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1、 I 系系 所：所： 专专 业：业： 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 指导教师：指导教师： 导师 1 导师 2 导师职称：导师职称： 导师 1 职称 导师 1 职称 完成日期：完成日期： 年 月 日 论文题目论文题目：基于单片机的基于单片机的 D 类音频功放的设计与实现类音频功放的设计与实现 II 基于单片机的 D 类音频功放的设计与实现 摘 要 数字功放由于其效率高、易与数字音源对接等优点而在现实生活中具有越来越广 泛的应用。本设计基于单片机制作了一款 D 类功放。功放系统利用 AD 转换将输入的 音频信号转换为占空比随模拟信号电压变化的 PWM 信号，经功率放大器放大随输入 音
2、频变化的 PWM 信号，再由低通滤波器把 PWM 波形中的声音信息解调出来。系统以 8051 内核单片机 STC89C52 为音频采集核心，由程序算法转换成 PWM 信号。系统的 放大部分采用功率型高速 MOSFET 开关管组成推挽放大电路，主要用来 PWM 信号放 大，最后利用低通滤波器对脉冲信号进行平滑处理，还原出声音电信号，最后通过扬 声器来转换输出放大了的声音信号。最后经过试验，本次制作的 D 类功放，具有功耗 低、成本低、电路简单、音质较好等优点。 关键词关键词：单片机，数字功放，脉宽调制 III Abstract Digital power amplifier because of
3、 its advantages of high efficiency,easy to dock with the digital audio source and has more and more widely used in real life.This des -ign based on single chip microcomputer made a class D power amplifier.Power ampli -fier system using MCU AD conversion function converts input audio signal duty cycl
4、 -e change with the input audio signal,and then by the low-pass filter demodulation of the PWM waveform sound information.System with the AD converter within 8051 ker -nel microcontroller STC89C52 ,internal algorithm converts the PWM signal by single- chip microcomputer.Amplification part of the sys
5、tem of using power type high-speed MOSFET switching tube push-pull amplifier circuit,mainly used for PWM singal ampli fication,finally using low pass filter to smooth the pulse signal,the reduction of noise s ignals,finally through the speaker to the transformation output amplified voice signal.V er
6、ified by test,this paper made of class D power amplifier,has low power consumption, low cost,simple circuit,good sound quality,etc. Key words: MCU, Digital power amplifier,PWM IV 目 录 摘 要.II ABSTRACT.III 第 1 章 绪 论.1 1.1 本次设计背景及其发展趋势.1 1.2 本次功放的设计.3 第 2 章 关键技术介绍.4 第 3 章 系统分析.7 3.1 方案概述.7 3.2 系统开发环境.17
7、 第 4 章 系统设计18 4.1 主电路的设计.18 4.2 模数转换电路的设计21 4.3 功放电路的设计.21 第 5 章 系统实现23 第 6 章 系统测试24 第 7 章 结 论25 参考文献26 致 谢27 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 本次设计背景及其发展趋势本次设计背景及其发展趋势 在过去几年，随着科学技术的日新月异，电子设备也开始更新换代，而随着人们 对生活品质要求的提高，音频质量的好坏也成为了人们关注的焦点。如今许多电子产 品上都增加了音频设备，而现在的消费类电子设备上带有音频已成为主流，如 MP3、 平板电脑。随着这类带有音频设备的电子产品的发展，音频设备也随之发展
8、，即人们 对音频性能的要求不断提高，需要音频设备不断的提高，其基本要求是在更低的负载 阻抗和更高输出功率下实现更好的音质。而功率放大器是对音频放大的设备，是高保 真音频放大处理的核心部分。一般而言，A 类、B 类、AB 类放大器能应付这些设备早 期的性能要求和成本要求，但线性功率放大器已不能适应如今消费者的生活需求，因 此在增强音频功能的消费品领域，D 类功放正在向先前的线性功放发起挑战，D 类音 频功放的效率远比那些线性功放高的多，理论上能达到 100%，而实际上也能达到 85% 以上，如今已经开发出无需输出滤波的 D 类功率放大器的集成芯片，使得音频功放的 电路更加简单，因而达到了减小体积
