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1、毕业设计数字显示测量音频电功率第一章 绪 论1.1引言目前，对音频电功率进行测量的主要方法有3类：一是通过测量负载(扬声器)两端电压的方式估算出功率。测量设备简单，但通常是依靠峰值检波或均值检波法来标定正弦有效值，只适用于正弦信号功率量，不能真实测量音乐、语音等复杂信号的实际功率；二是使用真有效值电压表或真有效值音频电功率计，不依赖于信号种类而对音频功率进行准确测量，但这离不开价格较昂贵的专用设备。三是主要用于工频电力系统的电功率数字化采样测量方法，软硬件结合完成所要求的运算和量，准确度好，但工作频率不高，系统复杂，成本较高。由于3种方案各自的特点，很难将上述测量方法应用到音频设备(如功率放大
2、器)中去实现(从直流到)音频范围的电功率测量。本设计通过检测负载电流与电压的乘积信号来测量电功率，该测量方法与负载产生的相移无关，不依赖于负载阻抗的变化，以有效值方式实现了有功功率的数字化测量本设计利用模拟乘法器MC1495和数字电压表电路ICL1707调试开关进行设计。第二章 应用各元件介绍2.1 ICL1707集成电路ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。这里我们介绍一种她的典型应用电路-数字电压表的制作。其电路如附图。制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2
3、K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其它器件选用正品即可。该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等.2.1.1管脚排列及极限参数图2.1 ICL7107管脚表2.1极限参数2.1.2自动校零阶段在自动校零阶段做三件事情。第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开，在内部与模拟公共脚短接。第二，参考电容充电到参考电压值。第三，围绕整个系统形成一个闭回路，对自动校零电容CAZ进行充电，以及补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。由于比较器包含在回路中，因此自动校零的精度仅受限于系统噪声。任何情况下，折合到输入端的失调电压小于10V。2.1.2信号积
4、分阶段1.2.4在信号积分阶段，自动校零回路断开，内部短接点也脱开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。转换器将IN HI和IN LO之间输入的差动输入电压进行一固定时间的积分，此差动输入电压可以在一很宽的共模范围内：与正、负电源的差距各为1V之内。另一方面，若该输入信号相对与转换器的电源电压没有回转，可将IN LO连接到模拟公共端上，以建立正确的共模电压。在此积分阶段的最后，积分信号的剂型也已经确定了。2.1.3反向积分阶段最后一个阶段就是反向积分阶段。低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高端输入通过先前以充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性正确地连接以确保积分器的输出能回到零。
5、积分器的输出回到零的时间正比于输入信号的大小。对应的数字输出为：显示值=1000VN/VREF.2.1.4差动输入输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。即在比正电源低0.5V和不比负电源高1V的范围。在此范围内，电路有86dB的共模抑制比。然而必须注意的是积分器的输出不能进入饱和区，一种最坏的情况可能是在输入端有一接近满量程的负向差动电压，同时又有一个较大的共模正向电压，负向的差动电压使得积分器的输出向正方向走，而此时积分器输出的正向摆幅又被正向共模电压所挤占，在这种严格的应用条件下，可适当地牺牲一些精度，将积分器的输出电压摆幅降低到低于所推荐的2V满量程。积分器的输出可以在比
6、正电源低0.3V或比负电源高0.3V的范围内摆动而不影响线性度。2.1.5差动参考源参考电压能够在转换器的电源电压范围内的任意位置上产生。共模误差的主要来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分布电容充电或放电而造成的。如果有一较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容会得以充电（电压增加）。反之，在负电压输入下进行反向积分时，参考电容会失去电荷。这种由于正负输入电压而在参考电容上造成的电压差异会导致翻转误差。2.2 MC1495乘法器Mc1495 是宽带线性四象限乘法器该mc1495是专为使用的情况下输出是一个线性产品两个输入电压。最大的多功能性，是保证让用户选择的水平转移的
7、方法，典型应用包括：乘，除平方根，意味着广场，相位检测器。图2.2 MC1495乘法器的管脚引线排图2.2示电路，设KM0.1(V1)，高频信号uC(t)4cosCt (V)低频信号u(t)5cost (V)， 其中C。图2.3乘法器其输出电压u0，并画出uo的波形图及振幅频谱图。 uoKM u(t) uC(t) cos (C)tcos (C)t cos2(fCF)tcos2(fCF)t (其中:fC=C/2、F=/2) （2.1） 2.4 LED数码管显示原理(led数码管的工作原理)LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共
8、阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、端接低电平时，才能发光。 LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、氮化镓(GaN)等，其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。其他颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。当PN结
9、导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L(单位是cdm2)与正向电流IF有关，用公式表示：L=KIF即亮度与正向电流成正比。LED的正向电压U，则与正向电流以及管芯材料有关。使用LED数码管时，工作电流一般选10mA左右段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。图2.4LED数码管原理图这里是用的共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。led数码管原理图示意：a b c d e f g h f图2.
