司馬明

摘 ?要：本設計以程控增益放大器AD603為核心，通過單片機STC89C52控制各模塊，實現(xiàn)了輸入信號及環(huán)境噪聲幅度自動調節(jié)音量的自動增益控制音響放大器。文章重點介紹了程控放大模塊、噪聲采集模塊、有效值檢測模塊等主要電路模塊。系統(tǒng)從mp3或信號源輸入音頻（100 Hz～10 kHz）信號給程控增益放大器AD603，將信號放大輸出，通過峰值檢測電路檢測出輸出信號，并送給單片機AD采樣，與理想輸出信號數(shù)值進行比較，若有多偏差，則通過調整對AD603的增益控制電壓，從而實現(xiàn)帶動600 Ω負載或驅動8 Ω喇叭。

關鍵詞：AD603;STC89C52;自動增益控制

中圖分類號：TN72 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）03-0011-02

1 ?系統(tǒng)方案論證

1.1 ?控制方案的論證與選擇

?方案一： ?采用AD603和運放構成電壓比較減法電路實現(xiàn)。將輸入電壓與理想電壓的誤差經相應的幅值和極性處理后作為AD603的控制信號，從而實現(xiàn)放大倍數(shù)的自動調節(jié)，實現(xiàn)輸出電壓的恒定。該方案結構簡單，制作容易成本低，但控制精度不夠，適用性不強。

?方案二：以單片機作為控制器件，通過單片機對輸入信號進行AD采樣，與理想輸出信號比較得到誤差，根據(jù)誤差調整AD603增益控制電壓，從而實現(xiàn)對AD603放大倍數(shù)的精確控制，實現(xiàn)輸出電壓的恒定。該方案控制精確，控制速度快，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性高，功能改變和增加容易。但系統(tǒng)的設計稍復雜。

?通過對兩個方案的綜合對比，我們選用方案二。

1.2 ?程控增益放大論證與選擇

?方案一：使用多個高速運放和模擬開關構成程控增益放大。通過控制模擬開關選擇不同的反饋電阻實現(xiàn)可控增益。這種方案結構簡單，易實現(xiàn)，但由于模擬開關其導通電阻很大，使得各通道信號容易相互干擾，甚至影響通頻帶寬，同時 ?若要實現(xiàn)增益連續(xù)可調，整體結構復雜，調試麻煩。

?方案二：采用控制電壓與增益成線性關系的可編程增益放大器AD603。通過單片機控制D/A輸出高精度直流電壓來控制AD603內部的衰減網絡，實現(xiàn)精度〒0.5 dB增益可調。用少數(shù)外圍器件級聯(lián)兩片AD603可實現(xiàn)增益-20～60 dB連續(xù)可調，滿足題目要求。

? 綜上所述：本設計采用方案二，用高精度10位DAC輸出直流電壓控制AD603實現(xiàn)程控增益放大。

1.3 ?控制模塊的論證與選擇

?方案一：控制模塊為MCS-51單片機。MCS-51以其典型的結構、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統(tǒng)和面向控制功能的豐富的指令系統(tǒng)，為單片機的發(fā)展奠定了良好的基礎，應用比較廣泛，各種技術都比較成熟。但MCS-51優(yōu)點是控制簡單方便，成本較低，其缺點資源有一定的限制，在擴展功能方面需要外擴單元。

?方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，基于閃存的產品系列，具有最低工作功耗，在1.8 V～3.6 V的工作電壓范圍內性能高達25 MIPS。包含一個用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管路模塊。MSP430的優(yōu)點是資源豐富，操作語言靈活，但對編程的要求有所提高。

?由于設計本身對MCU性能要求不太高，對兩個方案的綜合對比，我們選擇成本低，能實現(xiàn)設計要求的單片機MCS-51做我們的主控制器。

1.4 ?系統(tǒng)總體設計

?根據(jù)本設計的要求，可得系統(tǒng)整體結構由單片機控制模塊、程控放大模塊、噪聲采集模塊、有效值檢測模塊、揚聲器模塊、鍵盤輸入模塊和液晶顯示模塊組成，如圖1所示。

2 ?理論分析與參數(shù)計算

2.1 ?自動增益控制的原理

?自動增益控制電路的主要作用是使設備輸出電平保持一定的數(shù)值。對自動增益控制電路的主要要求是控制范圍要寬，信號失真要小，要有適當?shù)捻憫獣r間，同時不能影響系統(tǒng)的噪聲性能。當輸入信號的電平在一定范圍內變化時，盡管自動增益控制電路能夠大大減小輸出信號電平的變化，但是不能完全消除電平的變化。對于自動增益控制系統(tǒng)來說，一方面希望輸出信號電平的變化越小越好，另一方面則希望輸入信號電平的變化范圍越大越好。在給定輸出電平變化范圍內，允許輸入信號電平的變化范圍越大，就意味著自動增益控制電路的控制范圍越寬。

