音频功率放大电路设计.docx

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音频功率放大电路设计

摘要：

本文所介绍的由单片机控制的音频放大电路，具有操作方便，音质效果好等特点。

而且，整个音频放大器驱动电压范围广，从5V到15V均可做为音频功率放大电路的驱动电源。

本电路采用TDA2030作为功率放大器，工作电压是+15v。

它将输入的电流进行放大，然后驱动喇叭工作。

TDA2030具有体积小，输出功率大，失真小等特点，功率放大器内含多种保护电路，工作安全可靠性高。

本电路通过LF353对音频信号进行前级放大，通过DAC0832对前级放大进行控制，并通过键盘输入由STC89C52单片机对放大倍数进行控制由液晶显示放大倍数。

关键词:

DAC0832；TDA2030；音频放大器；功率

TheDesignofAudioPowerAmplifier

Abstract:

Thispaperintroducesthemicrocomputercontrolledbytheaudioamplificationcircuit,hastheadvantagesofconvenientoperation,perfectsoundqualitycharacteristics.Moreover,theaudioamplifierdrivingvoltagerangeiswide,from5Vto15Vcanbeusedasanaudiopoweramplificationcircuitforthedrivingpowersupply.ThecircuitusesTDA2030asthepoweramplifier,theoperatingvoltageis+15v.Itwillbetheinputcurrentisamplified,thendrivesaloudspeakertowork.TDA2030hastheadvantagesofsmallvolume,highoutputpower,lowdistortioncharacteristics,poweramplifiercontainingavarietyofprotectioncircuit,highoperatingsafety.ThecircuitthroughtheLF353foraudiosignalpreamplifier,throughDAC0832ontheprecedingstageamplifyingcontrol,andthroughthekeyboardinputbytheSTC89C52chipamplificationcontroliscomposedofaliquidcrystaldisplaymagnification.

Keywords:

DAC0832；TDA2030；audioamplifier；power

第1章前言

1.1课题的意义、目的

研究音频功率放大器的意义在于，音频功率放大电路设计的领域十分广泛，在我们身边的许多电子产品中都会有它的身影，小到我们平时听歌的mp4，大到城防警报系统，还有许多需要放大音频信号的地方都要用到音频功率放大电路，身为电子信息工程专业的一名毕业生我有必要仔细研究一下它的工作原理以及构成，通过细致的研究希望能在今后的工作以及相关类似产品的研究维修方面给我提供经验。

1.2主要研究内容、范围

对于音频功率放大电路设计的研究内容由硬件和软件两大部分组成，硬件部分由前级放大电路、功率放大电路、按键电路、喇叭输入电路以及单片机电路组成，软件部分由键盘扫描、液晶显示、单片机控制等部分构成。

研究的范围是在音频信号在人耳接受的20~20000Hz的频率范围内对麦克风出入进来的声音信号进行相应放大倍数的放大最后由喇叭输出。

1.3应解决的问题

我本次研究的课题和我以往研究的课题有很大的不同，原来研究的课题都是对软件的程序上要就比较高，这次的音频功率放大电路设计的难点在于硬件电路各个元器件的选取上，因为功放的技术指标要求相对较为细致，输入电压输入阻抗，失真度，负载能力等一系列指标的要求下对硬件电路的设计尤其是元器件的选择就要多下功夫进行一些列的计算，需要不断地调试硬件电路才达到了相应的技术指标。

软件方面需要解决的问题是熟练掌握C语言对单片机系统进行编程，编写程序时加强对程序层次化设计的能力以及程序的可读性，不断地修改程序最终实现功能。

第2章总体设计方案

2.1设计思路

2.1.1设计目的及要求

（1）学习电子电路、单片机的硬件设计与软件编程。

（2）熟悉各种功放电路的原理，选择合适的音频功放电路。

（3）进行硬件电路的制作，编写程序并完成软硬件调试。

（4）撰写论文。

2.1.2技术指标

（1）音频范围20Hz～20KHz，麦克风输入音频信号。

（2）失真度0.5%～1%。

（3）输入电压范围100mV～4V,输入阻抗10KΩ。

（4）输出负载能力8Ω/4Ω。

2.2总体设计方案

方案一：

采用模拟电路设计该音频放大器的设计方案主要由电源部分和功放部分组成，它分别由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成稳压电源，由TDA2822，耦合电容，电阻组成功放电路。

