基于單片機的D類音頻功放的設計與實現(xiàn)

1、 I系系 所：所： 專專 業(yè)：業(yè)： 學生姓名：學生姓名： 學生學號：學生學號： 指導教師：指導教師： 導師 1 導師 2 導師職稱：導師職稱： 導師 1 職稱 導師 1 職稱 完成日期：完成日期： 年 月 日 論文題目論文題目：基于單片機的基于單片機的 D 類音頻功放的設計與實現(xiàn)類音頻功放的設計與實現(xiàn) II基于單片機的 D 類音頻功放的設計與實現(xiàn)摘 要數(shù)字功放由于其效率高、易與數(shù)字音源對接等優(yōu)點而在現(xiàn)實生活中具有越來越廣泛的應用。本設計基于單片機制作了一款 D 類功放。功放系統(tǒng)利用 AD 轉換將輸入的音頻信號轉換為占空比隨模擬信號電壓變化的 PWM 信號，經(jīng)功率放大器放大隨輸入音頻變化的 PW

2、M 信號，再由低通濾波器把 PWM 波形中的聲音信息解調出來。系統(tǒng)以8051 內核單片機 STC89C52 為音頻采集核心，由程序算法轉換成 PWM 信號。系統(tǒng)的放大部分采用功率型高速 MOSFET 開關管組成推挽放大電路，主要用來 PWM 信號放大，最后利用低通濾波器對脈沖信號進行平滑處理，還原出聲音電信號，最后通過揚聲器來轉換輸出放大了的聲音信號。最后經(jīng)過試驗，本次制作的 D 類功放，具有功耗低、成本低、電路簡單、音質較好等優(yōu)點。關鍵詞關鍵詞：單片機，數(shù)字功放，脈寬調制IIIAbstractDigital power amplifier because of its advantages

3、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-e change with the

4、 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 system of using power ty

5、pe high-speed MOSFET switching tube push-pull amplifier circuit,mainly used for PWM singal amplification,finally using low pass filter to smooth the pulse signal,the reduction of noise signals,finally through the speaker to the transformation output amplified voice signal.Verified by test,this paper

6、 made of class D power amplifier,has low power consumption,low cost,simple circuit,good sound quality,etc.Key words: MCU, Digital power amplifier,PWMIV目 錄摘 要.IIABSTRACT.III第 1 章緒 論.11.1 本次設計背景及其發(fā)展趨勢.11.2 本次功放的設計.3第 2 章關鍵技術介紹.4第 3 章系統(tǒng)分析.73.1 方案概述.73.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境.17第 4 章系統(tǒng)設計.184.1 主電路的設計.184.2 模數(shù)轉換電路的設計.2

7、14.3 功放電路的設計.21第 5 章系統(tǒng)實現(xiàn).23第 6 章系統(tǒng)測試.24第 7 章結論.25參考文獻.26致 謝.27-1-第 1 章緒 論1.1 本次設計背景及其發(fā)展趨勢本次設計背景及其發(fā)展趨勢 在過去幾年，隨著科學技術的日新月異，電子設備也開始更新?lián)Q代，而隨著人們對生活品質要求的提高，音頻質量的好壞也成為了人們關注的焦點。如今許多電子產(chǎn)品上都增加了音頻設備，而現(xiàn)在的消費類電子設備上帶有音頻已成為主流，如 MP3、平板電腦。隨著這類帶有音頻設備的電子產(chǎn)品的發(fā)展，音頻設備也隨之發(fā)展，即人們對音頻性能的要求不斷提高，需要音頻設備不斷的提高，其基本要求是在更低的負載阻抗和更高輸出功率下實現(xiàn)更

8、好的音質。而功率放大器是對音頻放大的設備，是高保真音頻放大處理的核心部分。一般而言，A 類、B 類、AB 類放大器能應付這些設備早期的性能要求和成本要求，但線性功率放大器已不能適應如今消費者的生活需求，因此在增強音頻功能的消費品領域，D 類功放正在向先前的線性功放發(fā)起挑戰(zhàn)，D 類音頻功放的效率遠比那些線性功放高的多，理論上能達到 100%，而實際上也能達到 85%以上，如今已經(jīng)開發(fā)出無需輸出濾波的 D 類功率放大器的集成芯片，使得音頻功放的電路更加簡單，因而達到了減小體積的效果，這樣的特點更適用于便攜帶式電子設備上。如今的 LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）電視

