基于單片機(jī)的高精度數(shù)字控制放大器畢業(yè)設(shè)計.doc

高精度數(shù)字控制放大器設(shè)計 摘要摘要: :在放大器領(lǐng)域中,經(jīng)常需要進(jìn)行各種不同頻率的放大。當(dāng)前，世界上正面臨著一場新的技術(shù)革命， 這場革命的重要基礎(chǔ)之一就是放大技術(shù)。放大技術(shù)的發(fā)展給人類社會和國民經(jīng)濟(jì)的各個部門及各個領(lǐng) 域帶來了巨大的、廣泛的、深刻的變化，帶動著傳統(tǒng)工業(yè)和其他新興產(chǎn)業(yè)的更新和變革，是當(dāng)今人類社 會發(fā)展的強大動力 本設(shè)計為高精度數(shù)字控制放大器設(shè)計，使用高精度數(shù)字控制來控制，實現(xiàn)放大器的高精度和顯示。 具體應(yīng)用 89c51 單片機(jī)為核心，紅外實時測量，芯片 tpa3004d2 的放大。 本文從放大原理入手，詳細(xì)闡述了放大系統(tǒng)的工作過程，以及硬件電路的設(shè)計、顯示效果。本文吸 收了硬件軟件化的思想，實現(xiàn)了題目要求的功能。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：放大，tpa3004d2，單片機(jī)，89c51，高精度 abstract: in the amplifier in the field, often require amplification of different frequencies. at present, the world is facing a new technological revolution, the revolution is one of the important basis for amplification technology. amplification technology development to human society and all sectors of national economy and brought tremendous in all areas, extensive and profound changes, led the traditional and other new industries to update and change, is today a strong driving force development of human society the design for the high-precision digital control amplifier design, using high-precision digital control to control, to achieve high-precision amplifier and display. specific application 89c51 microcontroller core, infrared real-time measurement, the chip tpa3004d2 amplification. starting from the principle of this amplification, amplification system described in detail the work process and hardware design, display. this article incorporates the idea of hardware and software to achieve the subject of the request function. key words:enlarge, tpa3004d2, scm, 89c51，precision - 1 - 目目 錄錄 引言 2 第 1 章 功放的基本知識 3 1.1 功放的分類 3 1.2 功放的工作原理及特點概述3 1.3 d 類功率放大器的特點4 第 2 章 電路系統(tǒng)方案設(shè)計5 2.1 設(shè)計構(gòu)思5 2.2 電路總體框圖5 第 3 章 系統(tǒng)模塊6 3.1 單片機(jī)模塊介紹6 3.1.1 模塊原理圖（見附錄 1）6 3.1.2 紅外一體接收頭的功能特性及電路連接6 3.1.3 單片機(jī) 8051 的功能特性及電路連 接9 3.1.4 eeprom24c02 的功能特性及電路連 接15 3.2 d 類功放模塊介紹17 3.2.1 d/a 轉(zhuǎn)換器 max541 的功能特性及電路連接 17 3.2.2 d 類功放芯片 tpa3004d2 的功能特性及電路連接 19 第 4 章 電路設(shè)計制作及調(diào)試 21 4.1 電路的設(shè)計制作 21 4.1.1 protel 99se 簡 介21 4.1.2 實際制作電路的步驟 21 4.1.3 印制電路板設(shè)計原則和抗干擾措施 22 第 5 章 結(jié)論 27 參考文獻(xiàn)28 附錄 1：單片機(jī)模塊原理圖29 附錄 2：程序30 - 2 - 引引 言言 幾十年來在音頻領(lǐng)域中，a 類、b 類、ab 類音頻功率放大器一直占據(jù) “統(tǒng)治”地位， 其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個過程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過程； 電路組成從單管到推挽過程；電路形成從變壓器輸出到 otl、ocl、btl 形式 過程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點是效率太低。全球 音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們 盡快開發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高， 便于與其他數(shù)字化設(shè)備相連接的特點。d 類音頻功率放大器是 pwm 型功率放 大器，它符合上述要求。近幾年來，國際上加緊了對 d 類音頻功率放大器的 研究與開發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展，幾家著名的研究機(jī)構(gòu)及公司已經(jīng)試驗性 地向市場提供了 d 類音頻功率放大器評估模塊及技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)問世立 即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、 商業(yè)界的特別關(guān)注，現(xiàn)在這一前沿的技術(shù)正迅猛發(fā)展，前景一片光明。 