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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：信息工程学院 题 目:数字功放初始条件:1.数字功率放大器的基本知识2.信号与系统基本理论知识3.单片机编程基础知识4.装有PROTUES的PC机要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）设计一个利用模拟话筒拾取话音，模数转换后，进行数字信号处理，最后数摸转换输出。用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能要求：1. 能够实现语音放大、音调的调节2. 给出采样频率的计算依据、A/D，D/A精度选择依据3. 数字语音处理方法的选择依据时间安排：1方案设计 2天2软件设计 1天3仿真调试 1天4答辩
2、 1天 合 计5天 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘 要IAbstractII1基本原理11.1语音接收方案11.2 A/D、D/A的选择11.3系统总体结构22硬件设计32.1语音接收部分32.2放大器的设计32.3有源带通滤波器设计42.4功率放大电路42.5 AT89C51简介52.6 D/A、A/D转换器62.6.1 D/A转换器DAC0808的介绍62.6.2 A/D转换器ADC0809介绍72.7设计总电路图83软件设计93.1 模块设计93.2 主程序流程图103.3 显示子程序流程图114仿真结果134.1前置放大电路的仿真134.2 功
3、率放大部分仿真144.3滤波电路的仿真154.4单片机部分的仿真165设计总结186参考文献19附件：程序源代码20摘 要数字功放的基本电路是早已存在的D类放大器（国内称丁类放大器）。以前，由于价格和技术上的原因，这种放大电路只是在实验室或高价位的测试仪器中应用。这几年的技术发展使数字功放的元件集成到一两块芯片中，价格也在不断下降。理论证明，D类放大器的效率可达到100%。然而，迄今还没有找到理想的开关元件，难免会产生一部分功率损耗，如果使用的器件不良，损耗就会更大些。但是不管怎样，它的放大效率还是达到90%以上。本课程设计对数字功放的设计提出了不同的方案，然后选取了比较合适的方案进行设计的理
4、论和仿真说明。对于研究数字功放有很好的帮助。本文是利用51单片机实现的，对于单片机和数字功放都有很好的研究意义。关键词：AT89C51；数字功放； AD转换；DA转换AbstractDigital amplifier circuit is a Class D amplifier (domestic class D amplifiers) that already exist. Previously, due to the price and technical reasons, this amplifier circuit applications only in the laboratory
5、 or high-priced test instruments. Over the past few years the technical development of the digital amplifier components are integrated to twelve chips, prices are declining. The theory proved class-D amplifier efficiency can reach 100%. However, so far, have not found the ideal switching elements wi
6、ll inevitably produce a portion of the power loss, poor If you are using the device, the loss will be greater. Nevertheless, its amplification efficiency, or more than 90%.This course is designed digital amplifier design with a variety of options, and then select the appropriate program design theor
7、y and simulation show. Good help for research digital amplifier. This article is 51 MCU, microcontroller and digital amplifier research significance.Key Words: AT89C51；Digital Amplifier； AD converter；DA converter1基本原理1.1语音接收方案人耳能听到的声音是一种频率范围为20 Hz20000 Hz ,而一般语音频率最高为3400 Hz。语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换
8、成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”, 采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍， 由于语音信号频率为3003 400 Hz ,故采样频率至少为6800Hz，这里把语音采集的采样频率定为8 kHz。这样将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。采样过程如图1.1所示。抽样量化存储图1.1 采样过程1.2 A/D、D/A的选择单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样值经D/ A 接口处理,便可使原音重现。（1）A/D转换芯片的选择
9、根据题目要求采样频率f=8KHZ，字长=8位，可选择转换时间不超过125s的八位A/D转换芯片。鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片ADC0809。该芯片是高速8位逐次比较型A/D转换器，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的元件即可构成一个完整的A/D转换。（2）D/A转换芯片的选择 D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1s的转换速率，足够满足题目的要求，故我们在此选用了通用D/A转换器DAC0808，让其来对语音进行恢复。1.3系统总体结构数字化语音功放的基本思想是通过话筒将声音信