9、機、等離子電視以及新型PC 等許多終端設備均要求提供更高的輸出效率，而不是增加成本，同時要保持原有的體積甚至更小的體積，這樣原用于大功率的 D 類功放將逐步應用到小功率的便攜式產(chǎn)品中。其工作特點是工作電壓低、輸出功率大、轉化效率高、功耗小、元器件封裝小。這樣的趨勢加大了對 D 類功放的要求，使之在短時間內得到長足發(fā)展。并且如今許多D 類功放已進入了原來由線性功放占領的市場。消費市場上適用 D 類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發(fā)熱量遠遠低于傳統(tǒng)的線性功放。D 類功放能達到 85%的效率是因為其與開關電源的工作方式相似，其中 MOSFET 要么工作在飽和態(tài)，要么工作在截至態(tài)

10、，因此可以減少開關管晶體管的功耗損失，從而增強了放大器的功率，再次也需要說明的是在開關時間和非開關時間中總會有一定的損耗，無論如今的技術如何發(fā)達也不能實現(xiàn)某個機器能將效率達到 100%。正是其開關特性，放大器實現(xiàn)了高效率的轉換。也就是說 D 類功放的效率是如今已開發(fā)出來的功率放大器中效率最高的功率放大器。在音響領域里人們一直堅守著 A 類功放的陣地。認為 A 類功放聲音最為清晰，具有很高的保真度。但是，A 類功放的低效率和高損耗卻是其無法克服的缺點。B 類功-2-放雖然效率提高很多，但實際效率僅為 50%左右，在小型便攜式音響設備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍效率偏低

11、不能令人滿意。所以，效率極高的 D 類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。由于集成電路技術的發(fā)展，原來用分立元件制作的很復雜的調制電路，現(xiàn)在無論在技術上還是價格上均已不成問題。而且今年來數(shù)字音響技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn) D 類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進一步顯示出 D 類功放的發(fā)展優(yōu)勢。D 類功放是放大元件處于開關工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止狀態(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀態(tài)，晶體管相當于一個接通的開關，把電源與負載直接接通。理想晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關，而與信

12、號的輸出大小無關，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，D 類功放的效率為 100%，B 類功放的效率為 78.5%，A 類功放的效率才 50%或 25%（根據(jù)負載方式而定） 。D 類功放實際上具有開關功能，早期僅用于繼電器和電機等執(zhí)行元件的開關控制電路中。然而，開關功能隨著數(shù)字音頻技術研究的不斷深入，用于 Hi-Fi 音頻放大的道路卻日益暢通。20 世紀 60 年代，設計人員開始研究 D 類功放用于音頻的放大技術，70 年代 Bose 公司就開始生產(chǎn) D 類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結構的功放，兩者都希望有 D 類這樣高效的放大器來

13、放大音頻信號。其中關鍵的一步就是對音頻信號的調制。全球音頻領域數(shù)字化的浪潮以及人們對音頻設備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快的研究開發(fā)高效率、節(jié)能、數(shù)字化的 D 類功率放大器，其應該具工作效率高，便于和其他數(shù)字設備相連的特點，D 類功放是 PWM 型功率放大器，它符合上述要求，今年來，國際上加緊了對 D 類功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定的進展，幾家著名的研究機構已經(jīng)向市場提供 D 類功放評估模塊和技術。這一技術一經(jīng)問世便立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點，引起了科研、教學、電子工業(yè)、商家的特別關注。如今的趨勢是 D 類功率放大器必將取代傳統(tǒng)的線性功率放大器。科學技術人員做了大量的研究工