單片機(jī)有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用等 顯著優(yōu)點，在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許 多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在許多基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要實 現(xiàn)遙控功能，而紅外遙控則是被采用較多的一種方法。紅外遙控是通過紅外 管發(fā)送紅外遙控編碼對其設(shè)備進(jìn)行控制的,不同設(shè)備的遙控發(fā)送的紅外遙控 編碼都是不同的。由于紅外無線解決了有線連接的許多不便，因而受到了家 電設(shè)備廠商、電腦外圍設(shè)備商、以及通信設(shè)備廠商的高度重視。 如果將遙控技術(shù)、單片機(jī)與 d 類音頻功率放大器結(jié)合起來，那么得到的 產(chǎn)品將是非常前沿的。本次設(shè)計就是全遙控數(shù)字音量控制的 d 類功率放大器。 - 3 - 第 1 章 功放的基本知識 1.11.1 功放的分類功放的分類 傳統(tǒng)的功率放大器主要有a 類(甲類) 、b 類(乙類) 和ab (甲乙類)，除 此之外，還有工作在開關(guān)狀態(tài)下的d類（丁類）功放。 1.21.2 功放的工作原理及特點概述功放的工作原理及特點概述 a 類功率放大器在整個輸入信號周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過功率放大器件,其 晶體管總是工作在放大區(qū)，并且在輸入信號的整個周期內(nèi)晶體管始終工作在 線性放大區(qū)域，它的優(yōu)點是輸出信號的失真比較小,缺點是輸出信號的動態(tài)范 圍小、效率低，理想情況下其效率為50 % ,考慮到晶體管的飽和壓降及穿透 電流造成的損耗,a 類功率放大器的最高效率僅為45 %左右。 b 類功率放大器在整個輸入信號周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通時間為50 % ,因 為其晶體管只在輸入信號的正半周工作在放大區(qū)，在輸入信號的負(fù)半周是截 止的。它的優(yōu)點是效率理想情況下可達(dá)78. 5 % ,比a類的提高了很多，其缺點 是非線性失真卻比甲類功放大，而且會產(chǎn)生交越失真,增加噪聲。 ab類(甲乙類) 功率放大器是以上兩種放大器的結(jié)合,使每個功率器件的 導(dǎo)通時間在50 %100 %。此類放大器目前最為流行,它兼顧了效率和失真兩 方面的性能指標(biāo),在設(shè)計該功率放大器時要設(shè)置功率晶體管的靜態(tài)偏置電路, 使其工作在甲乙類狀態(tài)。這類功放失真小于乙類功放，但其效率比乙類功放 要低一些。 d類功率放大器又叫開關(guān)型功率放大器，現(xiàn)在又有人稱之為數(shù)字功率放 大器。它利用晶體管的高速開關(guān)特性和低的飽和壓降的特點，效率很高，理 論上可以達(dá)到100%，實際上可以達(dá)到90%。此電路不需要嚴(yán)格的對稱，也不 需要復(fù)雜的直流偏置和負(fù)反饋，使穩(wěn)定性大大提高。用同樣的功耗的管子可 得到比ab類放大器高4倍功率的輸出。 d類功放的功率器件受一高頻脈寬調(diào)制( pwm) 脈沖信號的控制,使其工 作在開關(guān)狀態(tài), 理論上其效率可達(dá)100 %。因此能極大地降低能源損耗，減小 放大器體積，在體積、效率和功耗上要求較高的場合具有很大的優(yōu)勢。另外， 現(xiàn)代保真音響系統(tǒng)常采用數(shù)字音頻設(shè)備如cd、dat（digital audio tape），近 - 4 - 年發(fā)展起來的dvd、計算機(jī)多媒體設(shè)備、mp3等也都是數(shù)字音頻信號源。數(shù) 字音頻信號采用脈沖編碼調(diào)制技術(shù)（pcm），信號分辨率通常為12位或16位， 采樣頻率為44.1khz（cd）或48khz（dat）。由于數(shù)字信號在存儲、傳輸 和數(shù)據(jù)出來上的優(yōu)點，使人們開始追求數(shù)字式功放代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬功放，這 也使得d類功率放大器受到更大的關(guān)注。d類放大器雖然具有很高的效率,但 由于功率晶體管的開關(guān)工作方式,d 類放大器引入的失真通常大于線性放大 器,這是目前d 類放大器在音頻放大領(lǐng)域并未得到廣泛應(yīng)用的主要原因。隨 著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展,高速、大功率器件已越來越多,人們 對音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化,所以d 類(丁類) 音 頻功率放大器越來越受到人們的重視。 1.31.3 d d類功率放大器的特點類功率放大器的特點 （1）效率高，產(chǎn)生的熱量少 （2）節(jié)能、數(shù)字化、體積小、重量輕 （3）d類功放與ab類功放的效率比較 比較條件：電源電壓24v，負(fù)載4歐，1000hz，連續(xù)輸出，整機(jī)效率。 （4）失真較大 d類功放的失真比較起其他幾類功放來說，其失真較大，這也是d類功 放一直以來都未投入市場的主要原因之一。但由于近年來對該類功放的保真 度的大力研究，使得d類功放成為最近幾年內(nèi)的熱門研究重點。 - 5 - 第 2 章 電路系統(tǒng)方案設(shè)計 2.12.1 設(shè)計構(gòu)思設(shè)計構(gòu)思 本設(shè)計是利用 ti 公司全 d 類音頻功放芯片 tpa3004d2 和 mcs51 系列微 處理器設(shè)計紅外線遙控的數(shù)字音量控制立體聲音頻功率放大器。tpa3004d2 是 d 類立體聲音頻功率放大芯片，具有每通道 12w 的功率輸出，本方案將 使立體聲音量由直流電壓實現(xiàn)40 db 到 36 db 增益范圍調(diào)節(jié)。我們知道要 很好地設(shè)計一個電路，必須在設(shè)計之前對此電路中所用到的器件的功能特性 能夠有一個全面的了解。