数字助听器.docx
《数字助听器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字助听器.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字助听器
题目：
数字助听器
设计人员：
指导老师：
日期：
二零一一年六月十日
摘要
本系统由前级放大电路、可控增益放大器、程控滤波器和功率放大电路等组成。
可控增益放大器以模拟开关DG201为核心器件而组成，实现了输出增益动态调整；程控滤波器由集成开关电容滤波芯片MAX262组成，实现了动态滤波功能。
本设计以Atmega128为主控芯片，12864液晶作为显示界面，无线红外遥控控制键盘。
系统性能指标到达设计要求，工作性能稳定可靠，用户界面友好。
关键词：
程控放大器程控滤波器
Abstract：
Thesystemconsistsofpreamplifiercircuit,controllablegainamplifiers,programmablefilters,andpoweramplifiercircuit.ControllablegainamplifiertosimulatetheswitchDG201asthecorecomponentcomposition,program-controlledtoachievethedynamicadjustmentofoutputgain;programmablefilterchipbyanintegratedswitchedcapacitorfiltercomposedofMAX262toachieveadynamicfiltering.ToAtmega128forthemainchip,12864LCDasthedisplayinterface,wirelessinfraredremotecontrolasakeyboard.Systemperformancetoreachthedesignrequirements,thesystemisreliable,userfriendlyinterface.
Keyboards:
ProgrammableGainAmplifierProgrammablefilter
目录
摘要：
2
目录3
1方案论证4
1.1前置放大模块方案4
1.2程控放大器模块方案4
1.3程控滤波器模块方案4
1.4功率放大模块方案4
1.5显示模块方案5
1.6键盘输入模块方案5
2系统设计5
2.1总体设计及框图5
2.2主要电路设计与分析6
2.2.1前置放大电路6
2.2.2功率放大电路6
2.2.3程控放大电路7
2.2.4程控滤波电路8
2.3软件设计8
3测试结果及分析9
3.1测试环境和器件9
3.2测试结果9
3.2.1放大增益测试9
3.2.2通频带测试9
3.2.3总测试结果10
3.3结果分析10
4总结10
5参考文献10
附录Ⅰ：
11
1方案论证
1.1前置放大模块方案
方案一：
采用分离元件搭成。
这种方案设计灵活，设计好电路，能够很好发挥话筒的性能，且能有效抑制噪声。
方案二：
采用集成运放搭成的前置放大电路。
这种方案设计简单，且性能可靠。
但考虑到驻级话筒自身的特点，变化范围大，只能用分离元件搭建。
1.2程控放大器模块方案
方案一：
采用可控增益放大器。
由于一般的增益放大器的放大倍数只有几级，不是我们需要的放大倍数。
因此，选择可控增益放大器不合适。
方案二：
采用ADDA来完成增益放大，这种方案对单片机自带有ADDA来说是一个不错的选择，但对没有DA的单片机来说，就不再适合了。
方案三：
采用模拟开关和运算放大器构成。
通过模拟开关选择不同的反馈电阻，完成程控放大的功能。
这种设计方案使得程控放大变得灵活，且设计简单可靠，因此，选用此方案。
1.3程控滤波器模块方案
方案一：
采用DSP5402作为主控芯片。
芯片通过ADC采样后，采用数字滤波、放大，经滤波放大后经DA转换变换为模拟信号。
此方案中DSP的计算速度快，对频谱分析较快，滤波速度快。
但是需用总线控制，外围电路非常复杂，无驱动和AD、DA转换的功能，且系统成本昂贵，不宜采用。
方案二：
采用MSP430FG439作为主控芯片。
芯片内部自带有DA、AD转换功能及可编程放大器。
采用该方案使得该系统能在一个芯片上完成。
但由于单片机速度比较慢，给数字滤波带来了一定的困难。
该方案做个严格的论证测试，采用5阶FIR滤波器，能够基本达到要求。
方案三：
采用开关电容专用滤波芯片，如美信公司的MAX262和TLC等系列芯片。
既可以实现低通和高通，也可以实现椭圆滤波，且电路简洁，程控方便。
考虑到性能和成本等因数，综合选择方案三。
1.4功率放大模块方案
方案一：
分离元件实现。
分立元件是电子电路的基础元件，长久以来都是在它的基础之上分析和设计电路的。
但由于近年来科技的发展，集成器件的出现，使分立元件的使用越来越少。
不过在一些小型的电路中，分立元件还是有比较大的优势。
分立元件的散热快，元件便宜，在设计时也相对自由。
方案二：
用集成器件实现。