10、5 数码管内部结构从图2.4可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。一般刚接触数码显示的网友搞不清字段和编码的关系，要看硬件的电路的组成的，其实这里的实验板上的数码显示是用P0口驱动的，原理图可以参阅实验板的网页，其计算的方法如下，供参考：例：如要显示“0”，则要 a,b,c,d,e,f六个字段亮就显示“0”了，而g和dp字段不亮；这样只要向P0口送出相应的代码即可，编码方法如下表2.2：表2.2编码方法程序使用时，只需将显示数字所对应的编码送P0口，然后打开相应的数码管
11、显示位的电源控制即可显示相应的字符；实验板载程序如下供参考：ORG 0000Hajmp startorg0030hstart: mov sp,#60h;mov P0,#0A4H;/将数字2的编码送P0口CLR P2.0;/打开第一位数码管的显示电源ACALL D1MS;/调用延时1MS子程序SETB P2.0;/显示1MS后关第一位数码管显示MOV P0,#0B0H;/数字3的编码CLR P2.1;/打开第二位数码管的显示电源ACALL D1MS;/调用延时1MS子程序SETB P2.1;/显示1MS后关第二位数码管显示MOV P0,#99H;/数字4的编码CLR P2.2;/打开第三位数码管
12、的显示电源ACALL D1MS;/调用延时1MS子程序SETB P2.2;/显示1MS后关第三位数码管显示MOV P0,#92H;/数字5的编码CLR P2.3;/打开第四位数码管的显示电源ACALL D1MS;/调用延时1MS子程序SETB P2.3;/显示1MS后关第四位数码管显示AJMP start;/返回从第一位显示循环/1MS延时子程序1MS延时(按12MHZ算)D1MS: MOV R7,#80DJNZ R7,$RETEND ;第三章工作原理及电路设计3.1 工作原理电路组成如图2.1所示，由取样电路、乘积运算电路、电平转换电路、AD转换电路和LED显示部分组成取样UL ，IL乘积运
13、MC1495I2，I电平转换LM741P0A/D转ICL7107LED显示有功功率图3.1音频数字功率组成本设计基于电功率等于电流与电压乘积的基本原理。完成该乘积运算的核心器件是模拟乘法器MC1495，配合使用运算放大器LM741实现电平转换，ICL7107完成AD转换并驱动LED实现功率的数字显示。其中，取样电路获取负载电压UL和负载电流IL，模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算，即功率运算，该模拟乘法器采用差动方式从2脚和14脚输出与负载功率成比例的电流I2-I14口由运放LM741组成的电平转换电路将乘法器输出的差动电流转换成电压VO，此电压正比于负载上的平均有功功率PO，
14、再配接由ICL7107为核心组成AD转换及显示电路，LED数码管显示的数字即为负载有功功率。3.2 电路设计总体电路如图3.2所示。整个电路制作在一块58 cm的印刷电路板上。图3.2音频功率计电路3.2.1 取样电路取样电路的任务是获取负载电流IL和负载两端的电压UL。图2.2中精密取样电阻Rsense将负载电流，IL转换为电压VX，Rsense=0.1 ，故VX=ILRsense=0.1IL。负载电压UL则直接送至VY。3.2.2 有效值功率转换电路由四象限线性模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算，采用差动方式输出与负载功率成比例的电流。这部分电路主要设计是依据制造商提供的M
15、C1495技术资料及设计要求。按最大有效值电功率P=100 W设计，扬声器阻抗RLoad耐变化范围在416 之间，则负载电流IL最大约5 A(峰值7 A)，负载电压UL最大约40 V(峰值57 V)。从而有VX(max)=0.7 V，VY(max)=57 V。选择R01=51 k，R02=R03=R04=10 k，则 （3.1）满足MC1495输入电压范围不超过10 V的要求。根据设计要求，MC1495的13脚外接电阻R13=12 k，3脚外接电阻由R3=12 k与RP3=5.0 k串联组成，从而保证13脚电流I13和3脚电流I3均为1 mA左右。RP3可微调乘法器的增益系数。根据VX(max)I13RX和VY(max)0.35