根据电路对不同电压的需求可以由电源部分随时改变电压值，根据电源提供不同的电压值相应功放的带载能力也会不同。

由音频信号发生器提供信号源，通过功放管进行功率放大从而达到对音频信号放大的目的，最后用扬声器或是示波器来观测显示结果记录相应的数据。

优点：

用模拟电路设计的音频功率放大电路其优点是电路中设计了电源部分，所以在连接电源的过程中会更加的方便且不需要编写任何程序。

缺点：

元器件数量颇多加大了焊接的难度，在器件的选择方面难度较大需经过大量的理论计算，调试过程较为复杂且失真度较大。

图2-1硬件原理框图

方案二：

该设计思路中由单片机、液晶、键盘、前级放大、功率放大、喇叭等模块组成。

图2-2硬件原理图

缺点：

需要掌握相关单片机程序的编写，由于功放和单片机供电不同造成电源连接复杂。

优点：

单片机控制下的设计思路就大大简化了硬件电路部分的元器件的选择，一切都可以由不同种类的芯片代替，在设计的指标方面都可以更好的达到标准，简化后期调试工作，通过软件的编写也让电路的操作方面得到了优化，通过按键便可以选取不同的放大倍数，这样的操作方式也更具人性化更符合电子产品设计的初衷[1]。

综上所述：

选择采用单片机为核心的设计思路对音频功率放大电路进行下一步系统的设计工作。

第3章硬件电路设计

3.1总体硬件电路设计

以单片机为核心的音频功率放大电路硬件电路主要有单片机外围电路，液晶显示电路，麦克风输入电路，前级放大电路数模转换电路，功率放大电路组成[2]。

硬件部分由麦克风输入音频信号经过前级放大将音频信号进行放大然后由单片机控制DAC0832进行放大倍数的选择再经过功率放大输出给喇叭再由喇叭输出放大之后的音频信号，下面分别介绍各模块的硬件电路[2,3,4]。

图3-1硬件电路总体框图

3.2麦克风输入电路

麦克风在输入之前采用模拟电路的放大电路对声音信号进行放大[10]，由于采用的是驻极体话筒所以由话筒得到的信号十分微弱需要放大电路对信号进行放大处理。

图3-2麦克风输入电路图

3.3前级放大电路模块设计

3.3.1前级放大模块的比较以及选定

（1）选用继电器控制前级放大

图3-3继电器控制前级放大图

用继电器控制对不同阻值大小的电阻的选择进而可以控制不同的放大倍数。

（2）模拟开关控制前级放大

图3-4模拟开关控制前级放大图

用模拟开关的断和同来控制放大倍数。

（3）用DAC0832程控前级放大

图3-5DAC0832控制前级放大

前级放大100倍后用单片机控制DAC0832进行衰减。

由以上三种方案可以看出，用电磁继电器和用模拟电路控制选择不同的放大倍数来达到放大的目的电路较为复杂且焊接繁琐，因为选择不同的放大倍数所以对放大倍数的精确性要求就很高就；需要前期进行大量的理论计算和实际调试且对于今后的放大倍数的操作也十分不简便，而用STC89C52控制DAC0832来改变参考电压的大小，由前级放大电路提供参考电压然后再由11脚输出改变的电压信号给功率放大电路，这样使得操作简便也大大简化了电路，所以综上比较选择第三种方案[9]。

3.3,2前级放大的设计

前级放大电路是由运放LF353前级放大分别放大10倍，总共放大100倍。

LF353的工作电压是+15v，将7号输出脚的信号作为DAC0832的输入。

图3-6前级放大硬件电路

3.4STC89C52电路设计

3.4.1STC89C52单片机介绍

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图3-7STC89C52引脚图

3.4.2STC89C52单片机设计

STC89C52是比较常用的52系列单片机。

它的工作电压是+5v。

外围电路加上12M的晶振，使其正常工作。

P0端口通过附加1K的排阻来提高电路带载能力，P0连接液晶显示模块，P1端口用来连接按键模块，P2端口控制DAC0832通过对P2端口赋值来改变

输出增益的大小。

通过11，12脚连接下载线并将写好的程序下载到单片机当中。

图3-8单片机模块引脚图

3.4.3单片机时钟电路设计

STC89C52等CMOS型单片机内部有一个可控的反相放大器，引脚XTAL1、XTAL2为反相放大器的输入端和输出端，在XTAL1、XTAL2上外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容便组成振荡器。

