一种基于单片机控制下的自动增益功率放大器设计

王 瑞

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

一种基于单片机控制下的自动增益功率放大器设计

王 瑞

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

本设计为根据输入信号及周围的环境噪声幅度自动调节音量的自动增益控制音量放大器。整体设计以STC12系列单片机为控制器，通过单片机内部采样得到有效信号，NE5532(高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路)为关键器件，NE5532产生的放大倍数还需要电路中的数字电位器来控制，改变数字电位器的阻值可以改变放大倍数，自动增益功能由此操作完成，从而控制最终的输出信号。双运放集成电路需从电路中的音频信号源端口接入，且为100 Hz～10 kHz信号，用以驱动5 W/8 Ω的喇叭(或600 Ω负载)。当输入端给定信号在10 mV～5 V之间时，测得示波器显示输出电压始终稳定在2 V±0.2 V内。其幅度大小和频率高低在示波器上可以同时确认。并允许在1 V～3 V范围内对放大器输出电压进行步进式的幅度调节且步距档位为每档0.2 V，所有输出结果由LCD12864液晶显示屏显示。

STC12C5A60S2；NE5532；LCD12864

随着科技的发展及生活方式的多样化，人们对于追求高品质的生活更加的迫切。“科技改变生活”，科技早已渗入了我们的生活，科技变化已远远超过了人类历史上百万年的改变，一个小小的技术改进可以影响到很多的方面。

然而，人们在物质生活和精神生活方面都需要得到更高的体验，与日常生活密切相关的细节越来越多的被人们所提及。比如高品质和专业的电视、音响设备，人们对其音质控制要求越来越高；与我们生活密不可分的手机，其通话时的话音质量都可能是一个小小的科技改变带给人们的惊喜。本次设计采用的型号为STC12C5A60S2的单片机作为控制部分主要元件。放大器部分采用的是很多音响发烧友必备元件NE5532，这是一种高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路，用作音频放大时音色饱满，保真度高，具有良好的噪声抑制性能，最适合本次设计的特点是其电源电压可调节范围大。在音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，在高档次的专业音响设备的控制电路部分或者电话内部的通话放大器部分都较为适用[1]。

自动增益控制是在工作过程中，使放大电路的增益可自动控制并调整的方法。它是限幅输出的一种，将线性放大特性和压缩放大特性有效组合[2]，对音频的输出信号进行调整的过程。当音频设备中的助听器接收到较小的弱信号时，线性放大电路工作，以确保信号输出时的强度；当音频设备中的助听器接收到一定强度的输入信号时，压缩放大电路工作，以保证输出的幅度不会过高。也就是说，自动增益控制功能是通过改变输入输出压缩比例，达到对增益的幅度进行自动控制的过程。

1 系统设计论证

本设计在电路控制单元模块选用的是STC12单片机系列的C5A60S2芯片，这是一种单时钟-机器周期的单片机；其存储空间比一般单片机容量都大，是较先进的8051单片机；更具有高速、低功耗、抗干扰性强的特点，同时兼顾掉电保护功能且性价比高，近几年受研发人员的喜爱[3]。显示模块采用LCD液晶显示器，可同时显示数字、字符、图形等多种要求，而且人机界面好，字符美观。音频功率放大器采用UTC2030功率放大器，其集成度高分立元件少的特点，使得输出功率大。并且因内含有保护电路，所以开机冲击小，提高了工作时的安全性，另UTC2030工作电压范围是±6～±20，针对于本次设计，利用其在±10 V、8 Ω阻抗时能够输出15 W的有效功率这一特性，做电器有源音箱的功率放大部分非常适合。电压信号采集模块，使用芯片AD637是一种高精度、单芯片均方根直流转换器，任何复杂波形的真均方根值它均能计算。过零比较器电路是频率测量的常用电路，主要元件为通用运算放大器TL062。向输入端输入信号后经过过零比较器电路得到方波信号已达到检测目的；其中采用多级稳压，稳压效果较好，电源效率高。本次设计以STC12C5A60S2单片机为核心器件，NE5532采用数字电位器来采集反馈电阻，通过单片机直接操作改变采集到的阻值大小来控制增益，实现放大器增益的灵活控制功能。而高精度、单芯片均方根直流转换器AD637可以完成信号幅度的采集工作，其采集的真有效值通过计算可间接转换为系统所需幅值。最终由LCD12864液晶显示屏实时显示各信号的信息，并且通过改变各个模式按钮的位置使放大器在不同的工作状态内切换。

2 硬件电路与程序设计

2.1 硬件电路的设计

硬件组成以集成较高的STC12C5A60S2单片机和NE5532放大器作为关键电路，频率采集电路、反馈电阻电路、 I/O信号采集电路、音频功率放大电路、显示电路接口电路等其他功能电路共同组成。其中信号采集工作由AD637芯片完成，数字电位器主要完成反馈电阻的功能，放大器不同的工作模式电路由分立元件搭建的选择电路来控制，采集各种信号的实时显示工作由LCD12864液晶显示屏完成。

图1 系统总体框图

根据设计要求，当输入电压信号在10 mV时，输出电压要达到3 V。根据反相比较器的运算公式U0=Ui·(Rf/Ri)，计算可得放大倍数必须在300及以上才可实现。若输入电阻为150 Ω，则需最大反馈电阻值为100 k才可实现功能。由实验证明单独使用100 k电位器不适合本次设计的实现，需串联一个1 k的电位器。