在下面的介紹中將會先對兩大模塊進(jìn)行說明，然后 對模塊中用到了 8051 單片機(jī)、eeprom24c04、紅外一體接收頭、d/a 轉(zhuǎn)換 器 max541 及 d 類功放芯片 tpa3004d2 的功能特性、工作原理及電路連接 進(jìn)行闡述。由于部分器件某些功能特性不常用或本電路沒用到，在此就不多 介紹。因為我們做事情就應(yīng)該統(tǒng)領(lǐng)全局、抓住重點。 2.22.2 電路總體框圖電路總體框圖 電路總體框圖如下圖: 紅外遙控接收 接收遙控器編碼 參數(shù)存儲 輸出為可變電壓的 dac（max541） 用可調(diào)電壓控制功放音量 d 類功放芯片 （tpa3004d2） 8051 單片機(jī) eeprom24c02 - 6 - 圖 2-2 電路設(shè)計總體框圖 第第 3 3 章章 系統(tǒng)模塊系統(tǒng)模塊 3.13.1 單片機(jī)模塊介紹單片機(jī)模塊介紹 單片機(jī)是為了實現(xiàn)控制功能而設(shè)計的一種微型計算機(jī)，是計算機(jī)的進(jìn)一 步微型化。它的應(yīng)用首先是控制功能，即在于實現(xiàn)計算機(jī)控制。其實現(xiàn)手段 采用嵌入方式，即嵌入到對象環(huán)境中作為一個智能化控制單元。由于被控對 象種類繁多，其應(yīng)用也非常廣泛，比如工業(yè)控制領(lǐng)域、家用電器領(lǐng)域、辦公 自動化領(lǐng)域、商業(yè)流通領(lǐng)域、汽車電子及航空航天電子等等。它的應(yīng)用也從 根本上改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法，取代以微控制技術(shù)來實現(xiàn)， 這是一個全新的概念。隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的推廣普及，微控制技術(shù)必將不 斷發(fā)展、完善。 此部分電路實現(xiàn)的功能是由一體化紅外接收頭接收 5 米外遙控器的遙控 代碼，然后把遙控編碼傳送到單片機(jī)的中斷輸入口。 3.1.13.1.1 模塊原理圖（見附錄模塊原理圖（見附錄 1 1） 3.1.23.1.2 紅外一體接收頭的功能特性及電路連接紅外一體接收頭的功能特性及電路連接 （1）紅外遙控的概念及特點 所謂遙控，就是指對被控對象，按照所預(yù)定的意圖對其內(nèi)部參數(shù)、工作 狀態(tài)等進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱。遙控技術(shù)公現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、國防等領(lǐng)域均 有非常廣泛的應(yīng)用，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，它們的應(yīng)用也越來越普遍。 現(xiàn)代遙控技術(shù)也十分普遍地應(yīng)用于各類家電中，例如電視遙控、電燈遙 控、電風(fēng)扇遙控、空調(diào)遙控等。這類應(yīng)用提高了家電的功能和檔次，更重要 的是給使用者帶來極大的方便。設(shè)有遙控的電視，使用者不必離開座位，只 需要使用手持紅外遙控器就可以進(jìn)行節(jié)目切換，以及對音量、對比度、亮度 等的調(diào)節(jié)。 遙控的種類很多，若以遙控信息傳送方式來區(qū)分，可以分為：有線遙控 和無線遙控兩大類，而無線遙控又包含了紅外遙控、超聲波遙控和無線電遙 控三類。有線遙控和無線遙控可以達(dá)到很遠(yuǎn)的距離，而紅外遙控和超聲波遙 控只能在十幾米之內(nèi)，因此多用于家電方面。 紅外遙控是以紅外線作為載體來傳送遙控命令的。紅外線的波長介于紅 - 7 - 光和微波之間，0.773um 為近紅外區(qū)，330um 為中紅外區(qū)，30 1000um 為遠(yuǎn)紅外區(qū)。紅外線在通過云霧塵埃等充滿懸浮粒子的物質(zhì)時不易 發(fā)生散射，有較強的穿透力，還具有不易受干擾，易于產(chǎn)生等優(yōu)點，因此被 廣泛用語遙控裝置。相比較前面兩種遙控裝置來看，紅外遙控具有以下優(yōu)點： 它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件 和軟件平臺所支持： 通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)； 主要是用來取代點對點的線纜連接； 新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)； 小角度，短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強； 傳輸速率較高，目前 4m 速率的 fir 技術(shù)已被廣泛使用，16m 速率的 vfir 技術(shù)已經(jīng)發(fā)布； 不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，所以 不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡 單，只要按給定電路連接無誤，一般不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容 易，可進(jìn)行多路遙控。 （2） 紅外一體接收頭的功能特性 紅外接收電路選用 vishay 公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊 tsop1738 或者 tsop4838。該接收模塊是一個三端元件，使用單電源+5v 電源，具有功耗 低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長（950nm 以外）的紅外光不 敏感的特點，其引腳功能介紹如下： vcc 接系統(tǒng)的電源正極（+5v） ； gnd 接系統(tǒng)的地線（0v） ； out 脈沖信號輸出 通常接 cpu 的中斷輸入引腳（例如 8051 的 13 腳 int1） 。采取這種連接 方法，軟件解碼既可以工作于查詢方式，也可以工作于中斷方式。 為保證紅外接收模塊 tsop4838 接收的準(zhǔn)確性，要求發(fā)送端載波信號的頻率 應(yīng)盡可能接近 38khz，因此在設(shè)計脈沖振蕩器時，要選用精密元件并保證電 源電壓穩(wěn)定。