数字助听器.docx
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数字助听器
题目:
数字助听器
设计人员:
指导老师:
日期:
二零一一年六月十日
摘要
本系统由前级放大电路、可控增益放大器、程控滤波器和功率放大电路等组成。
可控增益放大器以模拟开关DG201为核心器件而组成,实现了输出增益动态调整;程控滤波器由集成开关电容滤波芯片MAX262组成,实现了动态滤波功能。
本设计以Atmega128为主控芯片,12864液晶作为显示界面,无线红外遥控控制键盘。
系统性能指标到达设计要求,工作性能稳定可靠,用户界面友好。
关键词:
程控放大器程控滤波器
Abstract:
Thesystemconsistsofpreamplifiercircuit,controllablegainamplifiers,programmablefilters,andpoweramplifiercircuit.ControllablegainamplifiertosimulatetheswitchDG201asthecorecomponentcomposition,program-controlledtoachievethedynamicadjustmentofoutputgain;programmablefilterchipbyanintegratedswitchedcapacitorfiltercomposedofMAX262toachieveadynamicfiltering.ToAtmega128forthemainchip,12864LCDasthedisplayinterface,wirelessinfraredremotecontrolasakeyboard.Systemperformancetoreachthedesignrequirements,thesystemisreliable,userfriendlyinterface.
Keyboards:
ProgrammableGainAmplifierProgrammablefilter
目录
摘要:
2
目录3
1方案论证4
1.1前置放大模块方案4
1.2程控放大器模块方案4
1.3程控滤波器模块方案4
1.4功率放大模块方案4
1.5显示模块方案5
1.6键盘输入模块方案5
2系统设计5
2.1总体设计及框图5
2.2主要电路设计与分析6
2.2.1前置放大电路6
2.2.2功率放大电路6
2.2.3程控放大电路7
2.2.4程控滤波电路8
2.3软件设计8
3测试结果及分析9
3.1测试环境和器件9
3.2测试结果9
3.2.1放大增益测试9
3.2.2通频带测试9
3.2.3总测试结果10
3.3结果分析10
4总结10
5参考文献10
附录Ⅰ:
11
1方案论证
1.1前置放大模块方案
方案一:
采用分离元件搭成。
这种方案设计灵活,设计好电路,能够很好发挥话筒的性能,且能有效抑制噪声。
方案二:
采用集成运放搭成的前置放大电路。
这种方案设计简单,且性能可靠。
但考虑到驻级话筒自身的特点,变化范围大,只能用分离元件搭建。
1.2程控放大器模块方案
方案一:
采用可控增益放大器。
由于一般的增益放大器的放大倍数只有几级,不是我们需要的放大倍数。
因此,选择可控增益放大器不合适。
方案二:
采用ADDA来完成增益放大,这种方案对单片机自带有ADDA来说是一个不错的选择,但对没有DA的单片机来说,就不再适合了。
方案三:
采用模拟开关和运算放大器构成。
通过模拟开关选择不同的反馈电阻,完成程控放大的功能。
这种设计方案使得程控放大变得灵活,且设计简单可靠,因此,选用此方案。
1.3程控滤波器模块方案
方案一:
采用DSP5402作为主控芯片。
芯片通过ADC采样后,采用数字滤波、放大,经滤波放大后经DA转换变换为模拟信号。
此方案中DSP的计算速度快,对频谱分析较快,滤波速度快。
但是需用总线控制,外围电路非常复杂,无驱动和AD、DA转换的功能,且系统成本昂贵,不宜采用。
方案二:
采用MSP430FG439作为主控芯片。
芯片内部自带有DA、AD转换功能及可编程放大器。
采用该方案使得该系统能在一个芯片上完成。
但由于单片机速度比较慢,给数字滤波带来了一定的困难。
该方案做个严格的论证测试,采用5阶FIR滤波器,能够基本达到要求。
方案三:
采用开关电容专用滤波芯片,如美信公司的MAX262和TLC等系列芯片。
既可以实现低通和高通,也可以实现椭圆滤波,且电路简洁,程控方便。
考虑到性能和成本等因数,综合选择方案三。
1.4功率放大模块方案
方案一:
分离元件实现。
分立元件是电子电路的基础元件,长久以来都是在它的基础之上分析和设计电路的。
但由于近年来科技的发展,集成器件的出现,使分立元件的使用越来越少。
不过在一些小型的电路中,分立元件还是有比较大的优势。
分立元件的散热快,元件便宜,在设计时也相对自由。
方案二:
用集成器件实现。
集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的,其内部电路与集成运放相似。
