自动增益控制放大器论文

1、2014年TI杯大学生电子设计竞赛自动增益控制放大器（H题）【高职高专组】摘 要 本系统以STC12系列MCU为主控平台，以LCD12864作为显示器。通过MCU内部ADC采样输出信号，以NE5532为核心放大器，通过数字电位器来改变信号放大倍数，以达到控制增益。控制输出。模式一中，放大器从MP3输入100Hz-10KHz信号，可带5w8欧的喇叭，或带600欧负载；模式二中，当输入信号幅度在10mV5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V±0.2V内，并能显示输入信号的幅度大小和频率高低。在模式三中能够在1V3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。并且可以根据环境噪声自动调

2、节放大器输出幅度。关键词： STC12单片机 自动增益控制 LCD12864 功率放大器目录1系统方案41.1控制模块的论证与选择41.2显示模块的论证与选择51.3信号放大模块的论证与选择51.4放大器反馈电阻网络的论证与选择61.5音频功率放大模块的论证与选择71.6电压信号采集模块的论证与选择71.7频率测量模块的论证与选择91.8电源模块的论证与选择91.9系统模块选择总体论述 102系统理论分析与计算 103硬件电路与程序设计 123.1硬件电路的设计123.1.1音频功率放大电路 123.1.2放大器核心电路 133.2程序的设计 143.2.1程序功能描述与设计思路143.2.2

3、程序流程图154.调试过程194.1硬件调试204.2软件调试215拓展功能226结论22参考文献 24附录1251系统方案本自动增益控制放大器系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心。放大器主要由TI公司的双运放高性能低噪声运算放大器（NE5532）构成，它具有非常好的噪声抑制性能，较高的输出驱动能力和信号带宽。该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。本系统的设计思路是通过改变NE5532放大器反馈网络的电阻值大小，以达到对放大器增益的控制，其中NE5532的反馈电阻采用数字电位器，可由单片机直接操作，实现放大器增益的灵活控制。对于信号幅度的采集，则是

4、通过AD637采集信号的真有效值，通过计算算法间接的转换成幅值。STC12D5A60S2功率放大器音源/单频率输入功放输出/600负载信号采集2反馈电阻网络信号采集1按键输入LCD显示噪声输入1.1控制模块的论证与选择方案一：采用STC89系列单片机。方案二：采用STC12系列单片机。对于方案一，STC89系列单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大容量的程序和实现快速精准的反应、控制、计算。对于方案二，STC12系列单片机功能强大，可工作在1T模式，运算速度快，片内集成10位ADC，集成PWM模块，有掉电保存功能。存储容量大，性价比高，对于我们的

5、使用它完全能满足要求。综合考虑采用方案二。 1.2显示模块的论证与选择方案一：采用数码管显示，动态扫描显示方式。方案二：采用液晶显示屏LCD显示。对于方案一，该方案成本低廉，功耗低，显示驱动程序的编写也相对简单。不足之处是数码管可以显示的字符有限，不能满足设计多人机界面的需求。若不外接锁存器，数码管动态扫描会占用系统大量资源。对于方案二，液晶显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，人机界面友好，这是数码管无法比拟的。 综合考虑采用方案二。1.3信号放大模块的论证与选择方案一：采用分离元件搭建放大电路。方案二：采用专用运放NE5532。方案三：选择运放LM324对于方案

6、一，电路复杂，体积较大，功耗也比较大，出现故障率高。对于方案二，NE5532是专门的高性能低噪声双运放，具有很好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号宽带，电源电压范围大等特点。用作音频放大时音色温暖，保真度高。对于方案三，LM324是四运放集成电路，正负电源供电，无需外部偏置元件，但对高频信号的放大效果不好。综合考虑采用方案二。1.4放大器反馈电阻网络的论证与选择方案一：采用继电器切换不同的电阻方案二：使用数字电位器对于方案一，电路复杂，体积较大，并且大量的使用继电器和不同阻值的电位器，出错率较高，并且只能得到固定的放大倍数，显然用此方案是不合理的。综合考虑，数字电位器与单片机接口简