再有，發(fā)送的數(shù)位“0”至少要對應(yīng) 14 個載波脈沖，這就要求傳 - 8 - 送的波特率不能超過 2400bps。利用上述紅外收發(fā)電路構(gòu)成的紅外信道最大 通信距離為 8m。 tsop4838 的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻 率為 38khz 的脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前放大器和自動增益 控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號 由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級電路進(jìn)行反向放大輸出。 （1）紅外接收頭在電路中有效地抑制了電源干擾。 （2）當(dāng)電壓低于 3.3v 時輸出電壓不能連續(xù)地支持外圍電路。 圖 3-2 紅外接收電路的典型應(yīng)用 （3） 紅外接收部分的電路連接 紅外接收頭的輸出管腳 out 接到三極管 9018 的 b 極，目的是把接收 信號放大，再把放大后的信號輸入到單片機(jī)的中斷口 int1。電阻 r-red 對 紅外接收頭起保護(hù)作用，最右邊兩個電容起到濾波的作用。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize c date:7-jun-2005 sheet of file:c:docum ents and settingsadministrator位位位位位位d位位位.ddbdrawn by: out 1 gnd 2 vdd 3 red red-infra int1 c_r2 104 c_r1 100uf r_rst1 200 r_rst2 1k rst c_rst 20uf 位位位位 cz1 20pf cz2 20pf 位位位 cry1 11.0592m p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst /vpd 9 rxd 10 txd 11 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 wr 16 rd 17 xtal 2 18 xtal 1 19 vss 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale /prog 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 89c51 vcc 40 ic3 atml 89c51 dgnd p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 rxd txd int1 t1 p2.7 p2.6 p2.5wr bee p_io rd sw1 sw2 sw3 sw4 t0 r16 10k r15 10k r14 10k r13 10k dgnd dgnd dgnd dgnd dvcc dvcc dvcc dvcc dvcc dvcc a0 1 a1 2 a2 3 gnd 4 sda 5 scl 6 wp 7 vcc 8 ic2 24c04dvcc p1.6 p1.7 sdt pa sdhpa blct r dvcc r_re d 1k qred 9018 - 9 - 圖 3-3 紅外接收部分的電路連接 3.1.33.1.3 單片機(jī)單片機(jī) 80518051 的功能特性及電路連接的功能特性及電路連接 近些年來，單片機(jī)的發(fā)展速度很快，從有關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)來看，單片 機(jī)的產(chǎn)量已占整個微機(jī)(包括一般的微處理器)產(chǎn)量的 80%以上，在 1987 年達(dá) 90。曾經(jīng)占據(jù) 8 位微處理器產(chǎn)量約 1/3 的 z80cpu，1985 年產(chǎn)量下降到 1800 萬片，而 8 位單片機(jī)，1985 年上升到 2.1 億片，隨著社會的進(jìn)步和科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的發(fā)展及對單片機(jī)的需求和它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用將得 到進(jìn)一步擴(kuò)大。 本論文用到的 8051 單片機(jī)是 mcs-51 系列單片機(jī)的一種型號，mcs-51 系列單片機(jī)是美國 intel 公司在 1980 年推出的一種高性能 8 位單片微型計算 機(jī)。在 mcs-51 系列中，有兩個子系列即 51 子系列和 52 子系列。在 5l 子系 列中，主要有 803l、8051、8751 三種同檔次機(jī)型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引 腳完全兼容，僅片內(nèi)程序存儲器(rom)大小有所不同。52 子系列是 51 系列 的增強型，主要有 8032、8052 兩種機(jī)型。與 51 子系列不同在于，片內(nèi)數(shù)據(jù) 存儲器增至 256 個字節(jié)：片內(nèi)程序存儲器增至 8kb（8032 無片內(nèi)程序存儲器） ；有 3 個 16 位定時器計數(shù)器；有 6 個中斷源。其它性能均與 51 子系列相 同。它們可通過接口電路與外圍設(shè)備相連構(gòu)成可以完成各種控制功能的單片 機(jī)系統(tǒng)。下面將會介紹此系列單片機(jī)的功能特性以及用到的 8051 單片機(jī)在 設(shè)計中的電路連接。 （1）mcs-51 系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖如下圖示： - 10 - （2）51 系列系統(tǒng)主要功能特性： 1 個由運算器和控制器組成的 8 位微處理器(cpu)； 128kb 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(ram)，用來存放運算的中間結(jié)果和最終 結(jié)果；4kb 的片內(nèi)程序存儲器(rom)，可用來存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表 格； 21b 專用寄存器，主要用來實現(xiàn)對內(nèi)部功能部件的控制和數(shù)據(jù)運算； 擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍可達(dá)到 64kb；擴(kuò)展片外程序存儲器的尋址 范圍可達(dá) 64kb； 4 個 8 位并行 i/o 接口 p0、p1、p2、p3，既可用作輸入，也可用作 輸出； 1 個全雙工 uart(通用異步接收發(fā)送器)串行 i/o 接口，可用于單片 機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信； 2 個 16 位定時器材數(shù)器，可用于根據(jù)確定的時間間隔或?qū)ν獠渴录?