2.2 主要程序设计

本设计基于单片机控制下的自动增益功率放大器，硬件基本功能是反馈电阻网络控制数字电位器的阻值，改变其放大的倍数。当系统的输入信号幅度在10 mV～5 V间且变化时，放大器输出默认值保持在2 V±0.2 V内；当系统以0.2 V的间隔进行调节，放大器输出幅度保持在1 V～3 V范围内；系统具有自动检测噪声功能，当周围噪声增大时，放大器输出幅度增大，噪声减小时放大器输出幅度减小。

图2 主程序流程图

3 系统调试及分析

本设计需要实现的功能较多，各电路搭建较为复杂，故分电路采用模块化的安装思路。各部分模块电路最终焊接在万能电路板上。调试过程也是先完成子电路的调试，各部分子电路调试通过后进行整体电路联合测试。

3.1 硬件电路调试

电源模块调试：电源输出端分别是+15 V，-15 V，+5 V，其中±15 V为双电源供电模式向NE5532芯片、AD637芯片及TL062芯片提供电能。因对NE5532芯片进行直接供电，所以在稳定性性能上要求较高，电路刚开始搭建时选用的滤波电容规格较小，导致输出直流波形不平滑。在调试过程中逐步加大电容的数值，使输出直流电压趋近于平滑，保证供电环节的高性能要求[4]。

频率电路调试：初始电路搭建时运算放大部分采用的是NE5532芯片，由万用表测得NE5532的反相端电位不完全为0 V，加示波器测量后波形显示引脚电平值也不平滑。后查阅资料改用TL062芯片，再次用示波器测试显示单片机频率正常，波形复合设计要求。

输出与幅度电路调试：经测试后发现当信号的幅度足够大时，单片机能够从AD637得到准确的数据；当信号幅度偏小时，分析计算后的数据不够准确。经过数据统计分析后得出，需在直流转换器与单片机的接口处对地向AD637芯片并联一个低电容，调整后第二次测试数据结果正常。

整体电路联合测试：本设计数据采集工作由单片机内部AD完成，而STC12单片机的直流转换器的输出数据显示，电平值可能会大于供电电压+5 V，与单片机电源供电电压不匹配。这点在调试时需要重点关注，如果在最初的调试过程中没有注意到这点，将会导致系统不稳定。为了解决这一问题需在AD637直流转换器的输出端数据采集的IO口上进行相应保护。在不断地调试检测过程中在IO口上加了一个5.1 V的稳压管，以保证数据采集的电压值在AD637输出时大于5.1 V，通过这个设计改变系统性能得到很大的改善。

3.2 软件程序调试

程序设计调试主要针对控制部分的数字电位计进行，本次设计采用的数据比较器是X9C104和X9C102型数字电位计，其阻值变化范围分别为1 k和100 k，芯片内部电阻阵列共99个。其滑动头设置也较为灵活，在每个单元之间和两个端点之间均有设置，滑动单元分别为CS、U/D和INC三个输入端控制。在软件程序的调试过程中，主要通过对两个数字电位器的电阻值进行改变，来调节在输出端所产生的放大倍数。具体调试过程为，将X9C104数字电位器调至0，同时将X9C102放在满偏状态。经示波器检测分析得出结论：若输出电压大于允许调节误差的最大值时，X9C104数字电位器相当于没有工作，通过单独调节X9C102直至满足允许条件；若输出电压小于允许调节误差的最大值时，则先调节X9C104，待其输出电压值达到允许范围内后，再对X9C102进行微调[5]。

4 结论

本设计已成功应用于音响仪器控制设备和电话通路的控制电路中，改善了音效难以控制的问题，提高了收端的音质效果。整体设计以STC12系列单片机为控制器，通过单片机内部采样得到有效信号，NE5532(高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路)为关键器件，NE5532产生的放大倍数还需要电路中的数字电位器来控制，改变数字电位器的阻值可以改变放大倍数，自动增益功能由此操作完成，从而控制最终的输出信号。因此该自动增益控制电路具有较强的使用价值。

[1] 刘文涛，徐钊.小信号测量系统的设计[J].山西电子技术，2006(3)：45-46.

[2] 王俊杰，黄心汉.程控增益放大器和自动调整增益放大器的设计[J].集成电路应用，1998(2)：33-35.

[3] 李登科，时永鹏.一种基于TMS320C6414的自动增益控制技术[J].国外电子测量技术，2013(1)：66-70.

[4] 王秋爽.单片机开发基础[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5] 马西秦.自动检测技术[M].第3版.北京：机械工业出版社，2010.

A Design of Automatic Gain Power Amplifier Based on Single Chip Microcomputer

Wang Rui

(ShanxiVocationalandTechnicalCollege,TaiyuanShanxi030006,China)

This article makes a design of automatic gain control volume amplifier which automatically adjusts the volume based on the input signal and the surrounding environment noise amplitude. The overall design takes the STC12 series single chip microcomputer as the controller, through the internal sampling of single chip microcomputer to get the effective signal. The NE5532 [high-performance low noise dual operational amplifier (double op-amp) integrated circuit] is used as the core amplifier, by changing the resistance of potentiometer to change the magnification of sampling signal and achieve the function of the control gain, finally to control the output. The amplifier inputs the100 Hz to 10 kHz signal from the audio source device drive the 5 W / 8 Ω speakers (or 600 load). When the input voltage signal amplitude value is changed between 10 mV～5 V, the default value of output voltage is within 2 V+/-0.2 V, at the same time it can display the size and frequency. All output result is displayed by LCD12864.

STC12C5A60S2; NE5532; LCD12864

2016-11-09

王 瑞(1981- )，男，山西临汾人，讲师，硕士研究生，现从事的主要工作:应用电子技术专业教学。

1674- 4578(2016)06- 0029- 03

TN721.1

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