14、作，早些時候人們就論證了 D 類功率放大器的存在。高頻功率放大器的主要問題是如何盡可能的提高其輸出功率和效率，只要將效率稍稍提高一點點，就能在同樣的器件消耗下，大大提高輸出功率。甲、乙、丙功率放大器就是沿著不斷減小電流導通角的途徑，實現(xiàn)不斷提高放大器的效率的，但是導通-3-角的減小是有一定限度的，因為導通角太小，效率雖然高，但因為 1cm 下降太多，輸出效率反而下降，而 D 類功放就是采用固定的導通角的值為 90，盡量降低管子功耗的方法來提高功率放大器的效率。管子工作在開關狀態(tài)，導通時管子進入飽和態(tài)。元件內阻接近于零；而當管子在關斷狀態(tài)時，管子在截止狀態(tài)，內存無窮大，電流為零，這樣就減小了開關

15、管的損耗，效率隨即增加。也就如前面所說的理論上效率可以達到100%。1.2 本次功放的設計本次功放的設計眾所周知，音頻信號屬于模擬信號，而單片機處理的信號為數(shù)字信號，所以要將模擬信號轉換為數(shù)字信號，此時就需要用到數(shù)模轉換芯片，本設計中選用 ADC0804。單片機獲得數(shù)字信號，經(jīng)由 PWM 算法，輸出給功放芯片，從而實現(xiàn)本次設計的實現(xiàn)。 -4-第 2 章關鍵技術介紹本次設計單片機采用宏晶 STC89C52， STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS-51 內核，但做了很多

16、的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8K 字節(jié)Flash，512 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM，MAX810 復位電路，3 個 16 位定時器/計數(shù)器，4 個外部中斷，一個 7 向量4 級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結構） ，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止

17、工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz，6T/12T 可選。STC89C52 具有 8K 字節(jié)程序存儲空間，512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，內帶 2K 字節(jié) EEPROM 存儲空間，可直接使用串口下載。而 AT89S52單片機具有 8K 字節(jié)程序存儲空間，256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，沒有內帶 EEPROM 存儲空間，同時 STC89C52 相對于 AT89S52 價格更低廉，所以此次硬件平臺選擇宏晶STC89C52 單片機。PWM 技術。PWM 即脈沖寬度調制。

18、是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管基極或 MOS 管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或 MOS 管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。PWM 控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或實現(xiàn)無諧振波開關

19、技術將會成為 PWM 控制技術發(fā)展的主要方向之一。隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多種 PWM 技術，其中包括：相電壓控制 PWM、脈寬 PWM 法、隨機 PWM、SPWM 法、線電壓控制 PWM 等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬 PWM 法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列-5-作為 PWM 波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調變化?？梢酝ㄟ^調整 PWM 的周期、PWM 的占空比而達到控制充電電流的目的。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V 電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于 9V

20、，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，例如在0V,5V這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以

21、調節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和 DSP 已經(jīng)在芯片上包含了 PWM 控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。脈寬調制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正

22、弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是-6-PWM 波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM 波形

23、和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM 波形。在 PWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交直交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM 逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側電壓的幅值。根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內的脈沖數(shù)后，PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的 PWM 波形。PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。

24、噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或將邏輯 0 改變?yōu)檫壿?1 時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將 PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號轉向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式?？傊琍WM 既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。PWM 控制技術主要應用在電力電子技術行業(yè)，具體講，包括風力發(fā)電、電機調速、直流供電等領域，由于其四象限變流的特點，可以反饋再生制動的能量，對于如今國

25、家提出的節(jié)能減排具有積極意義。-7-第 3 章系統(tǒng)分析3.1 方案概述方案概述1、CPU 的選擇 我們在這個設計上采用了 51 單片機系統(tǒng)，之所以采用單片機系統(tǒng)是由于成本較低，功能完全可以滿足，發(fā)展也比較成熟且完善。而 DSP、ARM 系統(tǒng)雖然科技含量高于51 單片機系統(tǒng)，但是其價格昂貴并且發(fā)展尚未成熟。因此，根據(jù)我們學的知識和市面上的應用，經(jīng)過比較我們選擇了技術成熟、價格便宜、設計簡單、使用方便的單片機平臺。2、數(shù)模轉換芯片的選擇 本設計采用較市面上較常用的 8 位數(shù)模芯片 ADC0804。ADC0804 工作電壓：5V；模擬輸入電壓范圍：0+5V，即 0vin+5V；分辨率：8 位，即分辨