計數(shù)的多少發(fā)出控制信號；中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源，可編程為兩個優(yōu)先級； 111 條指令，含有乘法指令和除法指令； 有很強的位尋址、位處理能力；片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)； 片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率的范圍為 1.212mhz，可有輸出； 用單+5v 電源。 （3）mcs-51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)： - 11 - 單片機(jī)內(nèi)部各基本部件之間通過總線交換信息。所謂總線是信息流通的 公共通道，總線上的信息可以同時輸送給幾個部件，但不允許幾個信息同時 輸送給總線，否則將產(chǎn)生信息沖突?？偩€按傳送信息不同來分，可分為數(shù)據(jù) 總線(db)、控制總線(cb)、地址總線(ab)。數(shù)據(jù)總線用于 cpu、存儲器、輸 入/輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)，如從存儲器取數(shù)到 cpu，把運算結(jié)果從 cpu 送 到外部設(shè)備等。數(shù)據(jù)總線是雙向的，控制總線是傳送 cpu 發(fā)出的控制信號， 也可以是其它部件輸入到微處理器的信息，對于每一條控制線，其傳送方向 是固定的。地址總線用來傳輸 cpu 發(fā)出的地址信息，以選擇需要訪問的存 儲器和 i/o 接口電路。地址總線是單向的，只能是 cpu 向外傳送地址信息。 單片機(jī)采用上述三組總線的連接方式，常被稱為三總線結(jié)構(gòu)。mcs-51 內(nèi)部 各部分的功能簡述如下： 微處理器(cpu) 微處理器又稱 cpu，是單片機(jī)的控制和指揮中心，由運算器和控制器兩 大部分組成。 運算器 運算器以算術(shù)邏輯運算單元 alu 為核心，含累加器 a、暫存器 1、暫存 器 2、程序狀態(tài)字 psw、寄存器等許多部件。 控制器 控制器包括程序計數(shù)器 pc、指令寄存器 ir、指令譯碼器 id、振蕩器、 定時電路及控制電路等部件，能根據(jù)不同的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作時序和控制 信號。 存儲器配置概述 mcs-51 單片機(jī)，片內(nèi)除了 cpu 之外，還有存儲器。其中，片內(nèi)只讀存 儲據(jù)(rom)用作程序存儲器，在計算機(jī)工作時，事先存入已編好的各種程序、 常數(shù)等信息；片內(nèi)讀寫存儲器(ram)又稱隨機(jī)存儲器，它的存儲單元的內(nèi)容 根據(jù)需要既可隨時讀出也可寫入，用作數(shù)據(jù)存儲器，存放輸入、輸出數(shù)據(jù)和 中間計算結(jié)果或與外存交換信息，以及作為堆棧，在必要時可保存斷點、 保存現(xiàn)場。mcs-51 系列單片機(jī)內(nèi)含有的存儲器容量(以字節(jié)為單位)不夠時， 可以另外擴(kuò)片外程序存儲器或片外存儲器。 （4）mcs-51 系列單片機(jī)引腳功能及一些簡單電路介紹： - 12 - 下圖 2-3 為 mc-51 系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號，各引腳功能如下： 圖 3-5 mcs-51 系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號 電源引腳 vcc 和 vss vcc(40 腳)：電源端，接+5v。 vss(20 腳)：接地端。 通常 vcc 和 vss 之間應(yīng)接高頻和低頻濾波電容。 時鐘電路引腳 xtal1 和 xtal2 xtal1(19 腳)：接外部石英晶體和微調(diào)電容一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒 相放大器的輸入。若使用外部時鐘時，該引腳必須接地。 xtal2(18 腳)；接外部石英晶體和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩 器倒相放大器的輸出。若使用外部時鐘時，該引腳作為外部時鐘的輸入端。 圖 2-4 為利用石英晶振作為時鐘輸入的電路圖。石英晶振起振后要能在 xtal2 線上輸出一個 3v 左右的正弦波，使 mcs-51 片內(nèi)的 osc 電路按石 英晶振相同頻率自激振蕩。通常，osc 的輸出時鐘頻率 fosc為 0.516mhz， 典型值為 12mhz 或 11.0592mhz。電容 c01和 c02可以幫助起振，典型值為 30pf，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào) fosc的目的。 圖 3-6 mcs51osc 晶振連接圖 控制信號引腳 ale、psen、ea 和 rst aleprog(address latch enableprogramming，30 腳)；地址鎖存信號輸出端。在存取片外存儲器時，用于鎖存低 8 位地址。當(dāng) 單片機(jī)上電正常工作后，ale 端就周期性地以時鐘振蕩頻率的 16 的固定 頻率向外輸出正脈沖信號。此引腳的第二功能 prog 是對片內(nèi)帶有 4k 字節(jié) eprom 的 8751 固化程序時，作為編程脈沖輸入端。 psen(program store enable，29 腳)：程序存儲允許輸出端。 是片外程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。 eavpp（enable addrssvoltage pul of programming，3l 腳)；程序存儲器地址允許輸入端。