7、单，易于操作。并且可由单片机直接操控，以得到不同的电阻值，从而改变放大器的增益。故本模块采用数字电位器作为反馈电阻网络。1.5音频功率放大模块的论证与选择方案一：采用UTC2030功率放大器。方案二：采用CD6282CS双通道音频功率放大芯片。方案三：采用TEA2025功率放大集成芯片。对于方案一，外接元件非常少，输出功率大，开机冲击极小，内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地 线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。UTC2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8阻抗时能够输出1

8、6W的有效功率，THD0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。对于方案二，CD6282CS是双通道音频功率放大电路，内置过热保护电路，但是，其工作电源电压范围宽度为负6V-15V，难以到达控制要求。综合考虑采用方案一。1.6电压信号采集模块的论证与选择方案一：采用二极管和电容器组成最简单的峰值检测器，电路如图2所示，然而仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作，但并不是很理想，对于1nF的电容器，100ms后达到稳定的峰值，误差达10%。而且没有输入输出缓冲电路，在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。图2

9、二极管电容峰值检测电路方案二：使用芯片AD637。AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值（TRMS）。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz的输入信号。方案三：使用高速AD对信号进行采集，将采集得到的数据用单片机进行数据处理，算出幅度。高速AD，成本较高。软件编程工作量大。综合考虑采用方案二。1.7频率测

10、量模块的论证与选择方案一：采用专用电压比较芯片LM311对输入的信号进行过零比较，得到方波信号。方案二：运放TL062搭建过零比较器，对输入信号进行过零比较，得到方波信号。对于方案一，LM311具有很宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源，用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。但在实际的使用中，其比较后输出的方波其下降沿毛刺太多，处理不好的话，其下降沿含有多次脉冲，导致单片机测量得到的频率是不固定的一个值。对于方案二，电路简单，易于实现。最先我们采用的方案一，得到的结果并不是非常好，因而放弃方案一，考虑使用方案二，最终效果良好。综合考虑，采用方

11、案二。1.8电源模块的论证与选择方案一：采用220V交流经变压整流，7815、7915、7805稳压后给单片机和其他芯片供电，线性度良好，电源效率不高。方案二：利用±12V开关电源，输出±12V给其它芯片供电。采用DCDC电源，输出5V给单片机供电，线性度较差，电源效率非常高。对于方案一，采用多级稳压，稳压效果较好。在此我们并不要求效率。对于方案二，采用开关电源，但开关电源纹波较大。对运放影响比较大。 综合考虑采用方案一。1.9系统模块选择总体论述综上所述，本系统采用STC12C5A32S2单片机为主控芯片，NE5532作为核心放大器，AD637采集信号真有效值。通过128

12、64液晶显示屏实时显示各信号的信息，通过按键切换不同的模式使放大器工作于不同的状态。2系统理论分析与计算本系统通过AD637采集电压,当电源用±15V供电时，输入信号范围为07V，在本系统AD637接法中，AD637将把输入的交流信号转变成真有效值，并以直流的方式输出。再经过单片机内部AD采集转换处理数据。通过12864液晶显示屏实时显示。 对于下图所示的纯正弦波。峰峰值Vpp（Peak to Peak）：峰峰值是指一个周期内信号最高值和最低值之间差的值，就是最大和最小之间的范围。它描述了信号值的变化范围的大小。 峰值Vp（Peak）：峰值是指一个周期内信号最高值或最低值到平均值之间

13、差的值。一般来说，峰值对上下对称的信号才有定义。可以看到，峰值等于峰峰值的一半。 有效值/均方根值Vrms（Root Mean Square）：是指在一个周期内对信号平方后积分，再开方平均，如以下公式所示。有效值的意义是：在一个周期内做功的大小等于与该值相等的直流电压所做功的大小。以下为各种波形各基本参数:3硬件电路与程序设计3.1硬件电路的设计系统总体框图如图1所示， 本设计主要采用分立元件与集成元件搭建而成，以NE5532为放大核心，STC12C5A60S2单片机作为核心处理器。本系统由频率采集电路，输入信号幅度采集电路，噪声输入采集电路，放大输出幅度采集电路，反馈电阻电路，音频功放电路，