26、率為 1/256，轉換值介于 0255 之間；轉換時間：100us；轉換誤差：1LSB；參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。ADC 的分辨率是指使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。常用二進制的位數(shù)表示。例如 12 位 ADC 的分辨率就是 12 位，或者說分辨率為滿刻度FS 的 1/212。一個 10V 滿刻度的 12 位 ADC 能分辨輸入電壓變化最小值是-8-10V1/212 =2.4mV。ADC 把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是 ADC 的有限位數(shù)對模擬量進行量化而引起的誤差。實際上，要準確表示模擬量，ADC 的位數(shù)需很大甚

27、至無窮大。一個分辨率有限的 ADC 的階梯狀轉換特性曲線與具有無限分辨率的 ADC 轉換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。 偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱為零值誤差。假定 ADC 沒有非線性誤差，則其轉換特性曲線各階梯中點的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點所對應的輸入電壓值就是偏移誤差。滿刻度誤差又稱為增益誤差。ADC 的滿刻度誤差是指滿刻度輸出數(shù)碼所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。線性度有時又稱為非線性度，它是指轉換器實際的轉換特性與理想直線的最大偏差。在一個轉換器中，任何數(shù)碼所對應的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對精度。對

28、于 ADC 而言，可以在每一個階梯的水平中點進行測量，它包括了所有的誤差。ADC 的轉換速率是能夠重復進行數(shù)據(jù)轉換的速度，即每秒轉換的次數(shù)。而完成一次 A/D 轉換所需的時間（包括穩(wěn)定時間） ，則是轉換速率的倒數(shù)。ADC0804 的轉換原理：ADC0804 是屬于連續(xù)漸進式（Successive Approximation Method）的 A/D 轉換器，這類型的 A/D 轉換器除了轉換速度快（幾十至幾百 us） 、分辨率高外，還有價錢便宜的優(yōu)點，普遍被應用于微電腦的接口設計上。以輸出 8 位的 ADC0804 動作來說明“連續(xù)漸進式 A/D 轉換器”的轉換原理，動作步驟如下表示（原則上先從

29、左側最高位尋找起） 。第一次尋找結果：10000000 （若假設值輸入值，則尋找位=假設位=1）第二次尋找結果：11000000 （若假設值輸入值，則尋找位=假設位=1）第三次尋找結果：11000000 （若假設值輸入值，則尋找位=該假設位=0）第四次尋找結果：11010000 （若假設值輸入值，則尋找位=假設位=1）第五次尋找結果：11010000 （若假設值輸入值，則尋找位=該假設位=0）第六次尋找結果：11010100 （若假設值輸入值，則尋找位=假設位=1）第七次尋找結果：11010110 （若假設值輸入值，則尋找位=假設位=1）-9-第八次尋找結果：11010110 （若假設值輸入值

30、，則尋找位=該假設位=0）D0-D7：數(shù)字量輸出端，輸出結果為八位二進制結果；CLK：為芯片工作提供工作脈沖，時鐘電路如圖所示，時鐘頻率計算方式是：fCK=1/(1.1RC）CS：片選信號；WR：寫信號輸入端；RD：讀信號輸入端；INTR：轉換完畢中斷提供端；3、D 類功放芯片的選擇 本設計采用的 D 類功放芯片為 PAM8403。PAM8403 立體聲 D 類音頻功率放大器能夠以 D 類放大器的功率提供 AB 類功率放大器的性能。采用 D 類結構，PAM8403 能夠以高于 85%的效率提供 3W 功率。PAM 公司獨有的受專利保護的低 EMI 調制方式可以省去傳統(tǒng)的 D 類放大器輸出低通濾

31、波器，從而節(jié)省了系統(tǒng)成本和 PCB 空間，是便攜式應用的理想選擇。序號名稱功能1-OUT_L左通道反向輸出-10-2PGND電源地（左通道）3+OUT_L左通道同向輸出4PVDD電源 VDD（左通道）5MUTE靜音控制輸入（低電平有效）6VDD模擬 VDD7INL左通道輸入8VREF內部模擬基準源，從 VREF連一個旁路電容到 GND9GND模擬地10INR右通道輸入11GND模擬地12SHDN系統(tǒng)關斷控制（低電平有效）13PVDD電源 VDD（左通道）14+OUT_R右通道同向輸出15PGND電源地（左通道）16-OUT_R右通道反向輸出PAM8403 采用 DIP-16 和 SOP-16

