1、编号： 毕业设计说明书题 目： 基于单片机的 D 类功放设计 院 （系）：桂林电子科技大学职业技术学院专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 010113304650 指导教师： 职 称： 讲 师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013 年 10 月 25 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第 0 页 共 3 页摘 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。功放系统利用单片机的 AD 转换功能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
2、放大随输入音频变化的 PWM 信号，再由低通滤波器把 PWM 波形中的声音信息解调出来。系统以内带 AD 转换器的 8051 内核单片机 STC12C5410AD 为音频采集核心,由单片机内部算法转换成 SPWM 信号。系统的放大部分采用功率型高速 MOSFETD 开关管组成推挽放大电路，主要用来 PWM 信号放大,最后利用 LC 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。经试验验证，本文制作的 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：数字功放；STC12C5410AD；推挽放大； PWM；低通滤波器桂林电子科技大学
3、毕业设计（论文）报告用纸第 1 页 共 3 页Abstract Digital power amplifier because of its advantages of high efficiency, easy to dock with the digital audio source and has more and more widely used in real life. This design based on single chip microcomputer made a class D power amplifier. Power amplifier system using
4、 MCU AD conversion function converts input audio signal duty cycle change with analog signal voltage PWM signal, the PWM power amplifier amplification 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
5、within 8051 kernel microcontroller STC12C5410AD as the core audio collection, internal algorithm converts the SPWM signal by single-chip microcomputer. Amplification part of the system of using power type high-speed MOSFETD switching tube push-pull amplifier circuit, mainly used for PWM signal ampli
6、fication, finally using LC 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 made of class D power amplifier, has low power consumption, low cost, simple circuit, g
7、ood sound quality, etc. Key words: Digital power amplifier; STC12C5410AD; Push-pull amplifier; PWM. Low pass filter 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第 2 页 共 3 页目 录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 D 类功放发展历程 .11.1.2 D 类功放的目前现状 .21.2 本设计主要研究工作 .31.3 本设计的结构 .32 音频功放与 STC12C5410AD 单片机简介 .32.1 音箱的特征及性能 .32.1.1 声音的特征 .32.1.2 音响
8、的结构及参数 .32.1.3 放大器的技术指标 .32.2 功率放大器简介 .42.2.1 A 类功率放大器 .42.2.2 B 类功率放大器 .52.2.3 AB 类功率放大器 .62.2.4 D 类功率放大器 .72.3 D 类功放的原理 .82.3.1 D 类功放的工作原理 .82.3.2 D 类功放的优点 .102.4 STC12C5410AD 单片机简介 .113 基于单片机 D 类功率放大器系统总体设计 .113.1 系统总体设计方案 .113.2 硬件系统部分 .123.5 D 类功放 .143.3 软件系统部分 .154 整体系统优点和存在问题及改进 .184.1 整体设计优点
9、 .184.2 存在问题及改进 .194.3 硬件安装和调试 .195 总结 .19致谢 .21附录 .22桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 0 页 共 23 页1 绪论 1.1 课题背景在过去几年，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以成为主流，如 MP3、平板电脑等。随着这类携带有音频设备的电子产品的发展，音频设备也随之发展，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
10、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和要求和成本要求，但线性功率放大器以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 类音频功放大器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，如今以经开放出无需输出滤波的 D 类功率放大器集成芯片，使得音频功放的电路更加简单，因而达到了减小体积的效果，这样的特点设之更适用于便携带式电子设备中。如今的 LCD（Liquid Crystal Display，液晶显
11、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带式产品中。其工作特点是工作电压低、输出功率打、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，使之在短时间内的得到的长足发展。并且如今许多 D 类功放以进入了原来由线性功放占领的市场。消费市场上适用 D类功率放大器的原因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
12、和态,要么工作在截止态，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效率，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%。真是其开关特性，设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。下面就将对 D 类功放的发展史做一下简要介绍。1.1.1 D 类功放发展历程在音响领域里人们一直坚守着 A 类功放的阵地。认为 A 类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但是，A 类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅
13、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，仍感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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 23 页是在价格上均已不成问题。而且近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