10、号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。整个系统框架图如图1.2所示：A/D转换电路前置放大器D/A转换电路带通滤波器输出放大器喇叭电源电路单片机键盘设定存储器数据显示带通滤波器语音输入图3.1 整体框图图1.2系统框架图 系统组成如图1.2所示,由输入通道、AT89C51单片机和输出通道三部分组成。输入通道部分由语音输入、前置放大电路和带通滤波器组成；输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成。语音输入的毫伏信号实测其范围约为2025mV，此
11、电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为05V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。此处将其通过一放大器，因此，将带通滤波器设计为典型的300Hz3.4kHz,输出级带通滤波器亦为300Hz3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理得欲使采样信号无失真，抽样频率最低为6.8kHZ，考虑
12、到留有一定的余地，这样就足够保证语音质量。经量化后，微处理器将数据存到处理器，需要时再将其回放，存入与放出由开关通过微处理器来控制实现。为了使A/D的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电路，同时也使音量稳定。2硬件设计2.1语音接收部分通常即我们所说的话筒，广义地讲就是一种例如拾音器的声传感器声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。这里面涉及到电磁感应原理，即将语音信号转化为电压信号，这样就实现了语音的接收。2.2放大器的设计通常电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为05V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右
13、。为了将微弱语音信号放大,采用两极高输入阻抗的同向放大器, 放大比例系数由R5、R6决定， C3、C4起隔直的作用。C6用来限制通频带的宽度。C6越大，通频带越窄。C6越小，通频带越宽。图2.1 增益放大器2.3有源带通滤波器设计声音信号转换成电压信号，通过前级放大，在对其进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz3.4KHz.其作用是：保证3003400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；滤除带外的低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影响，该下限频率可下延到270Hz左右；便于滤除带外的高次谐波，以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真，根
14、据实际情况，该上限频率可在2700Hz左右，鉴于Butterworth滤波器带内平坦的响应特性，我们选用二阶Butterworth带通滤波器，电路如图2.2所示 图2.2 带通滤波器2.4功率放大电路功率放大器我们采用TDA2030作为信号放大，它的输出功率大，采用双电源供电，且噪声低、保真度高。开环增益均在80dB以上，闭环增益可在2640dB范围内调整；同时输入阻抗高、以及工作频带宽、可靠性好；再加上体积小，外围元件少，设计灵活。因此成为我们设计的最佳首选。电路原理图如下：图2.3功率放大电路2.5 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节片内程序存储器，且是高性能CMOS8位微处
15、理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图2.4 89C51引脚图89C51有40个引脚，4个8位并行输入/输出（I/O）端口：P0、P1、P2、P3，其中，P1是完整的8位准双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。此外，89C51的时钟频率可为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止
16、工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作.2.6 D/A、A/D转换器2.6.1 D/A转换器DAC0808的介绍D/ A转换器DAC0808的主要性能指标分辨率 通常将输入数字量的最低有效位变化1时所引起的输入电压的变化V称为分辨率，即V=Vm/2,式中，Vm为输出电压的满度值；n为D/A转换器的二进制数的位数。建立时间 当DAC输入数字量发生变换时，输出模拟电压也随之改变，但输出电压变化到稳定值时相对于输入数字量的变化有一段延迟时间，这段延迟时间就称为建立时间，用ts表示。建立时间越短，DAC的转换速度越块。通常用转换时间来反映建立时间，如DAC0832的转换速度为100ns,DAC080
17、8的转换速度为0.1ms。转换误差 转换误差可以用绝对误差或相对误差r来表示。绝对误差是指DAC的输入端加有固定的数字代码时，实际测得模拟输出值理论值之间的差。相对误差r是指绝对误差与满度值之比，常用百分数表示。电源抑制比 DAC的输出电压的变化量与相对应的电源电压变化量之比定义为电源抑制比。要求电源电压发生变化时，对输出电压的影响越小越好。图 2.5 DA管脚图2.6.2 A/D转换器ADC0809介绍ADC0809 的特点及功能ADC 0809和ADC0808除精度略有差别外(前者精度为8位、后者精度为7位)，其余各方面完全相同。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换。1.主
18、要技术指标和特性:（1）分辨率：8位。（2）转换时间：取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128s。（3）模拟输入电压范围： 单极性05V；双极性5V,10V。（4）具有可控三态输出缓存器。（5）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。（6）使用时不需进行零点和满刻度调节。2.AD0809的外部引脚介绍（1）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。（2）D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。（3）ADD