32、封裝。特點：無濾波器的 D 類放大器，低靜態(tài)電流和低 EMI；在 4 負載和 5V 電源條件下，提供高達 3W 輸出功率；高達 90%效率；低 THD，低噪聲；短路電流保護；熱保護；極少外部元器件，節(jié)省空間和成本；無鉛封裝。主要應用于 LCD 電視機、監(jiān)視器，筆記本電腦，便攜式揚聲器，便攜式 DVD播放器，游戲機，手機，電話。4、功放簡介放大器的技術指標：（1）額定功率音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值（r1%）的最大功率成為額定功率。測試條件：信號發(fā)生器輸出頻率為 1KHz，電壓 Ui-30mV 的正弦信號。功率放大器輸出端額定負載電阻，輸入端接 Ui，逐漸增加輸入電壓，知道 Uo 的波形剛好

33、不出現(xiàn)-11-諧波失真（r1%） ，此時對應的輸出電壓為最大輸出電壓。注意測量后要盡快減小輸入電壓，避免損壞功率放大器。（2）頻率響應放大器的電壓增益相對中頻音 fo（1KHz）的電壓增益降下 3dB 時所對應的低音音頻 f1 和高音音頻 fh 稱為放大器的響應頻率。測試方法：調節(jié)音量控制器使輸出電壓約為最大輸出電壓的一半，輸入端接著調音控制器，設信號發(fā)生器的輸出頻率 fi 從 20hz 到 20Khz，在此過程中保持 Ui 不變，測量輸出電阻上的輸出電壓 Uo。（3）輸入靈敏度使音響放大器輸出額定功率時所需的輸入電壓稱之為靈敏度。（4）噪音電壓使輸入為零時，輸出負載上的電壓稱為噪音電壓。測量

34、方法：在輸入端對地短路，音量調到最大，適用示波器觀察輸出負載上的電壓紋波，再用電流表的交流檔測其有效值。功率放大器簡介：功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)可分為五類：A 類、B 類、AB類、C 類、D 類。在音頻功放領域，前面四種都是采用模擬信號直接輸入，然后放大后直接推到后級揚聲器。而 D 類功率放大器有些特殊，其只有兩種狀態(tài)，導通或者斷開，也就是我們前面提到的功放晶體管進入飽和和截止兩種狀態(tài)。因此決定了其不能直接輸入模擬信號，而要對信號經(jīng)過某種處理。A 類功率放大器：A 類放大電路的特性曲線如下：A 類放大器晶體管總是處于導通狀態(tài)，也就是說在沒有信號輸出的情況下，晶體管也是有輸出功率，因此晶體管

35、會變得熱。由其特性曲線圖左邊為晶體管出入特征，固-12-定偏置所形成的工作點在 Q 點，當正弦音頻信號輸入時，其振幅未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和區(qū)之內，集電極電流為完全的全周期的正弦波，此時的導通角為 180（導通角是以最小值到最大值之間占全周期的部分來計算，全周導通為 180） 。這種狀態(tài)放大失真較小，只受器件特性的影響，如果器件的線性好，其失真也最小，但是當無信號輸入時，有約一半的直流電消耗為 Ico X Vcc，因此其效率較低，所以 A 類功率放大器僅用于那些功率放大很小的場合，如收音機。B 類功率放大器B 類功率放大器電路圖如下所示：B 類功率放大器特性曲線如下所示：

36、-13-從電路圖可以看出當無音頻輸入時，即靜態(tài)工作 Vi=0 時，兩個晶體管都是截止的，由此輸出電壓 Vo 也為零，此時電路不消耗功率，因此效率提高了。由 B 類功放的線性曲線可以得知靜態(tài)偏置為 Q 點，處于截止點上，因此當信號輸入時只有半周導通，導通角為 90，集電極輸出波形為半個正弦波，這種狀態(tài)失真就大了，所以我們一般的B 類功放都用雙晶體管做成推挽式輸出，這樣每個管子工作半個周期就使輸出電壓組成了一個全周期的波形，減小了失真。B 類功率放大器的最大特點就是再無信號輸入的情況下原則上沒有信號輸出，也就沒有了直流損耗，效率超過了 50%。但是由于晶體管的開關需要一定的時間，因此在兩管交替過程