9、的效果，这样的特点更适用于便携带式电子设备 上。如今的 LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）电视机、等离子电视以及新型 PC 等许多终端设备均要求提供更高的输出效率，而不是增加成本，同时要保持原有的 体积甚至更小的体积，这样原用于大功率的 D 类功放将逐步应用到小功率的便携式产 品中。其工作特点是工作电压低、输出功率大、转化效率高、功耗小、元器件封装小。 这样的趋势加大了对 D 类功放的要求，使之在短时间内得到长足发展。并且如今许多 D 类功放已进入了原来由线性功放占领的市场。消费市场上适用 D 类功率放大器的主 要原因是其效率高，正是由于其效率高而使其发热量远远
10、低于传统的线性功放。D 类 功放能达到 85%的效率是因为其与开关电源的工作方式相似，其中 MOSFET 要么工作 在饱和态，要么工作在截至态，因此可以减少开关管晶体管的功耗损失，从而增强了 放大器的功率，再次也需要说明的是在开关时间和非开关时间中总会有一定的损耗， 无论如今的技术如何发达也不能实现某个机器能将效率达到 100%。正是其开关特性， 放大器实现了高效率的转换。也就是说 D 类功放的效率是如今已开发出来的功率放大 器中效率最高的功率放大器。 在音响领域里人们一直坚守着 A 类功放的阵地。认为 A 类功放声音最为清晰，具 有很高的保真度。但是，A 类功放的低效率和高损耗却是其无法克服
11、的缺点。B 类功 -2- 放虽然效率提高很多，但实际效率仅为 50%左右，在小型便携式音响设备如汽车功放、 笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍效率偏低不能令人满意。所以，效 率极高的 D 类功放，因其符合绿色革命的潮流正受着各方面的重视。由于集成电路技 术的发展，原来用分立元件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是价格上 均已不成问题。而且今年来数字音响技术的发展，人们发现 D 类功放与数字音响有很 多相通之处，进一步显示出 D 类功放的发展优势。 D 类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处 于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状
12、态，晶体管相当于一 个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实 际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关， 而与信号的输出大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D 类功 放的效率为 100%，B 类功放的效率为 78.5%，A 类功放的效率才 50%或 25%（根据负 载方式而定） 。 D 类功放实际上具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制 电路中。然而，开关功能随着数字音频技术研究的不断深入，用于 Hi-Fi 音频放大的道 路却日益畅通。20 世纪 60 年代，设计人员开始研究 D 类功放用于音
13、频的放大技术， 70 年代 Bose 公司就开始生产 D 类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效 率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放，两者都希望有 D 类这样高效的 放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。 全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们尽快 的研究开发高效率、节能、数字化的 D 类功率放大器，其应该具工作效率高，便于和 其他数字设备相连的特点，D 类功放是 PWM 型功率放大器，它符合上述要求，今年 来，国际上加紧了对 D 类功率放大器的研究与开发，并取得了一定的进展，几家著名 的研究机构已经向市场提供 D 类功放评估
14、模块和技术。这一技术一经问世便立即显示 出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商家的特别关 注。如今的趋势是 D 类功率放大器必将取代传统的线性功率放大器。科学技术人员做 了大量的研究工作，早些时候人们就论证了 D 类功率放大器的存在。 高频功率放大器的主要问题是如何尽可能的提高其输出功率和效率，只要将效率 稍稍提高一点点，就能在同样的器件消耗下，大大提高输出功率。甲、乙、丙功率放 大器就是沿着不断减小电流导通角的途径，实现不断提高放大器的效率的，但是导通 -3- 角的减小是有一定限度的，因为导通角太小，效率虽然高，但因为 1cm 下降太多，输 出效率反而下降，而 D
15、类功放就是采用固定的导通角的值为 90，尽量降低管子功耗的 方法来提高功率放大器的效率。管子工作在开关状态，导通时管子进入饱和态。元件 内阻接近于零；而当管子在关断状态时，管子在截止状态，内存无穷大，电流为零， 这样就减小了开关管的损耗，效率随即增加。也就如前面所说的理论上效率可以达到 100%。 1.2 本次功放的设计本次功放的设计 众所周知，音频信号属于模拟信号，而单片机处理的信号为数字信号，所以要将 模拟信号转换为数字信号，此时就需要用到数模转换芯片，本设计中选用 ADC0804。 单片机获得数字信号，经由 PWM 算法，输出给功放芯片，从而实现本次设计的实现。 -4- 第 2 章 关键
16、技术介绍 本次设计单片机采用宏晶 STC89C52， STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、 高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经 典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在 单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8K 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全