19、A、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表。（4）VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。图 2.6 AD管脚图2.7设计总电路图根据以上设计的各个模块，得到了总电路图，如图2.7所示：图2.7设计总电路图3软件设计3.1 模块设计数控音频功率放大器的软件设计，分三个模块,即按键控制程序、LCD显示程序和DAC0832控制程序。其中按键控制程序中通过实时检测，来读取键盘。而显
20、示程序则根据按键进行音量动态显示。单片机通过程序读A/D转换数据，将数据送入单片机中，然后让D/A转换器进行数模转换。接收时AT89C51通过定时器T控制采样频率。定时将A/D转换数据传给单片机。放音时，单片机AT89C51通过定时器T控制，定时的将数据送往D/A转换器进行数模转换。单片机程序工作的流程图如下：配置初值A D转换DA/AD初始化音量显示读入数据等待转换完毕输出波形和声音DA转换转换、图3.1 单片机流程图P1口的数值决定了用AD芯片的哪个管脚做输入；ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连；初始化时， ST和OE信号全为低电平；ST为转换启动信号。当
21、ST上升沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。3.2 主程序流程图主控制流程中，进行相关变量的定义及其初始化，并进行相关内容的显示。图3.2主程序流程图3.3
22、显示子程序流程图按键：通过实时检测按键，不断更新页面显示，其中有两个按键，一个是增键，另外一个是减键,并进行按键消抖。流程图3.3如下： 开始检测按键判断ke1和ke2是否按下 结束 执行减1操作 Key1=0？ 结束 执行加1操作Key1=0？ 延时Key2=0？i结束 延时Key2=0？ NO NO YESYES图3.3按键流程图LCD液晶显示：LCD1602的功能是显示数字和字符，在使用之前必须初始化后才能使用，通过编写1602的读写程序即可使用。图3.4是LCD初始化的流程图： 开始 延迟15ms 写入指令38H 写入指令01H 写入指令0CH 初始化结束图3.4 LCD显示流程图4仿
23、真结果4.1前置放大电路的仿真如图4.1是前置放大电路的仿真图，图中用示波器分别测输入端语音信号后输出端放大信号的波形。图4.1 放大电路图前置放大电路的波形图如图4.2所示，如图微弱的语音信号被放大成了可以被AD提取的信号。图4.2放大电路波形图4.2 功率放大部分仿真功率放大器的作用是对信号进行一个功率放大的作用，功放的应用很广泛，从音响、手机等生活中很多东西都有用到功放。下面是对功率放大部分的仿真，其仿真电路图如图4.3所示。图4.3功率放大电路图4.4是功率放大器的仿真波形，从图中可以看出输入信号的功率得到了放大。图4.4功率放大器的仿真波形图4.3滤波电路的仿真下图是滤波电路的仿真图
24、，用来滤除语音信号30HZ到3200HZ外的杂波。图4.5放大电路波形下面是滤波器的输出波形，当输入3KHZ的正弦波时，则输出也为规则的正弦波，当输入5KHZ、5HZ的正弦波时，则发现没有输出。由仿真得滤波器工作良好。（a）输入为3KHZ（b）输入为5HZ和5KHZ图4.6放大电路波形4.4单片机部分的仿真如图是单片机以及AD、DA模块的仿真电路图。下图采用直接输入语音信号来观测输出。输出端的电压表测量输出信号的幅值。图4.7 AD、DA模块仿真图开关K1、K2用来调节输出信号音量的大小，音量的大小可以从数码管的数值大小来反应。K1控制调大，K2控制调小。如图4.8，按两次K1后数码管显示从1
25、9升高到34，通过按K2可以让其下降到9。（a）显示数字为19（b）显示数字为34（c）显示数字为14（d）显示数字为9图4.8音量显示仿真5设计总结一件事情不管它有多么难，一张电路图，不管它有多少元器件，既然它是一件事，肯定有解决的方案，既然它是一张图，也肯定存在着它内部的结构原理，实际上做课程设计也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而我们要做的不过是找到这些方案，摸清它的原理，从而使得我们的思想变得更为开阔，更为活跃！通过这次设计，我最大的体会就是理论的知识看似掌握的很透彻，但真正把它设计出来困难就大多了，毕竟实际和理论是有
26、区别的。在做课程设计的这段时间里，我收获颇丰，同时体会到了学习带来的乐趣。我不但掌握了数字功率放大器的基本知识及其电路的实际应用，还提高了自己的单片机编程和写报告的能力，收获颇多。6参考文献1 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009.2 沈庆阳8051单片机实践与应用.清华大学出版社，2003.3 刘华东. 电子技术电路设计M.清华大学出版社，2007.4 谭浩强. C语言程序设计M.清华大学出版社，1999.5 刘泉，江雪梅信号与系统.高等教育出版社，2006.附件：程序源代码源程序代码如下：#include #define uint unsigned int#def
27、ine uchar unsigned charuchar code LEDData= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;sbit OE = P10;sbit EOC = P11;sbit ST = P12;sbit CLK = P13;sbit K1 = P26;sbit K2 = P27;void DelayMS(uint ms) uchar i;while(ms-) for(i=0;i120;i+);void Display_Result(uchar d) P2 = 0xf7;P0 = LEDDatad%10;DelayMS
28、(5); P2 = 0xfb;P0 = LEDDatad%100/10;DelayMS(5);P2 = 0xfd;P0 = LEDDatad/100;DelayMS(5);void AD() ST = 0;ST = 1;ST = 0;while(EOC = 0);OE = 1;Display_Result(P3);OE = 0;void kz() if(K1=0) DelayMS(5);while(!K1); P3=P3+5; if(K2=0) DelayMS(5);while(!K2); P3=P3-5; void main() TMOD = 0x02; TH0 = 0x14; TL0 = 0x00; IE = 0x82; TR0 = 1; P1 = 0x3f;while(1) AD(); kz();void Timer0_INT() interrupt 1 CLK = !CLK;本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别男专业、班级课程设计题目：数字功放课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日