14、人机接口电路，显示电路组成。 其中对电压的采集使用核心芯片AD637，反馈电阻采用数字电位器，选择电路通过选择可实现对放大器的多种控制。显示采用液晶显示屏LCD12864，实时显示采集的各种信号。3.1.1音频功率放大电路3.1.2放大器核心电路核心放大器NE5532NE5532特点： 小信号带宽：10MHZ 输出驱动能力：600，10V有效值 输入噪声电压：5nV/Hz(典型值) 直流 电压增益：50000 交流电压增益：2200-10KHZ 功率带宽： 140KHZ 转换速率： 9V/s 大的电源电压范围：±3V-±20V 单位增益补偿考虑到信号幅度在最小10mV的输入

15、情况下，输出最大要达到3V，而对于反相比例放大器：Uout=Uin*（Rf/Ri）；因此放大倍数必须保持在300倍及300倍以上。因此选择输入电阻为175，因而反馈电阻最大阻值为100K即可满足要求，但是对于100K的数字电位器来说，其含有100个点，每一个点即为1K，当输入为5V，输出要求最低保持在1V放大器此时需要缩小输入信号，但是100K的电位器调动为1K，显然是不可以实现缩小放大倍数的，因而考虑对其串联一个1K的数字电位器。此时1K的电位器对应100个点，每一个点即为10。3个点即可满足要求。故电路总体参数选择：反相比例运算放大，输入电阻175，100K的数字电位器串联一个10K的数字

16、电位器作为反馈电阻，从而改变放大倍数，实现对增益的控制。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路a 程序功能描述根据题目要求，软件部分主要实现以下两大功能：1）键盘实现选择模式功能：自动模式，手动模式。噪声检测模式。2）显示部分：显示输入信号幅度，显示输出信号幅度，显示频率，显示噪声输入幅度。b 程序设计思路本程序是控制放大器增益的智能控制系统，通过对反馈电阻网络的控制，调节数字电位器的阻值，改变放大的倍数。本系统有三种工作模式。（1） 在模式一下，系统在当输入信号幅度在10mV5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V±0.2V内。（2） 在模式二下，系统能够在1V3V范围内

17、由用户步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。并且实时进行显示。（3） 在模式三下，系统自动检测周围噪声，当噪声增大时，其放大器输出幅度随之增大，噪声减小时，放大器输出随之减小。3.2.2程序流程图A,主程序流程简图 主程序流程图B,手动调节模式调节程序流程简图 手动调节模式程序流程简图C,噪声模式程序流程简图噪声模式调节程序流程简图D,自动调节模式程序流程简图 自动调节模式程序流程简图 E，调节函数程序简图4.调试过程由于本次设计实现的功能比较多，硬件复杂，故设计电路采用模块化设计，我们将所有模块电路全部在万能板上焊接调试，每块板子的功能全部实现，最后进行全部电路联合调试。具体调试方法：4.

18、1硬件调试1：首先调试电源部分，电源含有三组输出，分别是+15V,-15V,+5V,其中±15V用于运放NE5532双电源供电，AD637供电，TL062供电。因为是对运放供电，因此，电源稳定性非常重要，在首次调试时由于滤波电容容量选的太小，导致输出直流不平滑，后仔细分析，更改电容，再次通电调试，输出直流电平滑，电源调试成功。2：放大器的调试：在初次对NE5532单独进行同相比例放大调试时，对NE5532输入一个10mV，100Hz的交流信号,发现其输出杂波，检查电源，发现电源正常。更换芯片后，问题依旧，后加大反馈电阻阻值，问题依旧。后再老师的指导下，发现NE5532反馈电阻接在了同