集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的，其内部电路与集成运放相似。
但是，由于其安全、高效、大功率和低失真的要求，使得它与集成运放又有很大的不同。
电路内部多施加深度负反馈。
集成功率放大器由于不仅具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便的优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。
比较综合考虑，我们运用TDA2030A集成芯片完成音频功率放大器的设计。
1.5显示模块方案
该系统不需要显示复杂的内容，故用12864液晶即可。
1.6键盘输入模块方案
采用无线红外遥控键盘，不再接触主系统，使得系统性能变得稳定可靠。
2系统设计
2.1总体设计及框图
以Atmega128单片机为主控制芯片控制模拟部分等电路，通过键盘调节截止频率、放大增益等并在液晶上显示测得数据，模拟部分主要由前置放大电路、程控放大、滤波和功率放大电路组成，主要实现对信号的滤波放大的作用。
系统框图如图2-1-1所示：
图2-1-1
麦克风的音频信号经前置放大电路后得到放大，再由程序实现放大、滤波，对此信号再进行功率放大，送入喇叭，从而达到助听的目的。
2.2主要电路设计与分析
2.2.1前置放大电路
R5、R3与C2、C3及三极管2N22A9A构成一个典型的共集电极放大电路。
电路中Rl、R2的取值很小，电源Vcc的电压大部分都加在话筒上。
当话筒的参数发生较大的变化时，电路仍能很好的适应这一变化．使话筒能够有足够的偏置电压，从而发挥出优异的性能。
由于（R1+R2）的阻值取得很小，不能满足话筒的输出阻抗匹配要求，故电路核心是加入自举电容C3。
由于R3的负反馈作用，三极管的发射极电位Ve通过C3的耦合至R1的下端，使R1的两端交流电位差减小，实现对R1的自举。
极大地提高了偏置电路的交流阻抗，实现电路的最佳匹配。
射极跟随电路的输出阻抗很低，几乎能满足任何后续放大电路的要求。
同时由于R3的阻值较小，等于在输出连接线上接了个低阻的负载。
利用干扰源的内阻一般都很大的特点。
使其形成回路，极大地降低了噪音电平。
具有一定的降噪功能。
电路如图2-2-1所示：
图2-2-1
2.2.2功率放大电路
功率放大电路主要采用芯片TDA2030A，电源采用正5V的单电源供电，外接元件非常少，电气性能稳定、可靠、适应长时间连续工作，且芯片内部具有过载保护和热切断保护电路。
C1是输入耦合电容，R4是TDA2030A同相输入端偏置电阻，R5、R6、R7决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益，该电路闭环增益为
，随着W的增加，增益减小，增益在3-2dB之间，C3起隔直流作用，以使电路直流100％的负反馈，静态工作点稳定性好，D1，D2是保护二极管，防止输出电压峰值损坏TDA2030A。
截止频率为27.21Hz，通频带为27.21Hz-350KHz。
电路如图:
2-2-2所示：
图2-2-2
2.2.3程控放大电路
由LM324和DG201构成程控放大器，通过模拟开关DG201选择不同的反馈电阻，完成不同的增益放大。
根据题目要求，增益为10dB可调。
故在程控放大级我们选择放大倍数为3.16倍、10倍、31.6倍、100倍。
该电路采用一般的反向放大电路。
即Av=-Rx/R1;电路如图2-2-3所示：
图2-2-3
2.2.4程控滤波电路
MAX262具有A、B两个二阶开关电容有源滤波器，它由单片机精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通、带阻等滤波器，且有外围电路少、功能强大的优点。
MAX262可在程序控制下设置中心频率fo，品质因素Q以及滤波器的工作方式。
可直接通过单片机对MAX262进行控制，改变中心频率和Q实现不同的截止频率。
电路如图2-2-4所示：
图2-2-4
2.3软件设计
软件设计相对比较简单，只需获取键盘值，对DG201和MAX262改变一下参数即可，并在液晶上显示提示信息，程序框图2-3-1如下：
下面具体介绍一下DG201和MAX262参数控制程序设计方法：
对DG201控制很简单，有四个模拟通道，只需要给每个模拟开关的控制端低电平，就可以使得该通道导通；反之，模拟通道断开。
而MAX262相对要复杂一下，我们首先需要设置个通道的模式，设定各通道品质因数Q值，接着需要设置各通道的时钟频率和中心频率f0的值。
图2-3-1
3测试结果及分析
3.1测试环境和器件
环境温度为室温26℃，自制稳压直流电源供电：
其中放大模块、滤波模块采用±5V电源供电，控制模块和显示模块采用+5V电源供电。
测试仪器：
DG1022精密函数发生器、DS1052D数字示波器。
3.2测试结果
3.2.1放大增益测试
放大器增益在40～60dB按10dB增益步进，用精密数控函数信号发生器产生一个峰值10mV的正弦信号，经过放大器放大后，用数字示波器测出电压峰峰值，则输出与输入电压之比就为实际增益，测试如下：