當(dāng) ea 為高電平時， cpu 執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令，但當(dāng) pc 中的值超過 0fffh 時將自動轉(zhuǎn)向 - 13 - 執(zhí)行片外程序存儲器指令。當(dāng) ea 為低電平時，cpu 只執(zhí)行片外程序存儲器 指令。在 8051 中，當(dāng)對片內(nèi) eprom 編程時，該端接 12v 的編程電壓。 rstvpd(9 腳)：復(fù)位信號輸入端。高電平有效，在此輸入端保持兩個 機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。復(fù)位以后，p0p3 口均為高電 平，sp 指針重新賦值為 07h，pc 被賦值為 0000h。復(fù)位有自動上電復(fù)位和 人工按鈕復(fù)位兩種。此外，該引腳還有掉電保護(hù)功能，若在該端接十 5v 備 用電源，一旦在使用中 vcc突然消失(掉電)，則可以保護(hù)片內(nèi) ram 中信息不 丟失。 （5）mcs-51 單片機(jī) i/o 口概述 mcs-51 單片機(jī)有 4 個 8 位并行輸入/輸出口，分別稱為 p0、p1、p2 和 p3 口，每個口都是 8 位準(zhǔn)雙向口，這 4 個接口可以并行輸入或輸出 8 位數(shù)據(jù)， 也可按位使用，即每一根輸人/輸出線都能獨立作為輸入或輸出；每個端口都 包括一個數(shù)據(jù)鎖存器(即特殊功能寄存器 p0-p3)，個輸出驅(qū)動器和輸入緩 沖器。作輸出時數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖，但這四個通道的功 能并不完全相同。 在無片外擴(kuò)展存儲器的系統(tǒng)中，這 4 個端口都可以作為準(zhǔn)雙向通用 i/o 口使用，但在具有片外擴(kuò)展存儲器的系統(tǒng)中，p2 口可用作輸出高 8 位地址， p0 口作為雙向總線，分時輸出低 8 位地址和輸入/輸出數(shù)據(jù)。 p0 口(p0.0p0.7，3932 腳)： p0 口是一個漏極開路的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口，每位能驅(qū)動 8 個 lsttl 負(fù) 載，在訪問片外存儲器時，它分時作為 8 位地址線和 8 位雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng) p0 口作為普通輸入口使用時，應(yīng)先向口鎖存器寫“1” 。 從圖 2-6 可以看出，p0 口的輸出驅(qū)動器中有兩個場效應(yīng)管，上面的管子 導(dǎo)通，下面的管子截止，輸出為高電平；上面的管截止，下面的管導(dǎo)通，輸 出為低電平；上、下管均截止時輸出浮空。p0 口的輸出驅(qū)動器中含有一個多 路電子開關(guān)，當(dāng)其接至口鎖存器-q 端時，作為雙向 i/o 口使用。將“1”寫 至口鎖存器時，上、下管均為截止，輸出浮空。一般這時應(yīng)外上拉電阻，將 口線拉至高電平否則，p0 口輸出的信號不確定。將“0”寫至鎖存器時， 下管導(dǎo)通，輸出低電平。作輸入時，口鎖存器應(yīng)置“1” ，保證從引腳讀人的 數(shù)據(jù)正確。 - 14 - 當(dāng)多路開關(guān)接至地址/數(shù)據(jù)端時，p0 口作為地址/數(shù)據(jù)端口使用，分時輸 出外部存儲器的低 8 位地址(a0a7)和傳送數(shù)據(jù)(d0d7)。由于存儲器在被 訪問期間要求地址信號一直有效，而 p0 口是分時傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)信號，地 址信號只在某個時間段出現(xiàn)，并非一直有效，所以需要由地址鎖存允許信號 ale 將低 8 位的地址鎖存到外部地址鎖存器中，接著 p0 口便輸入/輸出數(shù)據(jù)。 p0 口輸出的低 8 位地址來源于程序計數(shù)器 pc 低 8 位、數(shù)據(jù)指針 dptr8 位、 r1 或 r0。 p1 口(p1.0p1. 7，18 腳)： p1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位淮雙向 i/o 口p1 口的每一位能驅(qū) 動 4 個 lsttl 負(fù)載，p1 口作為輸入口使用時，應(yīng)先向口鎖存器寫“1” 。 輸出時，將“1”寫入 p1 口的某一位鎖存器，則對應(yīng)連接在-q 上的場效 應(yīng)管截止，該位的輸出由內(nèi)部的上拉電阻將引腳拉成高電乎，輸出“1” 。將 “0”寫入鎖存器，則對應(yīng)連接在-q 上的場效應(yīng)管導(dǎo)通，該位的引腳輸出低 電平，即輸出“0” 。 輸入時，口鎖存器必須置“1” ，使輸出場效應(yīng)管截止，這時該位引腳由內(nèi)部 上拉電阻拉成高電平，也可以由外部電路拉成低電平。此時，引腳的狀態(tài)由 外接的輸出設(shè)備的輸出狀態(tài)決定。cpu 讀 pl 引腳的狀態(tài)時，實際就是讀外 部輸出設(shè)備的輸出信息。p1 口作為輸入線時，可以被任何 ttl 電路或 mos 電路驅(qū)動。由于內(nèi)部有上拉電阻，也可以被集電極開路或漏極開路的電路驅(qū) 動。 p2 口(p2.0p2.7，2128 腳)： p2 口為準(zhǔn)雙向 i/o 口，有兩種功能，對于內(nèi)部擁有程序存儲器，無須擴(kuò) 展外部 rom 且無外部 rom 的應(yīng)用場合(無高 8 位地址需求)，p2 口可作為 輸入/輸出口使用，直接與外部設(shè)備相連。p2 口也可用于系統(tǒng)擴(kuò)展的地址總 線口，輸出地址總線的高 8 位 a8a15。對于內(nèi)部沒有程序存儲器的單片機(jī) (如 8031)，一般情況下只能作為系統(tǒng)擴(kuò)展的高 8 位地址總線輸出口而不能 作為與外部設(shè)備相連接的輸入/輸出口。 p2 口的輸出驅(qū)動器有一個多路電子開關(guān)(mux)，當(dāng) mux 開關(guān)接至輸出 鎖存器 q 輸出端時，p2 口作為第一功能輸出線，與 p1 口的功能相似；當(dāng) mux 開關(guān)接至地址端時，p2 口的狀態(tài)由 cpu 送出的地址確定：訪問程序存 - 15 - 儲器時，地址來源于程序計數(shù)器 pc 的高 8 位，輸出地址 a8a15；訪問數(shù) 據(jù)存儲器或 i/o 設(shè)備時，地址來源于數(shù)據(jù)指針 dptr 的高 8 位 dph，特殊的 采用間址寄存器 r1 或 r0 時，則 p2 口保持原有的地址信息不變。 