AGC電路工作原理分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓U0而改變?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考茿GC整流器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。

2.2 ?自動增益控制的實現(xiàn)

?AD603是寬頻帶、低噪音、低畸變、高增益、高精度壓控VGA芯片。AD603有三種工作模式：-10～30 dB、0～40 dB和10～ 50 dB，本模塊選擇90 MHz帶寬的兩級級聯(lián)電路形式。

? AD603帶內紋波較大，兩級芯片級聯(lián)時最大增益可達60 dB，因此，模塊中在兩級AD603中間有適當?shù)母咚倬彌_器以改善其通帶特性，同事也能防止高增益時電路可能產生的震蕩問題;為拓寬其增益的設置范圍，本模塊的最后一級設計了放大電路，改變電阻值就可以改變其放大倍數(shù)，放大器增益默認設置為0 dB;另外，為方便調節(jié)增益，模塊電路設置了兩種方式：手動方式通過調節(jié)電位器控制增益、自動方式通過外部DA控制增益，模塊配合凌志的電子系統(tǒng)設計開發(fā)板中C8051F020單片機的DAC0控制增益。

AD603由5腳和7腳的連接方式不同而有三種：

?方案一：5腳和7腳短接，增益為-10bD～50 dB，帶寬為90 MHz;

?方案二：5腳和7腳間接一個2.5 K電阻，在經過5.6 pF電容接地，該方案增益為綜合考慮課題要求。增益在約0 ～40 dB，帶寬為30 MHz;

方案三：5腳接18 pF電容到地，該方案增益為10 ～50 dB，帶寬為9 MHz;綜合考慮課題要求，增益在約0 ～30 dB之間，再考慮帶寬所采用的方案一芯片連接，如圖2所示。

2.3 ?自動增益控制的理論計算

?若用mi=代表自動增益控制電路輸入信號電平的變化范圍，則mo=代表自動增益控制電路輸出信號電平的變化范圍。當給定mo時，mi越大的自動增益控制范圍越寬。取 ?ng=，稱ng為增益控制倍數(shù)，顯然ng越大控制范圍越寬。

ng====（1）

式中，Amax=Vomin/Vimin是自動增益控制的最大增益;

Amin=V/V是自動增益控制的最小增益。

3 ?電路設計和程序設計

3.1 ?系統(tǒng)原理電路的設計

?電路主要由四塊芯片構成，第一級AD603程控放大電路、高速緩沖電路、第二級AD603程控放大電路、末級緩沖/放大電路。兩級AD603的控制模式都選擇90 MHz帶寬模式，按照官方芯片手冊的連續(xù)方式來設計電路，兩級AD603的增益控制引腳直接短接，實現(xiàn)增益的同步設置;中間級高速運放只做緩沖器作用末級運放根據(jù)用戶時間需要來設計放大器增益，放大器連接方式為同相輸入比例放大，其增益值有R1和R3的壁紙來決定，本模塊默認不焊接R3，構成末級緩沖器。

?AD603在90M帶寬模式下的增益控制范圍為-10～30 dB，兩級AD603級聯(lián)后的增益控制范圍為-20～60 dB，二本模塊中為了使電路匹配50 Ω阻抗，在中間級聯(lián)的電路衰減了8倍。

3.2 ?MIC拾音電路設計

?MIC將外界的聲音信號變?yōu)橐纛l信號，經C2耦合給Q1的基極進行調制，當有聲音信號時，三極管的集電極電容發(fā)生變化，導致振蕩頻率發(fā)生變化，完成頻率調制。Q2，R6，R9，C4，C5，C13，C14及C5組成三點式電容諧振電路，產生高頻載波信號并進行調制。

3.3 ?有效值檢測模塊

?有效值檢測模塊輸入端接隔直電容C3，如果只測交流信號，加此電容;否則將其短路。它可以將任何交流輸入信號的有效值變換成等值的直流電壓，由9腳輸出直流電壓。9腳輸出端接濾波電容C6，也稱平均電容。當輸入的頻率一定時，直流誤差僅與平均電容C6有關，而不受后置濾波器的影響。交流紋波分量可以用增大平均電容C6的值來減小。

?AD637供電電源可以從正負3 V到正負18 V。隨供電電壓的不同，最大輸出電壓也相應改變，一般是輸出電壓最大值比供電電源電壓小1 V左右。AD637有片選功能，可將器件靜態(tài)電流從2.2 mA降低到350 uA。

4 ?結 ?語

?本文重點介紹了增益放大系統(tǒng)的主要組成電路。在此過程中，選用合適的集成電路為電路設計帶來了方便，同時還應注意的是，嚴格的參數(shù)計算給設計帶來了可靠的理論支撐，這是電子設計實戰(zhàn)中給我們帶來的經驗。

參考文獻：

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