但是,由于其安全、高效、大功率和低失真的要求,使得它与集成运放又有很大的不同。
电路内部多施加深度负反馈。
集成功率放大器由于不仅具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便的优点;而且在性能上也优于分立元件,例如温度稳定性好,功耗小、失真小,特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。
比较综合考虑,我们运用TDA2030A集成芯片完成音频功率放大器的设计。
1.5显示模块方案
该系统不需要显示复杂的内容,故用12864液晶即可。
1.6键盘输入模块方案
采用无线红外遥控键盘,不再接触主系统,使得系统性能变得稳定可靠。
2系统设计
2.1总体设计及框图
以Atmega128单片机为主控制芯片控制模拟部分等电路,通过键盘调节截止频率、放大增益等并在液晶上显示测得数据,模拟部分主要由前置放大电路、程控放大、滤波和功率放大电路组成,主要实现对信号的滤波放大的作用。
系统框图如图2-1-1所示:
图2-1-1
麦克风的音频信号经前置放大电路后得到放大,再由程序实现放大、滤波,对此信号再进行功率放大,送入喇叭,从而达到助听的目的。
2.2主要电路设计与分析
2.2.1前置放大电路
R5、R3与C2、C3及三极管2N22A9A构成一个典型的共集电极放大电路。
电路中Rl、R2的取值很小,电源Vcc的电压大部分都加在话筒上。
当话筒的参数发生较大的变化时,电路仍能很好的适应这一变化.使话筒能够有足够的偏置电压,从而发挥出优异的性能。
由于(R1+R2)的阻值取得很小,不能满足话筒的输出阻抗匹配要求,故电路核心是加入自举电容C3。
由于R3的负反馈作用,三极管的发射极电位Ve通过C3的耦合至R1的下端,使R1的两端交流电位差减小,实现对R1的自举。
极大地提高了偏置电路的交流阻抗,实现电路的最佳匹配。
射极跟随电路的输出阻抗很低,几乎能满足任何后续放大电路的要求。
同时由于R3的阻值较小,等于在输出连接线上接了个低阻的负载。
利用干扰源的内阻一般都很大的特点。
使其形成回路,极大地降低了噪音电平。
具有一定的降噪功能。
电路如图2-2-1所示:
图2-2-1
2.2.2功率放大电路
功率放大电路主要采用芯片TDA2030A,电源采用正5V的单电源供电,外接元件非常少,电气性能稳定、可靠、适应长时间连续工作,且芯片内部具有过载保护和热切断保护电路。
C1是输入耦合电容,R4是TDA2030A同相输入端偏置电阻,R5、R6、R7决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益,该电路闭环增益为
,随着W的增加,增益减小,增益在3-2dB之间,C3起隔直流作用,以使电路直流100%的负反馈,静态工作点稳定性好,D1,D2是保护二极管,防止输出电压峰值损坏TDA2030A。
截止频率为27.21Hz,通频带为27.21Hz-350KHz。
电路如图:
2-2-2所示:
图2-2-2
2.2.3程控放大电路
由LM324和DG201构成程控放大器,通过模拟开关DG201选择不同的反馈电阻,完成不同的增益放大。
根据题目要求,增益为10dB可调。
故在程控放大级我们选择放大倍数为3.16倍、10倍、31.6倍、100倍。
该电路采用一般的反向放大电路。
即Av=-Rx/R1;电路如图2-2-3所示:
图2-2-3
2.2.4程控滤波电路
MAX262具有A、B两个二阶开关电容有源滤波器,它由单片机精确控制滤波函数即可构成低通、高通、带通、带阻等滤波器,且有外围电路少、功能强大的优点。
MAX262可在程序控制下设置中心频率fo,品质因素Q以及滤波器的工作方式。
可直接通过单片机对MAX262进行控制,改变中心频率和Q实现不同的截止频率。
电路如图2-2-4所示:
图2-2-4
2.3软件设计
软件设计相对比较简单,只需获取键盘值,对DG201和MAX262改变一下参数即可,并在液晶上显示提示信息,程序框图2-3-1如下:
下面具体介绍一下DG201和MAX262参数控制程序设计方法:
对DG201控制很简单,有四个模拟通道,只需要给每个模拟开关的控制端低电平,就可以使得该通道导通;反之,模拟通道断开。
而MAX262相对要复杂一下,我们首先需要设置个通道的模式,设定各通道品质因数Q值,接着需要设置各通道的时钟频率和中心频率f0的值。
图2-3-1
3测试结果及分析
3.1测试环境和器件
环境温度为室温26℃,自制稳压直流电源供电:
其中放大模块、滤波模块采用±5V电源供电,控制模块和显示模块采用+5V电源供电。
测试仪器:
DG1022精密函数发生器、DS1052D数字示波器。
3.2测试结果
3.2.1放大增益测试
放大器增益在40~60dB按10dB增益步进,用精密数控函数信号发生器产生一个峰值10mV的正弦信号,经过放大器放大后,用数字示波器测出电压峰峰值,则输出与输入电压之比就为实际增益,测试如下:
表3-1程控放大器增益指标测试数据
