數(shù)碼音量控制擴(kuò)音器電路的設(shè)計

李彬，陳碧敏

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶，526100）

0 引言

音頻功率放大器電路模塊和單片機(jī)控制電路模塊在在這次設(shè)計中起主要的作用，主要用單片機(jī)進(jìn)行編程，模擬開關(guān)和數(shù)字電位器都由單片機(jī)控制，利用這幾個項目模塊，可以實現(xiàn)聲音的高或者低，來選擇輸入信號的類型，并且還可以實現(xiàn)靜音的功能，主要的特點就是消耗能量少，體積較小便于攜帶，主要應(yīng)用在音響、教學(xué)教育等方面[1]。

1 總體方案設(shè)計

數(shù)碼音量控制擴(kuò)音器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)碼音量控制擴(kuò)音器的系統(tǒng)框圖

進(jìn)行如下兩種方案的論證：

方案一：話音放大電路部分選用LM358作為運放，輸入信號選擇部分選用模擬開關(guān)CD4053，數(shù)字音量控制部分選用X9319數(shù)字電位器，TDA2003為音頻功率放大器，MCU控制電路選用STC89C51單片機(jī)，電源電路選用芯片7805。

方案二：話音放大電路部分選用LM324作為運放，輸入信號選擇部分選用模擬開關(guān)CD4051，數(shù)字音量控制部分選用X9511數(shù)字電位器，TDA2030為音頻功率放大器，MCU控制電路選用AT89C51單片機(jī)，電源電路選用芯片2575。

LM358屬于雙運算芯片，有8個引腳，并且單雙電源都可以工作。并且它的價格便宜，芯片的面積比較小，假如說用于放大直流信號時，可以達(dá)到20HZ，根據(jù)設(shè)計要求，選擇LM358比較合適。根據(jù)設(shè)計的要求要求對話音和音頻輸入兩個信號進(jìn)行選擇，因此模擬開關(guān)適合選用三二通道的數(shù)字控制模擬開關(guān)，所以選用CD4053芯片。因為TDA2003屬于單電源工作方式，TDA2003在阻抗為4Ω時的輸出的功率為5W，TDA2030在阻抗為4Ω時的輸出的功率為18W，并且TDA2003的接線方式比較簡單，所以選用芯片TDA2003作為音頻功率放大器。STC單片機(jī)是51單片機(jī)的增強(qiáng)款，完全兼容MCS-51，STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更強(qiáng)、速度更好、壽命更長、價格更低、STC89C51可以在線編程也就是有ISP功能，AT89C51必須通過編程器燒錄，STC推出的系列的51單片機(jī)芯片全面兼容其他51單片機(jī)，STC89C51內(nèi)部有E2PROM，可以在程序中修改，并且斷電不丟失數(shù)據(jù)，所以選用STC89C51單片機(jī)。X9313應(yīng)用范圍較廣和被經(jīng)常的使用，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試簡單，只要焊接沒有錯誤，基本上就不需要調(diào)試，所以選用X9313。

圖2 話音放大電路

綜上所述選取第一種方案更優(yōu)。話音放大電路采用LM358芯片，可將話音輸入或者音頻輸入中的微弱信號進(jìn)行放大，它是具有很高的增益，很寬的電壓的雙運放。輸入信號選擇電路采用模擬開關(guān)CD4053，可以對話音輸入，音頻信號輸入二組信號進(jìn)行選擇。數(shù)字控制電路采用數(shù)字電位器X9313，它的工作原理主要是對電阻進(jìn)行改變來控制其增益，較好的實現(xiàn)了可控增益放大器。音頻功率放大電路采用芯片TDA2003，它將輸入的電流進(jìn)行放大，然后去驅(qū)動喇叭發(fā)出聲音[2]-[5]。電源電路采用18V的直流電源為音頻功率放大器供電，經(jīng)過7805芯片降壓后，為單片機(jī)提供大約5V的直流供電電源，

2 電路的設(shè)計

話音放大電路由MIC放大電路和同向電壓放大器組成，單電源給其供電，MIC感應(yīng)空氣中的聲波的微弱振動，并輸出跟聲音變化規(guī)律一樣的電信號，因為MIC需要直流偏置，所以需要加一個電容C3來隔直流，防止信號的衰弱，R4和R5組成偏置電路并且取值為240KΩ,這樣可保證話音信號的不失真放大，MIC1和R1，C4組成MIC放大電路，20-30mVpp之間和2-3mA是MIC放大電路的輸出話音電壓和工作電流，濾除高頻干擾的主要措施主要靠電容C4來完成，通過以上的這些措施，話音電路抗干擾性能大大提高。LM358運放電路和R,C共同組成同向電壓放大器，由于其增益放大50多倍要考慮到誤差，因此R7取值51KΩ，R9取值1KΩ。話音放大電路如圖2所示。