表3-1程控放大器增益指标测试数据
标准增益（（（（dB）
30
40
50
60
输入电压（mV）
30
6
6
6
输出电压（V）
1.2
0.76
1.86
6.12
实际增益（dB）
32
42
49.8
60.2
从结果可以看出，增益误差小于5%，实际增益的偏差在题目允许的范围之内。
3.2.2通频带测试
输入一个幅值为6mV的正弦信号，通过改变输入信号的频率，使其输出信号幅值衰减到通带内幅值的0.707倍，记录下此时的频率，该频率就是该设置点的截止频率。
测试结果如下表所示：
表3-2程控滤波器性能测试数据
截止频率fc（KHz）
低通滤波器
高通滤波器
实测截止频率（KHz）
fc处幅值
（V）
实测截止频率（KHz）
f处幅值
（V）
1
1.4
0.92
1.1
1.6
2
2.1
1.34
2.2
1.6
3
3.3
1.34
2.9
1.6
4
4.2
1.4
4.3
1.6
5
5.0
1.6
5.1
1.6
6
5.9
1.6
5.9
1.58
7
6.9
1.58
6.8
1.5
8
7.8
1.58
7.5
1.5
9
8.7
1.5
8.5
1.46
10
9.5
1.46
8.0
1.3
由于采用了MAX262专用数字滤波芯片，使得程控滤波变得简单精确，从测试结果可以看出，基本满足题目的要求。
3.2.3总测试结果
性能指标
通频带
380Hz~9.8KHz
电压
增益
30dB~60dB
步进可调
10dB
失真
无明显失真
滤波器
低通滤波
截止频率
1K~10KHz
步进调节
1KHz
高通滤波
截止频率
1K~10KHz
步进调节
1KHz
其它
红外键盘遥控、12864液晶显示
3.3结果分析
从上面的测试结果可以看出，除了增益不满足发挥部分的要求外，其它均能满足题目要求，并且有高于题目要求指标。
该系统设计的创新之处在于避开了繁琐数字滤波器设计，使得设计简单、性能可靠；使用了红外键盘，使得系统工作更加稳定可靠，系统人机界面友好。
4总结
本设计采用模拟电路实现程控滤波和程控放大，通过模拟电路精巧的设计，部分指标超过了题目的要求，并且大大缓解了处理器速度，使得用一个8位的单片机就可以实现。
本系统也明显存在不足，增益不能满足发挥部分要求，且有一点噪声，分析其原因，电子器件、温漂、电磁干扰和电源纹波产生的噪声，需要设计电路来改进。
5参考文献
[1]高吉祥等，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[J].
[2]吴立展等，程控滤波器.
附录Ⅰ：
程序：
1.主程序
//RS=P3^0;WRD=P3^1;E=P3^2;PSB=P2^3;RES=P2^4;
//数据口P3
#include
#include"12864.h"
#include"max262.h"
#include"dg201.h"
#include
#pragmainterrupt_handlerexint:
4
externvoidchange（ucharir）;
unsignedcharIC_DAT0[4][17]={
"",
"",
"",
""
};
unsignedcharIC_DAT1[4][17]={
"2011电子设计大赛",
"组长------王培成",
"--谭小元--杨琴琴",
"2011-06-07",
};
unsignedcharmenu[4][17]={
"助听器",
"音量：
小",
"滤波方式：
低通",
"截止频率:
10k",
};
ucharVOL=0,FS=1,MODE=0;
ucharir_buffer;
voidmain（void）
{
VOL=0;
MODE=0;
FS=10;
//初始化
dg201（0）;
//TOPB4CTC
TCCR0=0X19;//10011001WGM10（CTC）COM01（取反）
OCR0=9;//八位5MAX262通道A
//T1APB5CTC
TCCR1A=0X40;//01000000通道Awgm9、4
TCCR1B=0x09;
OCR1A=6;//八位max262通道B
DDRC=0xff;
PORTC=0xff;
//MAX262
DDRB|=0X30;
DDRC=0XFF;
max262（1,2,38,38）;
max262（2,2,38,38）;
initinal（）;
lcd_mesg（IC_DAT0）;
lcd_mesg（IC_DAT1）;
DelayMs（1000）;
lcd_mesg（menu）;//主菜单
//ISPINIT
DDRB|=0X07;
PORTB|=0X0f;//00001001
SPCR=0X53;//01010011
SPSR=0X00;
DDRB=0Xf7;
PORTB|=1;
//INT0
EICRA=0X00;
EIMSK=1;
PORTD|=1;
SREG=BIT（7）;
while
（1）
{
}
}
voidexint（void）
{
EIMSK=0;
DDRD&=0xfe;
PORTD|=1;
PORTB&=0xfe;
SPDR=0XAA;
while（!