标准增益((((dB)
30
40
50
60
输入电压(mV)
30
6
6
6
输出电压(V)
1.2
0.76
1.86
6.12
实际增益(dB)
32
42
49.8
60.2
从结果可以看出,增益误差小于5%,实际增益的偏差在题目允许的范围之内。
3.2.2通频带测试
输入一个幅值为6mV的正弦信号,通过改变输入信号的频率,使其输出信号幅值衰减到通带内幅值的0.707倍,记录下此时的频率,该频率就是该设置点的截止频率。
测试结果如下表所示:
表3-2程控滤波器性能测试数据
截止频率fc(KHz)
低通滤波器
高通滤波器
实测截止频率(KHz)
fc处幅值
(V)
实测截止频率(KHz)
f处幅值
(V)
1
1.4
0.92
1.1
1.6
2
2.1
1.34
2.2
1.6
3
3.3
1.34
2.9
1.6
4
4.2
1.4
4.3
1.6
5
5.0
1.6
5.1
1.6
6
5.9
1.6
5.9
1.58
7
6.9
1.58
6.8
1.5
8
7.8
1.58
7.5
1.5
9
8.7
1.5
8.5
1.46
10
9.5
1.46
8.0
1.3
由于采用了MAX262专用数字滤波芯片,使得程控滤波变得简单精确,从测试结果可以看出,基本满足题目的要求。
3.2.3总测试结果
性能指标
通频带
380Hz~9.8KHz
电压
增益
30dB~60dB
步进可调
10dB
失真
无明显失真
滤波器
低通滤波
截止频率
1K~10KHz
步进调节
1KHz
高通滤波
截止频率
1K~10KHz
步进调节
1KHz
其它
红外键盘遥控、12864液晶显示
3.3结果分析
从上面的测试结果可以看出,除了增益不满足发挥部分的要求外,其它均能满足题目要求,并且有高于题目要求指标。
该系统设计的创新之处在于避开了繁琐数字滤波器设计,使得设计简单、性能可靠;使用了红外键盘,使得系统工作更加稳定可靠,系统人机界面友好。
4总结
本设计采用模拟电路实现程控滤波和程控放大,通过模拟电路精巧的设计,部分指标超过了题目的要求,并且大大缓解了处理器速度,使得用一个8位的单片机就可以实现。
本系统也明显存在不足,增益不能满足发挥部分要求,且有一点噪声,分析其原因,电子器件、温漂、电磁干扰和电源纹波产生的噪声,需要设计电路来改进。
5参考文献
[1]高吉祥等,全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[J].
[2]吴立展等,程控滤波器.
附录Ⅰ:
程序:
1.主程序
//RS=P3^0;WRD=P3^1;E=P3^2;PSB=P2^3;RES=P2^4;
//数据口P3
#include
#include"12864.h"
#include"max262.h"
#include"dg201.h"
#include
#pragmainterrupt_handlerexint:
4
externvoidchange(ucharir);
unsignedcharIC_DAT0[4][17]={
"",
"",
"",
""
};
unsignedcharIC_DAT1[4][17]={
"2011电子设计大赛",
"组长------王培成",
"--谭小元--杨琴琴",
"2011-06-07",
};
unsignedcharmenu[4][17]={
"助听器",
"音量:
小",
"滤波方式:
低通",
"截止频率:
10k",
};
ucharVOL=0,FS=1,MODE=0;
ucharir_buffer;
voidmain(void)
{
VOL=0;
MODE=0;
FS=10;
//初始化
dg201(0);
//TOPB4CTC
TCCR0=0X19;//10011001WGM10(CTC)COM01(取反)
OCR0=9;//八位5MAX262通道A
//T1APB5CTC
TCCR1A=0X40;//01000000通道Awgm9、4
TCCR1B=0x09;
OCR1A=6;//八位max262通道B
DDRC=0xff;
PORTC=0xff;
//MAX262
DDRB|=0X30;
DDRC=0XFF;
max262(1,2,38,38);
max262(2,2,38,38);
initinal();
lcd_mesg(IC_DAT0);
lcd_mesg(IC_DAT1);
DelayMs(1000);
lcd_mesg(menu);//主菜单
//ISPINIT
DDRB|=0X07;
PORTB|=0X0f;//00001001
SPCR=0X53;//01010011
SPSR=0X00;
DDRB=0Xf7;
PORTB|=1;
//INT0
EICRA=0X00;
EIMSK=1;
PORTD|=1;
SREG=BIT(7);
while
(1)
{
}
}
voidexint(void)
{
EIMSK=0;
DDRD&=0xfe;
PORTD|=1;
PORTB&=0xfe;
SPDR=0XAA;
while(!