19、相端。更改后再次通电，恢复正常。问题得以解决。3：频率电路的调试：由于在选择方案时，第一方案是用专业的芯片LM311进行过零比较得到标准方波，送入单片机测频。单在实际的调试中发现，LM311比较后7脚输出一直处于低电平。后查阅说明书，发现7脚要加上拉电阻。更改后接上2.7K的电阻，通电测试，输出方波，但是单片机采集的频率不准，误差无穷大。用示波器观察发现方波下降沿毛刺太多。含有高频率的脉冲信号，更换芯片后，问题依然存在。改用双踪示波器观察发现，高频脉冲是在正弦波过零比较时，存在多次比较，因而产生了高频率的脉冲信号。不得不放弃使用LM311改用运放搭建过零比较器，然而在搭建运放过零比较时又遇到了

20、问题，第一次采用的运放芯片是NE5532.但是在调试的过程中发现NE5532的反相端电位并不完全为0V,改用示波器测量该引脚时发现，该引脚电平不平滑，而地波形非常平滑，怀疑是NE5233的缘故，改用TL062，再次通电测试，单片机显示频率正常，用示波器观察波形，波形相当完美。频率电路调试完成。4:幅值电路的调试:在按官方给的AD637标准电路搭建后，通电测试，发现在信号幅度足够大时，单片机从AD637得到的数据非常准确，而信号幅度小时，则不准确，仔细分析后，在AD637与单片机的接口处对地给它并了一个103的电容，再次通电测试，数据可以读到，问题解决。5：总体联合调试：由于采用的是单片机内部A

21、D进行的数据采集，但是在AD637的输出中，电平可能大于单片机电源+5V,因此与单片机电源不匹配，在调试时这点非常重要，因而要在AD637的输出，也就是单片机进行AD采集的IO口上对其保护，刚开始调试时没有注意到这点，导致系统稳定性不高，后在调试的过程中对其加一个5.1V的稳压管，让它在AD637输出大于5.1V时,将电位钳位在5.1V。因而系统性能得到了一个很大的改善。4.2软件调试本系统方案控制部分主要是对数字电位计的调节。数字电位计的调试系统电路中采用的是x9c104和x9c102两种阻值的数字电位计，其阻值范围分别为1K和110K，片内包含99个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和两个

22、端点之间都有被滑动单元访问的抽头点，滑动单元由CS，U/D和INC三个输入端控制。程序中通过对X9C102和X9C10的电阻值调定，来改变电路放大倍数，对电位计的调定方法在调试中分别试用了三种方法。进入程序中，先将X9C1104调至0阶档位，然后将X9C103调至满阶档位。测定输出电压的的幅度，如果其输出电压大于调定误差最大值，则单独用X9C103调节。直至调到允许的误差范围内。如果X9C103阻值最大时输出端电压小于能调制的误差范围 ，则先调节x9c104，待x9c104将输出电压调至误差允许范围内，则用x9c103进行精细调节。用PID调节方法控制数字电位计的调节。PID调节方法使用增量调

23、节法。通过计算得出每次返回的增量，判断增量的正负值，对x9c102和x9c104进行阻值增大或减小的调节。通过用PID调节，发现在一定范围内PID可以很快很准却得将输出电压维持在一定范围。但在1v以下。PID的调节不能对输出做出精准的计算输出，并且在特定区域内会出现阻值超调，并无法调回到逼近允许范围内的值。通过计算与查资料，明白可能是x9c10x系列的数字点位计可供调控的样本点太少。另一方面。可能是1V以下的调节放大倍数过大 ，看可能导致PID无法正常工作。第三种方法在x9c104每调节一个阶数时，先使x9c102达到满值或零值，再调节x9c104.这样的调节方式可使两个数字电位计组合成10000个节点。经过多次试验。最终采用第三种方法。5. 拓展功能本系统除了完成规定的项目后，还在此系统上增设了一项功能，可以