幅度信号整流输出的也不是准确的绝对值电压。图5所示的绝对值电路可消除二极管导通电压的影响,能够输出标准的绝对值电压,因此,绝对值电路又称为精密整流电路。该电路采用双电源供电,电源电压可从±3～±15 V范围内选择,在采用NE5532芯片时,适用的信号频率上限可达到1 MHz。

2.5 信息显示电路

信息显示电路采用了中文液晶显示器12864M-3,其内置8 192个16×16点汉字库和128个16×8点ASCII字符集,能显示4行×8个（16×16点阵）中文汉字,也可作图形显示，应用中使用串行接口方式进行信息显示控制,接口15脚需接地。如想让背光灯省电些,可将LCD板上两个并联限流电阻(510Ω)焊掉一个。

2.6 微控制电路

控制器采用宏晶公司STC12C5A16S2高速单片机,运行速度是普通单片机的8～12倍。可进行在线程序写入,内带ADC、PWM、存储、片内时钟等资源,特别适合开发设计使用,图7为微控制器外围电路,主要外围电路有USB转串口电路、按键电路、批示灯电路、供电选择电路等。

3 主要程序设计

3.1 初始化程序

初始化程序是系统上电后进行的一些必要设置,主要的处理工作有:功率放大器禁止输出,将数字音量电位器置最小输出;液晶屏初始条件设置;从存储器中读出控制参数;设定内部ADC、定时器、外中断等寄存器,最后设置功率放大器进入正常工作状态。

3.2 主程序

主程序是一个循环运行的程序代码,在功率放大器控制中通过实时采集输出的电压并在液晶屏上显示出来,另外通过查询按键进行相应的参数调整操作。图8为主程序流程图。

图6 液晶显示接口电路图Fig.6 LCD display interface circuit chart

图7 单片机主控板电路Fig.7 Themain control circuit chart

图8 主程序流程图Fig.8 The flow chartof themain program

3.3 电压、功率计算程序

宏晶单片机内置8路10位精度的片内全并行(flash)(多指针并行查找)ADC转换器,单次转换速度可达3s,对端口模拟电压信号可完成较高精度的快速采集运算。主要电压采集与功率计算过程为:打开ADC电源→选择通道→启动ADC转换→等待完成→读ADC值→计算电压值→计算功率值→显示刷新→结束。

3.4 音量控制程序

DS1803-100数字电位器采用串行同步通讯进行数据写入及读出,图9为读写时序标准,由开始、地址、读写、命令、数据、停止等通讯过程构成。向DS1803写入数据时,由控制、命令、数据共三个字节加上启动、停止信号完成。图10为同时控制两组电位器的写入格式标准,图11为读出DS1803中控制数据的格式标准。

4 性能指标测试

4.1 测试方法

(1)由输入端接入10～500mv的正弦交流信号,经过前端放大电路放大后,信号进入音频功率放大模块进一步放大之后输出到8Ω负载上，用示波器测量其最大输出功率。

(2)在输入端保持幅值不变情况下,测量20Hz到20 kHz几个频点的输出电压,以测试幅度频率特性。

(3)进行啸叫检测时,负载端接喇叭,输入信号用麦克风,通过调节音量电位器及改变麦克风与喇叭的距离使产生啸叫,以检验啸叫自动抑制功能并从液晶屏上查看啸叫频率。

图9 DS1803数字电位器读写时序图Fig.9 Read and write timing chart

图10 DS1803数字电位器写数据格式标准Fig.10 Write data format chart

图11 DS1803数字电位器读数据格式标准Fig.11 Read data format chart

4.2 主要指标

调试完成后的音频功率放大器的主要指标为:

(1)在输入音频信号有效值为20mV时,可程控功率放大器的最大不失真输出功率功率可达5W;

(2)放大器的频率响应范围为50～15 kHz,电路整体效率≥80%;

(3)具有可靠的啸叫抑制功能及啸叫频率显示,测频显示误差0.1 kHz。

5 总结

与常用功率放大器相比,使用单片机管理功率放大器,可以去消开关、调节电位器等机械部件,不仅提高了设备的可靠性与使用寿命,而且还能实时显示一些工作参数,实现自动保护、定时开关机或远程遥控操作等功能,在功率放大器设计生产中具有应用价值。

[1]王东平.双数字电位器[J].电子技术，1996（12）：17-18.

[2]应建华，曾 强，谢金纯.低失真、高PSRR的D类音频功率放大器[J].华中科技大学学报：自然科学版，2008，36（8）：52-55.

[3]何卫东，蒋亚东.新型桥式连接音频功率放大器设计[J].传感技术学报，2006，19（5）：1 585-1 587.

[4]倪 磊.D类音频功率放大器的分析和设计要素[J].电子与封装，2008，8（6）：21-25.

[5]王学伟.精密交流功率测量中拍频的产生及抑制[J].哈尔滨电工学院学报，1989，12（2）：173-178.

[6]王秀芳，刘增水.基于单片机P89V51RD2功率测量仪的设计[J].仪表技术，2010（11）：23-25.

[7]王金友.交流工频电参数综合测量仪的设计[J].潍坊学院学报，2006，6（6）：43-45.

[8]邢丽娟，孔祥新，刘荫琦，等.一种简单可靠的并网测频锁相方法[J].电子技术，2014（8）：80-82.

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

国家级大学生创新创业训练计划创新训练项目（201410340006）

李鹏(1994-),男,山西晋中人,研究方向:单片机应用设计.