數碼音量控制擴音器電路的設計

李彬，陳碧敏

（廣東理工學院，廣東肇慶，526100）

0 引言

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

1 總體方案設計

數碼音量控制擴音器的系統框圖如圖1所示。

圖1 數碼音量控制擴音器的系統框圖

進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CD4053，數字音量控制部分選用X9319數字電位器，TDA2003為音頻功率放大器，MCU控制電路選用STC89C51單片機，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CD4051，數字音量控制部分選用X9511數字電位器，TDA2030為音頻功率放大器，MCU控制電路選用AT89C51單片機，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，可以達到20HZ，根據設計要求，選擇LM358比較合適。根據設計的要求要求對話音和音頻輸入兩個信號進行選擇，因此模擬開關適合選用三二通道的數字控制模擬開關，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單片機是51單片機的增強款，完全兼容MCS-51，STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更強、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單片機芯片全面兼容其他51單片機，STC89C51內部有E2PROM，可以在程序中修改，并且斷電不丟失數據，所以選用STC89C51單片機。X9313應用范圍較廣和被經常的使用，并且電路結構簡單，調試簡單，只要焊接沒有錯誤，基本上就不需要調試，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。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CD4053，可以對話音輸入，音頻信號輸入二組信號進行選擇。數字控制電路采用數字電位器X9313，它的工作原理主要是對電阻進行改變來控制其增益，較好的實現了可控增益放大器。音頻功率放大電路采用芯片TDA2003，它將輸入的電流進行放大，然后去驅動喇叭發出聲音[2]-[5]。電源電路采用18V的直流電源為音頻功率放大器供電，經過7805芯片降壓后，為單片機提供大約5V的直流供電電源，

2 電路的設計

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感應空氣中的聲波的微弱振動，并輸出跟聲音變化規律一樣的電信號，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CD4053組成，對模擬開關的控制是通過TTL邏輯電平實現輸入信號AUDIOI/2之間的切換，通過AB兩組輸入地址來實現輸入信號的選擇，當輸入AXBX時，是音頻線路信號輸入，當輸入AYBX時是話音輸入信號，當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，為了保護芯片，需要加上電阻R8，具體的電路圖如圖3所示。

數字音量控制電路是采用X9319W的內置EEPRM的非易失性數字電位器。數字電位器的時序圖和相應的時間參數是構成單片機控制數字電位器其編程技術的依據。在數字音量控制電路中，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的容量應該取大一些，如果設計輸出功率增大，電容的容量也應該隨著增大，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

單片機控制電路主要選用STC89C51,并且為了保證單片機的穩定性和負載能力，應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的排阻，為了更好的顯示單片機的運行狀態和在調試程序中顯示程序的進展情況，應該添加一個以上的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的數字電源，另一種是采用78L05模擬電源單獨供電，為了防止學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。功耗小時，穩壓器無需加裝散熱器，功耗大時，穩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 結論

數碼音量控制擴音器各部分電路，系統硬件電路包括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供電，話音放大電路對輸入聲音進行放大，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行選擇，數字音量控制電路對放大器的增益進行控制，音頻功率放大電路對輸入電流信號進行放大以驅動喇叭，MCU控制電路是數碼音量控制擴音器設計的主心骨，用程序控制音頻功率放大器，實現音量的加減以及靜音控制[6]。