輸入信號選擇電路由模擬開關(guān)CD4053組成，對模擬開關(guān)的控制是通過TTL邏輯電平實現(xiàn)輸入信號AUDIOI/2之間的切換，通過AB兩組輸入地址來實現(xiàn)輸入信號的選擇，當(dāng)輸入AXBX時，是音頻線路信號輸入，當(dāng)輸入AYBX時是話音輸入信號，當(dāng)需要靜音功能時選擇BY，無論是AXBY還是AYBY都是信號不輸出。為了起到良好的濾波作用，需要在電路中加上C7和C10，為了保護(hù)芯片，需要加上電阻R8，具體的電路圖如圖3所示。

數(shù)字音量控制電路是采用X9319W的內(nèi)置EEPRM的非易失性數(shù)字電位器。數(shù)字電位器的時序圖和相應(yīng)的時間參數(shù)是構(gòu)成單片機(jī)控制數(shù)字電位器其編程技術(shù)的依據(jù)。在數(shù)字音量控制電路中，電容C11起濾波作用。R11、R12、C12、C13為輸入電路，R11為功率電阻，起到保護(hù)芯片的作用，其取值為3K，用C12來濾除高頻干擾信號，防止功放電路自激振蕩的措施就是在電路中并聯(lián)一個電阻R16和電容C19，為了提高輸出功率，輸出電容C18的容量應(yīng)該取大一些，如果設(shè)計輸出功率增大，電容的容量也應(yīng)該隨著增大，如果電容容量取得不夠，輸出功率就會小于額定功率，功放電路的效率也會降低，負(fù)反饋電路由R13組成，這樣可減小輸入信號，C14和C15為電源濾波電路，R4和R5提供直流偏置，為了提高功率放大器的壽命，要加裝散熱器來輔助其散熱。具體的電路圖如4所示。

圖3 輸入信號選擇電路

單片機(jī)控制電路主要選用STC89C51,并且為了保證單片機(jī)的穩(wěn)定性和負(fù)載能力，應(yīng)該在電路中加上阻值為4.7-10K的上拉電阻。最好選用表面安裝技術(shù)的排阻，為了更好的顯示單片機(jī)的運行狀態(tài)和在調(diào)試程序中顯示程序的進(jìn)展情況，應(yīng)該添加一個以上的LED來分析程序存在的問題。MIC控制電路圖如圖5所示。

由于在電路上有模擬電路和數(shù)字電路，為了提高電路板上的信號部分的抗干擾能力，所以要采用兩種電源輸出，一種是采用7805的數(shù)字電源，另一種是采用78L05模擬電源單獨供電，為了防止學(xué)生把輸入電源接反而燒壞IC，需要在電源的輸入端加裝極性二極管來保護(hù)。功耗小時，穩(wěn)壓器無需加裝散熱器，功耗大時，穩(wěn)壓器就要加裝散熱器或者在輸入端加裝功率電阻來輔助散熱，在這電路中，由于其功耗Pc=(Vi-Vo).Io小于0.3W，所以無需加裝散熱器或者功率電阻。

圖4 音頻功率放大電路

圖5 MCU控制電路

3 結(jié)論

數(shù)碼音量控制擴(kuò)音器各部分電路，系統(tǒng)硬件電路包括6個部分：話音放大電路、輸入信號選擇電路、數(shù)字音量控制電路、音頻功率放大電路、MCU控制電路、電源電源。電源電路為整個系統(tǒng)供電，話音放大電路對輸入聲音進(jìn)行放大，輸入信號選擇電路對話音輸入、音頻信號輸入兩組輸入信號進(jìn)行選擇，數(shù)字音量控制電路對放大器的增益進(jìn)行控制，音頻功率放大電路對輸入電流信號進(jìn)行放大以驅(qū)動喇叭，MCU控制電路是數(shù)碼音量控制擴(kuò)音器設(shè)計的主心骨，用程序控制音頻功率放大器，實現(xiàn)音量的加減以及靜音控制[6]。