p3 口(p3.0p3.7，1017 腳)： p3 口為準(zhǔn)雙向多功能 i/o 口，可以分別定義為第一功能輸入/輸出線或第 二功能輸入/輸出線。當(dāng) p3 口定義為第一功能輸入/輸出出線時，第二功能翰 出線總是高電平。此引腳輸出電平取決于口鎖存器的狀態(tài)，當(dāng)輸出“1”時， 寫人口鎖存器的數(shù)據(jù)從 q 端輸出，使輸出場效應(yīng)管截止，引腳由上拉電路拉 成高電平；當(dāng)輸出“0”時，寫人口鎖存器的數(shù)據(jù)從 q 端輸出，使輸入場效 應(yīng)管導(dǎo)通，引腳輸出低電平。同樣，p3 口的某一位作為輸入線時，該位口鎖 存器應(yīng)保持“1” ，使輸出場效應(yīng)管截止，引腳狀態(tài)由外部輸入電平所確定。 當(dāng) p3 口定義為第二功能輸入輸出線時，該位的口鎖存器必須保持“1” ， 輸出場效應(yīng)管的狀態(tài)由第二功能輸出確定。p3 口的第二功能定義如下： p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd(串行輸出口) p3.2 int0(外部中斷 0 輸入口) p3.2 int1(外部中斷 1 輸入口) p3.4 t0(定時器 0 外部輸入口) p3.5 t1(定時器 1 外部輸入口) p3.6 wr(寫選通輸出口) p3.7 rd(讀選通輸出口) 3.1.43.1.4 eeprom24c02eeprom24c02 的功能特性及電路連接的功能特性及電路連接 （1）eeprom 概述 eeprom 是一種可用電氣方法在線擦除和再編程的只讀存儲器。它既有 ram 在連機(jī)操作中可讀可改寫的特性，又具有非易失性存儲 rom 在掉電后 仍然能夠保持所存儲的數(shù)據(jù)的優(yōu)點。寫入的數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保持 10 年。 eeprom 芯片有兩類接口：并行接口和串行接口芯片。并行接口 eeprom 一般相對容量大、速度快、功耗大和價格貴，但讀寫方法簡單。串 行 eeprom 芯片的特點是體積小、功耗低、價格便宜，使用中占用系統(tǒng)的 - 16 - 信號線較少；但相對工作速度慢，讀寫方法稍許復(fù)雜些。對于那些需要存放 有時需要改變特征代碼或參數(shù)的系統(tǒng)，通常所需要的字節(jié)和寫入的次數(shù)不會 很多，寫入速度也沒太高要求，這種情況下采用串行 eeprom 是非常合適 的。 （2）24c02 的特點簡介 24c02（a）是一種采用 cmos 工藝制成的 128/256/512/1k/2k/4k/8k*8 位/14 位引腳的串行的可用電擦除可編程只讀存儲器。自定時寫周期包括自 動擦除時間不超過 10ms，典型時間為 5ms。而 microchip 公司的串行 eeprom 的擦除和寫入 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)時間可縮短為 1 毫秒以下。串行 eeprom 一般具有兩種寫入方式，一種是字節(jié)寫入，一種是頁寫入，允許在 一個寫周期內(nèi)同時對 1 個字節(jié)到一頁的若干字節(jié)進(jìn)行編程寫入，一頁的大小 取決于芯片內(nèi)頁寄存器的大小，不同公司的同種型號存儲器的頁寄存器可能 不一樣。例如 atmel 的 at24c01/01a/02a 的頁寄存器為 4b/8b/8b，而 microchip 的 24c01/01a/02a 頁寄存器都為 2b，24aa01 頁寄存器為 8b。擦除/寫入周期壽命一般都已經(jīng)達(dá)到 10 萬次以上，有的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到 1000 萬次。 采用單一電源+5v+/-0.1v，低功耗工作電流 1 毫安，備用狀態(tài)時只有 10 微安；三態(tài)輸出，與 ttl 電平兼容。一般商業(yè)品工作溫度范圍為 0 度70 度，工業(yè)品為-40 度85 度。這個系列的芯片有 8 引腳 dip 封裝、8 引腳 soic 封裝形式，一部分型號還有 14 引腳 soic 封裝形式。 該系列芯片是二線制串行 eeprom 芯片，有硬件寫保護(hù)引腳 wp。 （3）引腳說明 用于基本總線操作的引腳只有 scl 和 sda。其管腳定義如下： scl 串行時鐘端。這個信號用于對輸入和輸出數(shù)據(jù)的同步，寫入串 行 eeprom 的數(shù)據(jù)用其上升沿同步，輸出數(shù)據(jù)用其下降沿同步。 sda 串行數(shù)據(jù)（/地址）輸入/輸出端。這是串行雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出 線。這個引腳是漏極開路驅(qū)動，可以與任何數(shù)目的其他漏極開路 或集電極開路的器件“線或”連接。 wp 寫保護(hù)。這個引腳用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，當(dāng)其接地時，可以 - 17 - 對整個存儲器進(jìn)行正常的讀/寫操作；當(dāng)其接電源時，芯片就具有 數(shù)據(jù)保護(hù)功能，被保護(hù)部分因不同型號芯片而異。被保護(hù)的部分 的讀操作不受影響，實際少年宮這時被保護(hù)部分就可以作為串行 只讀存儲器使用。 a0、a1、a2 片選或頁面選擇地址輸入。 vcc 電源電壓接 5v vss 接地端 （3）功能描述 24c02（a）/04a/08a/16a 支持雙向二線制串行總線及其傳輸規(guī)約， 一般把傳送數(shù)據(jù)到總線上的器件定義為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。 串行 eeprom 在系統(tǒng)中總是作為從機(jī)工作，總線必須由一片可以產(chǎn)生串行 時鐘（scl）的住器件控制，通常這個住器件就是微處理器或者微控制器， 控制總線訪問和產(chǎn)生“啟動”和“停止”信號。微處理器和 eeprom 都可 以作為發(fā)送器或者接收器，在對 eeprom 進(jìn)行寫操作時，微處理器是發(fā)送 器，串行 eeprom 是接收器，而在讀操作時，則剛好與之相反。 （4）eeprom24c02 的電路連接 eeprom24c02 的電路連接：它在本設(shè)計中起到的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 掉電可存儲功能。