37、中輸出端存在一個短暫的無輸出狀態(tài)，這個狀態(tài)稱為交越區(qū)，這也就造成了失真，這種失真稱為交越失真。所以 B 類功率放大器雖然效率高了，但其造成了較大的失真。AB 類功率放大器AB 類功率放大器電路如下所示：-14-AB 類放大器和 B 類放大器非常相似，但是由于 AB 類放大器在 B 類放大器的基礎上增加了兩個消除交越失真的二極管，可以使兩個體積管在交替時刻同時導通，因此也就改善了 B 類放大器的交越失真現(xiàn)象，AB 類功放效率（7080%）不如 B 類功放高，但其精度比 B 類功放要高，因此常用作音頻功放使用。D 類功率放大器從以上介紹的各類功放得知，影響放大器效率的基本因素是無信號時的工作電流，

38、所形成的直流功耗損失。無信號輸入時，電流越大，效率越低。因此要提高效率則降低工作點，使無信號輸入時，無直流損耗。但是由此帶來的結果是使信號導通角變得越來越小，波形失真就越來越大，輸出信號的諧波就增加了，這樣就形成了兩個矛盾。如果輸入波形的邊緣很陡峭，降低工作點之后就對導通角影響很小，那么失真變化就很小，而且效率也提升了，使波形邊緣陡峭最惡劣的狀態(tài)時使輸入波形完全變成矩形波，這種波形無論偏置如何變化，由于前后沿是垂直上升和下降的，導通狀態(tài)不會變化，這樣就形成了工作和脈沖放大狀態(tài)的 D 類功率放大器。D 類功放工作在開關狀態(tài)，無信號時無電流，而導電時沒有電流損耗，事實上由于-15-關斷時電器還有微

39、量電流，而導通時電路沒有完全短路，也就是管子壓降，故還存在少量的管子壓降，正是由于此原因其效率高，100W 的輸出設備大約損耗在十幾瓦，因此其散熱片就減小了許多，使電路板的體積變小。并且由于工作音頻高十倍的脈沖狀態(tài)，電流整流紋波對電路工作影響很小。D 類功放和線性功放相比，在工效上有很大的優(yōu)勢。對于線性功放來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗相當大的功率。而 D 類功放的晶體管只工作在開關狀態(tài)，用來控制電流流過負載的電流方向。所以輸出級的功耗低。D 類功放的主要損耗在晶體管的導通阻抗、開關損耗和靜態(tài)電流消耗。放大器的損耗主要以熱量的形式消耗。因此 D 類功放對散熱片的要求大大降低，做

40、的好的 D 類功放可以完全省去散熱片，因此非常適合那些功率大，空間小的電器使用。近年來，主要受到以下兩個因素的影響，使 D 類功放在很多應用領域引起了人們的廣泛關注。首先，市場的需求，D 類功放的某些特點推動了手機、平板電腦等終端設備市場的迅速發(fā)展。對于手機來說，揚聲器和 PTT 模式需要 D 類功放的高效率，以此來延長電池的壽命。LCD 平板顯示器的發(fā)展對電子器件提出了低溫運行的需求，這是因為工作溫度的升高將影響顯示顏色的對比度。而 D 類功放的高效率意味著驅動電子設備時功耗更低，使 LCD 平板在工作時發(fā)熱量更低，圖像顯示效果更好。影響 D 類功放發(fā)展的第二個因素便是自身技術的發(fā)展，由于現(xiàn)

41、代技術的不斷發(fā)展，根據(jù)市場需求，制造商們也在對 D 類功放進行改進，使得 D 類功放在有了跟合理價格的同時，也具備了喝 AB 類功放相近的音頻質量。除此之外現(xiàn)在很多 D 類功放輸出調制方案還可以降低實際應用的 EMI。D 類功放的工作原理，首先將脈沖編碼調制（PCM，pulse code module）音頻數(shù)據(jù)流通過專門的等比特數(shù)據(jù)處理器（EquibitDSP）變換成脈寬調制（PWM，pulse width modulation）的數(shù)據(jù)流，采用脈寬調制后，音頻信號變成了一系列的用 0 和 1 表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號的幅度就越大。將這些脈寬調制的數(shù)據(jù)流去推動功率放大器的常規(guī)