（SPSR&0X80））;//发送完毕检测
ir_buffer=SPDR;
PORTB|=1;
ir_buffer=ir_buffer%100;
if（ir_buffer<10）
sprintf（menu[0]+14,"%d",ir_buffer）;
else
sprintf（menu[0]+14,"%d",ir_buffer）;
change（ir_buffer）;
lcd_mesg（menu）;
DelayMs
（1）;
EIMSK=1;
}
voidchange（ucharir）
{
switch（ir）
{
case4:
if（VOL!
=0）
VOL--;
break;
case7:
if（VOL<3）
VOL++;
break;
case2:
if（FS<10）
FS++;
break;
case6:
if（FS>1）
FS--;
break;
case10:
if（MODE）
MODE=0;
else
MODE=1;
break;
default:
break;
}
switch（VOL）
{
case0:
sprintf（menu[1]+12,"小"）;
break;
case1:
sprintf（menu[1]+12,"中"）;
break;
case2:
sprintf（menu[1]+12,"大"）;
break;
case3:
sprintf（menu[1]+12,"最大"）;
break;
}
dg201（VOL）;
switch（MODE）
{
case0:
sprintf（menu[2]+12,"低通"）;
break;
case1:
sprintf（menu[2]+12,"高通"）;
break;
}
sprintf（menu[3]+12,"%dK",FS）;
max262_fun（MODE,FS）;
lcd_mesg（menu）;
}
2.max262程序
#include"max262.h"
//10k~20k带通
//f100110
//q100000
//clk1M
//76543210
//PC:
A3A2A1A0WRD0D1
voidmax262（ucharch,ucharmode,ucharf,ucharq）
{
MAX262_PORT=0xff;
DelayMs
（1）;
//mode
mode=mode-1;
ch=ch-1;
MAX262_PORT=（ch<<6）|0x04|（（mode&1）<<1）|（（mode>>1）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（（mode&1）<<1）|（（mode>>1）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//f0f1
MAX262_PORT=（ch<<6）|（1<<3）|0x04|（（f&1）<<1）|（（f>>1）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（1<<3）|（（f&1）<<1）|（（f>>1）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//f2f3
MAX262_PORT=（ch<<6）|（2<<3）|0x04|（（（f>>2）&1）<<1）|（（f>>3）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（2<<3）|（（（f>>2）&1）<<1）|（（f>>3）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//f4f5
MAX262_PORT=（ch<<6）|（3<<3）|0x04|（（（f>>4）&1）<<1）|（（f>>5）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（3<<3）|（（（f>>4）&1）<<1）|（（f>>5）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//q0q1
MAX262_PORT=（ch<<6）|（4<<3）|0x04|（（（q>>0）&1）<<1）|（（q>>1）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（4<<3）|（（（q>>0）&1）<<1）|（（q>>1）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//q2q3
MAX262_PORT=（ch<<6）|（5<<3）|0x04|（（（q>>2）&1）<<1）|（（q>>3）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（5<<3）|（（（q>>2）&1）<<1）|（（q>>3）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//q4q5
MAX262_PORT=（ch<<6）|（6<<3）|0x04|（（（q>>4）&1）<<1）|（（q>>5）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（6<<3）|（（（q>>4）&1）<<1）|（（q>>5）&1）;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
//q6
MAX262_PORT=（ch<<6）|（7<<3）|0x04|（（（q>>6）&1）<<1）|1;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=（ch<<6）|（7<<3）|（（（q>>4）&1）<<1）|1;
DelayMs
（1）;
MAX262_PORT=0xff;
}
voidmax262_fun（ucharfilter_mode,ucharfs）
{
if（filter_mode==0）
{
switch（fs）
{
case1:
OCR1A=88;
max262（2,2,55,0）;
break;
case2:
OCR1A=88;
max262（2,2,15,0）;
break;
case3:
升级会员 