14、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，而与信号输出的大小无关，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%（按负载方式而定） 。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（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与 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
15、放用于音频的放大技术，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。1.1.2 D 类功放的目前现状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
16、市场提供 D 类功放评估模块和技术.这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、数学、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和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 Icm 下降太多，输出效率反而下降，而 D 类
17、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。它的管子工作在开关状态，导通时管子进入饱和态。元件内阻接近与零；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其效率可以达到 100%。1.2 本设计主要研究工作桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 23 页本设计的主要任务是对 D 类功放系统进行探讨和研究，并在设计中结合 STC 系列单片机 STC12C5410AD 中的 A/D 与 PWM 转换等知识以及运用三极管方面的知识设计一个基于单片机的 D 类功率放大器
18、使其能够具备输出功率大、不失真效率高的特点。在设计中由于运用了 STC12C 5410AD 和一些新型的集成元件使得设计的功放简单灵活性好可扩展性强，而这些功能仅仅通过 D 类功放是很难完成的。1.3 本设计的结构第一部分为音频功率放大器与 STC12C 5410AD 单片机的基础相关知识。第二部分为功放系统的总体设计介绍。第三部分为设计的各部分硬件电路模块功能的介绍分析。第四部分为设计的软件框图主要介绍 STC12C 5410AD 单片机中 A/D 与 PWM 转换的实现。第五部分为设计的整体系统优点以及存在的不足与改进。2 音频功放与 STC12C5410AD 单片机简介2.1 音箱的特征
19、及性能2.1.1 声音的特征声音：它是声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅越大，人耳就感觉声音越大，反之声音就小。声音的大小是人耳听觉的主观感觉。音调：它是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量是“频率”对应人体的听觉范围：20hz 到 20Khz 称之为可听声，低于 20hz 称之为次声波，高于 20Khz 称之为超生波，人耳对 3k 到 4K 的声音最为敏感。声色：它又称音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放偶次谐波多，奇次谐波少，声音优美、甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳、清丽。2.1.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对
20、各种节目的源信号进行处理，对微弱信号进行放大到 0.5-1V，进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器承担的主要任务是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，一推动扬声器发出声音，其有电压放大和电流放大两种，但在功率放大的情况下要求其不能失真。2.1.3 放大器的技术指标（1）额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值（r1%）的最大功率称为额定功率。测试条件：信号发生器输出频率为 1Khz，电压 Ui-30mV 的正弦信号.功率放大器输出端接额定负载电阻,输入端接 Ui,逐渐增加输入电压,直到 Uo 的波形刚好不出现谐波失真(r1%),此时对应的输出电压为最大输出电压.注意测量后要尽快减小输入
21、电压,避免损坏功率放大器。（2） 频率响应桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 23 页放大器的电压增益相对中频音 fo(1Khz)的电压增益降下 3dB 时所对应的低音音频fl 和高音音频 fh 称为放大器的响应频率。测试方法：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的一半，输入端接着调音控制器，设信号发生器的输出频率 fi 从 20hz 到 20Khz，在此过程中保持 Ui 不变，测量输出电阻上的输出电压 Uo。（3）输入灵敏度使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压称之为灵敏度。（4） 噪音电压使输入为零时，输出负载上的电压称为噪音电压。测量方法：在输入端对地短路，音
22、量调到最大，适用示波器观察输出负载上的电压纹波，再用电流表的交流挡测其有效值。2.2 功率放大器简介功率放大器通常根据其工作状态可分为五类：A 类、B 类、AB 类、C 类、D 类。在音频功放领域，前面四种都是采用模拟信号直接输入，然后放大后直接推到后级扬声器。而 D 类功率放大器有些特殊，其只有两种状态，导通或者断开，也就是我们前面提到的功放晶体管进入饱和和截止两种状态。因此决定了其不能直接输入模拟信号，而要对信号经过某种处理。2.2.1 A 类功率放大器A 类功率放大器的电路如图 2.1 所示：图 2.1 A 类放大电路A 类放大电路的特性曲线如图 2.2 所示：图 2 .2 A 类放大电
23、路的特性曲线桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 23 页有电路图我们可以看出 A 类放大器晶体管总是处于导通状态，也就是说在没有信号输出的情况下，晶体管也是有输出功率，因此晶体管会变得热。有其特性曲线图左边为晶体管出入特征，固定偏置所形成的工作点在 Q 点,当正弦音频信号输入时，其振幅未超出线性范围，集电极工作状态处于截止期和饱和区之内，集电极电流为完全的全周期的正弦波，此时的导通角为 180（导通角是以最小值到最大值之间占全周期的部分来计算，全周导通为 180） 。这种状态放大失真较小，只受器件特性的影响，如果器件的线性好，其失真也最小，但是当无信号输入时，有约一半的直
24、流电其消耗为IcoVcc，因此其效率较低，所以 A 类功率放大器仅用于那些功率放大很小的场所。如收音机。2.2.2 B 类功率放大器B 类功率放大器电路图如图 2.3 所示：图 2.3 B 类功率放大器电路图B 类功率放大器特性曲线如图 2.4 所示：图 2.4 B 类功率放大器特性曲线从电路图我们可以看出当无音频输入时，即静态工作 Vi=0 时，两个晶体管都是截桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 23 页止的，由此输出电压 Vo 也为零，此时电路不消耗功率，因此效率提高了。由 B 类功放的特性曲线可以得知静态偏置为 Q 点，处于截止点上，因此当信号输入时只有半周导通，导
25、通角为 90，集电极输出波形为半个正弦波，这种状态失真就大了，所以我们一般的 B 类功放都用双晶体管做成推挽式输出，这样每个管子工作半个周期就使输出电压组成了一个全周期的波形，减小了失真。B 类功率放大器的最大特点就是在无信号输入的情况下原则上没有信号输出，也就没有了直流损耗，效率超过了 50%。但是由于晶体管的开关需要一定的时间，因此在两管交替过程中输出端存在一个短暂的无输出状态，这个状态称为交越区，这也造成了失真，这种失真称为交越失真，如图 2.5 所示。所以 B 类功率放大器虽然效率高了，但其造成了较大的失真。图 2.5 交越失真2.2.3 AB 类功率放大器AB 类功放电路图如图 2.6 所示；图 2.6 AB 类功放原理图