42、晶體輸出管。由于受到脈寬數(shù)據(jù)流的作用，晶體輸出管將迅速地時而飽和導通，時而截止斷開。晶體管導通工作越長，信號幅值越大，于是晶體輸出管為揚聲器提供的電流也是越大。音頻信息就包含在這些接通和斷開的周期過程中。脈沖信號再由晶體管放大后，便有 LC 低通濾波器進行平滑處理，從而恢復為原來的音樂聲波。D 類功放的電路工作方式為開關狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號，還需要模數(shù)轉換-16-電路，即將模擬的音頻信號轉換脈沖方波信號，從而進行放大，原理如下：由上圖的結構可得，兩個放大器反向相接，實際上是構成了推挽狀態(tài)，起到開關作用其控制與電源串聯(lián)的負載回路，低通濾波器 LPF 可以濾去脈沖波的高頻部分，得到基波成分，

43、所以實際上成為數(shù)模轉換電路。重新將脈沖波轉換成正弦波。從電路看，當兩支形狀短路阻抗為 0，開路阻抗為無窮大時，電路效率為 100%。因為揚聲器為感性負載，對于高電感的揚聲器如中頻揚聲器，D 類功放可以不經(jīng)過低通濾波器，直接和揚聲器相連。上圖為將音頻信號調制成脈沖信號的原理，由圖可知讓脈沖信號的寬度受到正弦信號的調制，稱之為 PWM 信號，即脈寬調制信號。再次沒有應用一般的概念的 A/D變換電路，而是用一個幅度與放大的正弦信號近似的三角波，共同作為變換器的輸入，相當于反向比較器，當三角波幅度大于正弦波部分，變換電路輸出 1，而當三角波幅度小于正弦波幅度處，變換電路輸出 0，這樣即將輸入的正弦波信

44、號變換成寬度隨正弦信號波幅度變換的 PWM 波。D 類功放使用的開關管采用功率型 MOSFET，即大功率場效應管，并為保證足夠的激勵電壓而設有驅動電路，使 FET 能夠充分的開啟和關斷。下圖是 PWM 波的頻譜，當放大單一頻率的正弦波時，其頻譜中除低頻段存在與輸入信號同頻率的基波成分外，還存在各次諧波的頻譜。因此用 LPF 低通濾波器就可以濾去高頻譜諧波而得到正弦基波成分，因此可使數(shù)模轉換電路十分簡化。-17-D 類功放的優(yōu)點：在傳統(tǒng)的 D 類功放中，輸出級包括提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。實現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型，包括 A 類放大器、B 類放大器、AB 類放大器，與 D 類放大器相比

45、較，即使是最有線性的輸出級，他們的輸出級功耗也很大。這種差別使得 D 類功放在許多應用領域有著非常顯著的優(yōu)勢，因為其功耗低而產(chǎn)生的熱量少，節(jié)約了電路板的面積，由此帶來的結果是節(jié)省了成本。并且能延長便攜式電池使用時間。和模擬功率相比較，類功率放大器具有以下明顯優(yōu)勢：（1）直接接收等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號，直接以數(shù)字信號進行放大，體現(xiàn)了數(shù)字音源的完美結合。（2）高、中、低頻無相對相移，聲音清晰，聲像定位準確，由于使用了無負反饋的放大電路，數(shù)字濾波器等處理技術，可以使輸出濾波器的截止頻率設置得較高，從而保證在 20Hz-20KHz 內得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。（3）瞬態(tài)響應好