(SPSR&0X80));//发送完毕检测
ir_buffer=SPDR;
PORTB|=1;
ir_buffer=ir_buffer%100;
if(ir_buffer<10)
sprintf(menu[0]+14,"%d",ir_buffer);
else
sprintf(menu[0]+14,"%d",ir_buffer);
change(ir_buffer);
lcd_mesg(menu);
DelayMs
(1);
EIMSK=1;
}
voidchange(ucharir)
{
switch(ir)
{
case4:
if(VOL!
=0)
VOL--;
break;
case7:
if(VOL<3)
VOL++;
break;
case2:
if(FS<10)
FS++;
break;
case6:
if(FS>1)
FS--;
break;
case10:
if(MODE)
MODE=0;
else
MODE=1;
break;
default:
break;
}
switch(VOL)
{
case0:
sprintf(menu[1]+12,"小");
break;
case1:
sprintf(menu[1]+12,"中");
break;
case2:
sprintf(menu[1]+12,"大");
break;
case3:
sprintf(menu[1]+12,"最大");
break;
}
dg201(VOL);
switch(MODE)
{
case0:
sprintf(menu[2]+12,"低通");
break;
case1:
sprintf(menu[2]+12,"高通");
break;
}
sprintf(menu[3]+12,"%dK",FS);
max262_fun(MODE,FS);
lcd_mesg(menu);
}
2.max262程序
#include"max262.h"
//10k~20k带通
//f100110
//q100000
//clk1M
//76543210
//PC:
A3A2A1A0WRD0D1
voidmax262(ucharch,ucharmode,ucharf,ucharq)
{
MAX262_PORT=0xff;
DelayMs
(1);
//mode
mode=mode-1;
ch=ch-1;
MAX262_PORT=(ch<<6)|0x04|((mode&1)<<1)|((mode>>1)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|((mode&1)<<1)|((mode>>1)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//f0f1
MAX262_PORT=(ch<<6)|(1<<3)|0x04|((f&1)<<1)|((f>>1)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(1<<3)|((f&1)<<1)|((f>>1)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//f2f3
MAX262_PORT=(ch<<6)|(2<<3)|0x04|(((f>>2)&1)<<1)|((f>>3)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(2<<3)|(((f>>2)&1)<<1)|((f>>3)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//f4f5
MAX262_PORT=(ch<<6)|(3<<3)|0x04|(((f>>4)&1)<<1)|((f>>5)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(3<<3)|(((f>>4)&1)<<1)|((f>>5)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//q0q1
MAX262_PORT=(ch<<6)|(4<<3)|0x04|(((q>>0)&1)<<1)|((q>>1)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(4<<3)|(((q>>0)&1)<<1)|((q>>1)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//q2q3
MAX262_PORT=(ch<<6)|(5<<3)|0x04|(((q>>2)&1)<<1)|((q>>3)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(5<<3)|(((q>>2)&1)<<1)|((q>>3)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//q4q5
MAX262_PORT=(ch<<6)|(6<<3)|0x04|(((q>>4)&1)<<1)|((q>>5)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(6<<3)|(((q>>4)&1)<<1)|((q>>5)&1);
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
//q6
MAX262_PORT=(ch<<6)|(7<<3)|0x04|(((q>>6)&1)<<1)|1;
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=(ch<<6)|(7<<3)|(((q>>4)&1)<<1)|1;
DelayMs
(1);
MAX262_PORT=0xff;
}
voidmax262_fun(ucharfilter_mode,ucharfs)
{
if(filter_mode==0)
{
switch(fs)
{
case1:
OCR1A=88;
max262(2,2,55,0);
break;
case2:
OCR1A=88;
max262(2,2,15,0);
break;
case3:
- 配套讲稿:
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