基于单片机的d类功放设计Word格式.docx

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学号：

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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

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

Abstract

Digitalpoweramplifierbecauseofitsadvantagesofhighefficiency,easytodockwiththedigitalaudiosourceandhasmoreandmorewidelyusedinreallife.ThisdesignbasedonsinglechipmicrocomputermadeaclassDpoweramplifier.PoweramplifiersystemusingMCUADconversionfunctionconvertsinputaudiosignaldutycyclechangewithanalogsignalvoltagePWMsignal,thePWMpoweramplifieramplificationchangewiththeinputaudiosignal,andthenbythelow-passfilterdemodulationofthePWMwaveformsoundinformation.SystemwiththeADconverterwithin8051kernelmicrocontrollerSTC12C5410ADasthecoreaudiocollection,internalalgorithmconvertstheSPWMsignalbysingle-chipmicrocomputer.Amplificationpartofthesystemofusingpowertypehigh-speedMOSFETDswitchingtubepush-pullamplifiercircuit,mainlyusedforPWMsignalamplification,finallyusingLClowpassfiltertosmooththepulsesignal,thereductionofnoisesignals,finallythroughthespeakertothetransformationoutputamplifiedvoicesignal.Verifiedbytest,thispapermadeofclassDpoweramplifier,haslowpowerconsumption,lowcost,simplecircuit,goodsoundquality,etc.

Keywords:

Digitalpoweramplifier;

STC12C5410AD;

Push-pullamplifier;

PWM.Lowpassfilter

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（LiquidCrystalDisplay，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。

1.1.1D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。

1.1.2D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

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STC12C5410AD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STC12C5410AD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STC12C5410AD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，对各种节目的源信号进行处理，对微