46、，即動態(tài)響應好。由于它不需要傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備，再加上無模擬放大，無負反饋的制約，因此具有更好的動力特征。（4）無過零失真。傳統(tǒng)功放都存在由于對管配對以及各級調整匹配不佳而產(chǎn)生的過零、交越失真。（5）能量轉換效率高，體積小，可靠性高。耗電量僅為同功率級別的放大器三分之一。在電源使用率上高達 90%以上，節(jié)約能源，也就符合了現(xiàn)代世界都在提倡的節(jié)能。（6）適應于大批量生產(chǎn)。產(chǎn)品性能好，生產(chǎn)中無需特性繁瑣的調節(jié)過程，只要保證元件安裝正確就行。3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 硬件環(huán)境：51 系列單片機 STC89C52軟件環(huán)境：Keil4，Protel99se-

47、18-第 4 章系統(tǒng)設計各模塊的設計簡介各模塊的設計簡介本次電路設計主要包括以下幾個模塊：單片機主控電路設計； 模數(shù)轉換模塊的設計；功放模塊的設計。4.1 主電路的設計主電路的設計（1）STC89C52 的簡介 STC89C52 是一種低功耗，高性能的 CMOS 8 位微處理器，內部有 8K 字節(jié)的閃速PEROM ，該芯片采用 ATMEL 公司高密度、非揮發(fā)性存儲器工藝制成且與工業(yè)標準的MCS-51 系列的引腳及指令兼容，F(xiàn)LASH 系列存儲器為快速擦寫存貯器。相對于MCS-51 系列芯片而言，其特點如下： 可擦寫 1000 次 全靜態(tài)操作：0Hz33MHz 32 根可編程 I/O 口線 內部

48、 RAM 為 256 字節(jié) 三個 16 位的定時/計數(shù)器 8 個中斷源 STC89C52 有 40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含 2 個外中斷口，3 個 16 位可編程定時計數(shù)器,2 個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線，STC89C52 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 （2）STC89C52 芯片的管腳、引線與功能 引腳信號介紹： P0.0P0.7 ：P0 口 8 位雙向口線 P1.0P1.7 ：P1 口 8 位雙向口線 P2.0P2.7 ：

49、P2口 8 位雙向口線 P3.0P3.7 ：P3 口 8 位雙向口線。EA 訪問程序存儲器控制信號：當EA 信號為低電平時，對 ROM 的讀操作限定在外部程序存儲器；而當 EA 信號為高電平時，則對 ROM 的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。ALE 地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE 用于控制把 P0 口輸出低 8 位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于 ALE 是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖作用。 PSEN 外部程序存儲器讀選取通信號：在讀外部 ROM 時 PSEN 有效（低電平） ，以實現(xiàn)外部 ROM 單元的

50、讀操作。 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體引線端：當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于拉外部的時鐘脈沖信號。 RST 復位信號：當輸入的復位信號延續(xù) 2 個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。 VSS：地線 VCC：+5V 電源。STC89C52 的總線結構： STC89C52 的管腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶 I/O 口部分 P3 外，其余管腳都是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些管腳構成了三總線形式，即： 地址總線（AB）：地址總線寬度為 16 位，因此，其外部存儲器直接地址外圍為 64K字節(jié)。16 位地址總線由 P

51、0 經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位地址（A0A7） ；P2 口直接提供高 8 位地址（A8A15） 。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位，由 P 口提供。 控制總線 （CB）：由部分 P3 口的第二功能狀態(tài)和 4 根獨立控制線 RST、EA、ALE、PSEN 組成。-19-（2）時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地作。 時鐘信號的產(chǎn)生 單片機內部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的

52、外部，XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 電容器 C1 和 C2 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值的范圍在 5pF-30pF,典型值為 30pF。晶振的頻率通常選擇兩種 6MHz 和 12MHz。只要在單片機的 XTAL1 和 XTAL2 引腳外接晶體振蕩器就構成了自激振蕩器并在單片機內部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。（3）復位電路設計復位電路是使單片機的 CPU 或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開始工作。 單片機常見的復位電路通常單片機復位電路有兩種：上電復位電路，按鍵復位-20-電路。上電復位電路：上電復位是單片機上電時復位操作，保證單片機上電后立即進入規(guī)定的復位狀態(tài)。它利用的是電容充電的原理來實現(xiàn)的。按鍵復位電路：它不僅具有上電復位電路的功能，同時它的操作比上電復位電路的操作要簡單的多。如果要實現(xiàn)復位的話，只要按下 RST 鍵即可。它主要是利用電阻的分壓來實現(xiàn)的，