电容C1、C2的典型值为30pF

pF（晶振）或40pF

10pF（陶瓷谐振器）。

振荡器频率主要取决于晶振（或陶瓷谐振器）的频率，但必须小于器件所允许的最高频率。

振荡器的工作受（PCON.1）控制，复位以后PD=0振荡器工作，可由软件置“1”PD，使振荡器停止振荡，从而使整个单片机停止工作，以达到节电目的。

CMOS型单片机也可以从外部输入时钟。

图3-9单片机时钟电路图

3.51602液晶电路设计

3.5.11602液晶介绍

液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后改变光线的传输方向的特性实现显示原理的。

液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富、无辐射危险，平面直角显示以及影相稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点，在单片机应用中得到了日益广泛的应用。

液晶显示器按其功能可分为三类：

笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。

前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。

字符型的液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式液晶显示模块，它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成的，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。

点阵字符位之间有一定点距的间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。

要使用点阵式LCD液晶显示器，必须有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储写入的命令和显示字符的点阵。

现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。

使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以实现显示所须的信息。

目前市场上常用的有16字×1行，16字×2行，20字×2行和40字×2行等的字符液晶显示模块。

这些LCM虽然显示字数各个不相同，但是都有相同的输入输出界面。

本设计中所用的液晶显示模块的显示容量为16×2字符型液晶显示模块；芯片工作电压：

4.5—5.5V；工作电流：

2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压：

5.0V；字符尺寸：

2.95×4.35（W×H）mm。

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD采用标准的14（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表三所示：

第1脚：

VSS电源地。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL液晶显示偏压信号，为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读/写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

BLA背光源正极。

第16脚：

BLK背光源负极。

1602的内部结构以及显示原理

液晶显示模块RT—1602C的内部结构可以分成三部分：

一为LCD控制器，二为LCD驱动器，三为LCD显示装置。

图3-10液晶显示模块RT—1602C的内部结构

控制器采用HD44780，驱动器采用HD44100。

HD44780是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。

HD44100是作扩展显示字符位的。

HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。

HD44780集成电路的特点：

（1）可选择5*7或5*10点字符。

（2）HD44780不仅可作为控制器，而且还具有驱动16*40点阵液晶像素的能力，并且HD44780的驱动能力还可通过外接驱动器扩展360列驱动。

HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5*80=400点，HD44780内藏有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具有驱动16*40点阵LCD的能力（即单行16个字符或两行8个字符）。

如果在外部加一HD44100外扩展40路/列驱动，则可驱动16*2LCD。

（3）HD44780的显示缓冲区DDRAM、字符发生存储器（ROM）及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯片内。

HD44780有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H—27H，40H—67H，它们实际显示位置的排列顺序跟LCD的型号有关，液晶显示模块RT—1602C的显示地址与实际显示位置的关系。

HD44780内藏的字符发生存储器（ROM）已经存储了160个不同的点阵字符图。

表3-11602的标准字库

UPPER4

BIT

0000

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1010

1011

1100

1101

1110

1111

LOWER4

BIT

RAM

Xxxx

0000

（1）

ー

タ

ミ

0001

（2）

。

ア

チ

ム

0010

（3）

“

┌

イ

ッ

メ

0011

（4）

┘

ウ

テ

モ

∞

0100

（5）

、

エ

ト

ャ

0101

（6）

•

オ

ナ

ュ

这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。

如数字“1”的代码是00110001B（31H），又如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），可以看出英文字母的代码与ASCII编码相同。

要显示“1”时，只需将ASCII码31H存入DDRAM指定的位置，显示模块将在相应的位置把数字“1”的点阵字符图形显示出来，我们就能看到数字“1”了。

（3）D44780具有8位数据和4位数据传输两种方式，可与4/8位CPU相连。

（4）D44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。

HD44780的工作原理：

示数据存储器DDRAM

DDRAM用来存放要LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码送入DDRAM，内部控制电路会自动将数据传送到显示器上。