其中串行時鐘端 scl 和串行數(shù)據(jù)（/地址）輸入/輸出端 sda 接到單片機(jī)的 p1 口。 3.23.2 d d 類功放模塊介紹類功放模塊介紹 利用ti公司全d類音頻功放芯片tps3004和mcs51系列微處理器設(shè)計紅 外線遙控的數(shù)字音量控制立體聲音頻功率放大器。tps3004 d類立體聲音頻 功率放大芯片具有每通道12w的功率輸出，立體聲音量由直流電壓實現(xiàn)40 db to 36 db增益范圍調(diào)節(jié)，并能對用戶設(shè)置參數(shù)實現(xiàn)掉電存儲。 3.2.13.2.1 d/ad/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 max541max541 的功能特性及電路連接的功能特性及電路連接 （1）max541特點簡介 max541高精度dac是美國maxin公司生產(chǎn)的串口輸入，電壓輸出的16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特點是采用三線串行接口，并且輸入采用施密特觸發(fā)器結(jié) 構(gòu)，內(nèi)置上電復(fù)位功能，功耗為1.5mw。工作于+5伏單電源，工作電流為 0.3ma其電壓輸出范圍是0v到2.5v。由于具有很低的功耗，無須調(diào)整即可得 - 18 - 到16位的精度，所以非常適合于工業(yè)控制及儀器儀表等應(yīng)用。 （2）max541的引腳說明： max541是8腳dip和so封裝。 引腳功能說明如下： cs 片選信號輸入端； vdd 接+5v電源端； agnd 接模擬地端； dgnd 數(shù)字地端； ref 參考電壓輸入端，接外部+2.5v電壓； sclk 串行時鐘輸入端； din 串行數(shù)據(jù)輸入端； out 數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓輸出端。 （3）max541的工作原理 請看下表，此表很直觀明了地說明了max541的工作原理。模擬輸出電 壓vout的范圍可以由輸入不同的數(shù)字代碼來有規(guī)律地控制。當(dāng)輸入的16位 數(shù)字代碼為全零時輸出電壓為0，當(dāng)輸入的16位數(shù)字代碼為全1時輸出電壓約 為vref即2.5v。vout變化的規(guī)律是：16位數(shù)字代碼由全0開始，每次加1一 直到全1變化，對應(yīng)的輸出電壓vout從0開始，每次增加vref*（1/65536） 。 數(shù)字輸入代碼模擬輸出電壓值 vout 1111 1111 1111 1111vref*（65535/65536） 1000 0000 0000 0000vref*（32768/65536） 0000 0000 0000 0001 vref*（1/65536） 0000 0000 0000 0000 0v 表 3-1 數(shù)字輸入代碼與輸出電壓值對應(yīng)表 我們還關(guān)心一個原理，就是怎樣把 16 位的數(shù)字代碼輸入 max541 里面。 請看下圖， 當(dāng)片選端信號 cs 選通后（低電平有效），串行時鐘輸入端的時 - 19 - 鐘信號開始生效，在時鐘信號的上升沿數(shù)據(jù)會同步地傳輸并鎖存到 dac 的 數(shù)據(jù)輸入寄存器中。當(dāng) 16 位數(shù)據(jù)傳輸完后 cs 置 1，然后進(jìn)入下一輪的數(shù)據(jù) 代碼傳輸。 圖 3-16 （4）max541 的電路連接 max541 在本設(shè)計中的電路連接，讓它外接+5v 電源，4、5、6 腳接單 片機(jī)的 p1 口實現(xiàn)串口通信。模擬地 dgnd 和數(shù)字地 agnd 相接構(gòu)成地線系 統(tǒng)，為了消除高頻和低頻干擾，必須在 ref 與地之間接入退耦電容。由圖可 以看出，max541 的輸出電壓及兩個可調(diào)電位器分別接到了 d 類功放芯片的 11（volume）、10（varmax）和第 9（vardiff）腳，通過調(diào)節(jié)這三 個管腳的輸入電壓就可以達(dá)到控制此 d 類功放音量的目的。至于是怎樣控制 的在下面將會詳細(xì)介紹。 3.2.23.2.2 d d 類功放芯片類功放芯片 tpa3004d2 的功能特性及電路連接的功能特性及電路連接 （1）tpa3004d2 的特性 此d類立體聲音頻功率放大芯片具有每通道12w的功率輸出，立體聲音 量由直流電壓控制，可以實現(xiàn)從40 db 到 36 db增益范圍調(diào)節(jié)。 （2）tpa3004d2 的主要管腳功能 由于該芯片管腳較多，不可能也沒必要一一說明其功能，下面就本設(shè)計 所用到的管腳功能說明如下： rinn（2） 右聲道音頻輸入的負(fù)極 rinp（3） 右聲道音頻輸入的正極 linn（6） 左聲道音頻輸入的負(fù)極 linp（5） 左聲道音頻輸入的正極 - 20 - loutn（16、17） 左聲道音頻輸出的負(fù)極（兩管腳接在一起） loutp（20、21） 左聲道音頻輸出的正極（兩管腳接在一起） routn（44、45） 右聲道音頻輸出的負(fù)極（兩管腳接在一起） routp（40、41） 右聲道音頻輸出的正極（兩管腳接在一起） vardiff（9） 結(jié)合 varmax（10）與 volume（11）對輸出 設(shè)置增益 varmax（10） 輸入直流電壓為 varout 輸出設(shè)置最大增益， （假如 varout 沒用到 varmax 就要接地線） volume（11） 在此管腳輸入直流電壓為 varout 輸出設(shè)置增 益 （3）tpa3004d2 的調(diào)制方案 調(diào)制方案在確定所需濾波器類型方面起著重要作用。傳統(tǒng)的 d 類放大器 需要 lc 濾波器，圖 x 顯示了采用的傳統(tǒng)調(diào)制類型。在該方案中，當(dāng)無信號 輸入時，差動 pwm 輸出信號的占空比為 50%，這 50%的占空比不生成可以 聽到的聲音，因為平均波形為零。但它會從喇叭吸收并使用大量電流，產(chǎn)生 不希望出現(xiàn)的功率損耗?，F(xiàn)在，隨著輸入電壓的增加，正極 out+的占空比 也隨之增加，負(fù)極 out-的占空比則會減少。 就該類型的調(diào)制方案而言，應(yīng)當(dāng)采用二階 buttreworth 低通濾波器。 如圖 x 所示，該濾波器用兩個電