数字功放.doc
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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
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