符发生器CGROM

HD44780内藏的字符发生存储器（CGRAM），存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。

字符发生器CGRAM

CGRAM是供使用者储存自行设计的特殊造型的造型码RAM，CGRAM共有512BIT（64字节）。

一个5*7点矩阵字型占用8*8BIT，所以CGRAM最多可存8个造型。

指令寄存器IR

指令寄存器IR负责储存单片机要写给LCM的指令码。

当单片机要发送一个命令到IR时，必须要控制LCM的RS、R/W及E这三个引脚，当RS及R/W引脚信号为0，E引脚信号由1变为0时，就会把在D0—D7引脚上的数据送入IR。

数据寄存器DR

数据寄存器DR负责储存单片机要写到CGRAM或DDRAM的数据，或储存单片机要从CGRAM或DDRAM读出的数据，因此DR可视为一个数据缓冲区，它也是由LCM的RS、R/W及E这三个引脚来控制。

当RS及R/W引脚信号为1，E引脚信号为1时，LCM会将DR内的数据由D0—D7输出。

以供单片机读取；当RS引脚信号为1，E引脚信号由1变为0时，就会把在D0—D7引脚上的数据存如DR。

忙碌标志信号BF（忙标志）

BF的功能是告诉单片机，LCM内部是否正忙着处理数据。

当BF=1时，表示LCM内部正在处理数据，不能接受单片机送来的指令和数据。

LCM设置BF的原因为单片机处理一个指令的时间很短，只需几微秒的时间，而LCM需要40US-1.64MS的时间，所以单片机要写数据或指令到LCM之前，必须先查看BF是否为0。

地址计数器AC

AC的工作是负责计数写到CGRAM、DORAM数据的地址，或从DDRAM、CGRAM读出数据的地址。

使用地址设定指令写到IR后，则地址数据会经过指令解码器，再存入AC。

当单片机从DDRAM或CGRAM存取资料时，AC依照单片机对LCM的操作而自动修改它的地址计数值。

表3-2HD44780接口部信号逻辑功能组合表

R/W

D7-D0

功能

下降沿

输入态

写指令代码

高电平

输出态

读忙标志和AC码

下降沿

输入态

写数据

高电平

输出态

读数据

用单片机来控制LCM，方式十分简单，LCM其内部可以看成两组寄存器，一个为指令寄存器IR，一个为数据寄存器DR，由RS引脚来控制。

所有对指令寄存器或数据寄存器的存取均需要检查LCM内部的标志BF，此标志用来告知正在工作，并不允许接受任何的控制命令。

而此位的检查可以令RS=0，用读取D7来加以判断，当D7为0时，才可以写入指令或数据寄存器。

LCM控制指令有11组，以下分别介绍。

表3-3清屏功能

R/W

指令代码为01H，将DDRAM数据全部填入“空白”的ASCII代码20H，执行此指令将清除显示器的内容，同时光标移到左上角。

表3-4光标归位功能

R/W

指令代码为02H，地址计数器AC被清0，DDRAM数据不变，光标移到左上角。

X表示可以为0也可以为1。

表3-5输入方式设置

R/W

I/D

当I/D=1时，光标从左向右移动；I/O=0时，光标从右往左移动。

当S=1时，内容移动，S=0时，内容不移动。

表3-6显示开关控制

R/W

指令代码为08H—0FH。

该指令控制字符、光标以及闪烁开与关，有3个状态位D、C、B，这3个状态位分别控制着字符、光标和闪烁的显示状态。

D是字符显示状态位。

当D=1时为开显示，D=0时为光标移动。

光标为底线形式（5*1点阵），光标的位置由地址指针计数器AC确定，并随其变动移动。

当AC值超出了字符的显示范围，光标将随之消失。

B是光标闪烁显示状态位。

当B=1时；B=0时，光标不闪烁。

表3-7光标、字符位移

R/W

S/C

R/L

执行该指令将产生字符或光标向左或向右滚动一个字符位。

如果定时间隔地执行该指令，将产生字符或光标的平滑滚动。

表3-8功能设置

R/W

设置数据位数，当DL=1时数据位为8位，DL=0时数据位为4位。

设置显示行数，当N=1时双行显示，N=0时单行显示。

设置字形大小，当F=1时5*10点阵，F=0时为5*7点阵。

表3-9CGRAM地址设置

R/W

设置用户自定义CGRAM的地址，对用户自定义CGRAM访问时，要先设定CGRAM的地址，地址范畴为0—63。

表3-10DDRAM地址设置

R/W

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