基于單片機(jī)的d類(lèi)功放設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p>　　編號(hào)： </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　題 目： 基于單片機(jī)的D類(lèi)功放設(shè)計(jì) </p><p>　　院 （系）：桂林電子科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)：

2、 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名： 李杭清 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： 010113304650 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 王勇軍 </p><p>　　職 稱(chēng)：

3、講 師 </p><p>　　題目類(lèi)型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 √ 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開(kāi)發(fā)</p><p>　　2013 年 10 月 25 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　數(shù)字功放由于其效率高、易與數(shù)字音源對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)實(shí)生活中

4、具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)制作了一款D類(lèi)功放。功放系統(tǒng)利用單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能將輸入的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比隨模擬信號(hào)電壓變化的PWM信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大隨輸入音頻變化的PWM信號(hào)，再由低通濾波器把PWM波形中的聲音信息解調(diào)出來(lái)。系統(tǒng)以內(nèi)帶AD轉(zhuǎn)換器的8051內(nèi)核單片機(jī)STC12C5410AD為音頻采集核心,由單片機(jī)內(nèi)部算法轉(zhuǎn)換成SPWM信號(hào)。系統(tǒng)的放大部分采用功率型高速M(fèi)OSFETD開(kāi)關(guān)管組成推挽放大電路，主要用來(lái)PWM信

5、號(hào)放大,最后利用LC低通濾波器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行平滑處理，還原出聲音電信號(hào)，最后通過(guò)揚(yáng)聲器來(lái)轉(zhuǎn)換輸出放大了的聲音信號(hào)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文制作的D類(lèi)功放，具有功耗低、成本低、電路簡(jiǎn)單、音質(zhì)較好等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)字功放；STC12C5410AD；推挽放大； PWM；低通濾波器</p><p>　　Abstract </p><p>　　Digital power amplifier

6、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. Powe

7、r amplifier system using 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

8、by the low-pass filter demodulation </p><p>　　Key words: Digital power amplifier; STC12C5410AD; Push-pull amplifier; PWM. Low pass filter </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

9、<b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 D類(lèi)功放發(fā)展歷程1</p><p>　　1.1.2 D類(lèi)功放的目前現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 本設(shè)計(jì)主要研究工作3</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)3</p&

10、gt;<p>　　2 音頻功放與STC12C5410AD單片機(jī)簡(jiǎn)介3</p><p>　　2.1 音箱的特征及性能3</p><p>　　2.1.1 聲音的特征3</p><p>　　2.1.2 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)3</p><p>　　2.1.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)3</p><p>　　2.2

11、 功率放大器簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.2.1 A類(lèi)功率放大器4</p><p>　　2.2.2 B類(lèi)功率放大器5</p><p>　　2.2.3 AB類(lèi)功率放大器6</p><p>　　2.2.4 D類(lèi)功率放大器7</p><p>　　2.3 D類(lèi)功放的原理8</p><p>

12、;　　2.3.1 D類(lèi)功放的工作原理8</p><p>　　2.3.2 D類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)10</p><p>　　2.4 STC12C5410AD單片機(jī)簡(jiǎn)介11</p><p>　　3 基于單片機(jī)D類(lèi)功率放大器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案11</p><p>　　3.2 硬件系

13、統(tǒng)部分12</p><p>　　3.5 D類(lèi)功放14</p><p>　　3.3 軟件系統(tǒng)部分15</p><p>　　4 整體系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和存在問(wèn)題及改進(jìn)18</p><p>　　4.1 整體設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)18</p><p>　　4.2 存在問(wèn)題及改進(jìn)19</p><p>　　4.3 硬

14、件安裝和調(diào)試19</p><p><b>　　5 總結(jié)19</b></p><p><b>　　致謝21</b></p><p><b>　　附錄22</b></p><p><b>　　1 緒論 </b></p><p&

15、gt;<b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　在過(guò)去幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，電子設(shè)備也開(kāi)始更新?lián)Q代，而隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，音頻質(zhì)量的好壞也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。如今許多電子產(chǎn)品上都增加了音頻設(shè)備，而現(xiàn)在的消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備上帶有音頻以成為主流，如MP3、平板電腦等。隨著這類(lèi)攜帶有音頻設(shè)備的電子產(chǎn)品的發(fā)展，音頻設(shè)備也隨之發(fā)展，即人們對(duì)音頻性能的要求不斷提高，需要音

16、頻設(shè)備不斷的提高，其基本要求是在更低的負(fù)載阻抗和更高輸出功率下實(shí)現(xiàn)更好的音質(zhì)。而功率放大器是對(duì)音頻放大的設(shè)備，是高保真音頻放大處理的核心部分。一般而言，A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)放大器能應(yīng)付這些設(shè)備早期的性能和要求和成本要求，但線性功率放大器以不能適應(yīng)如今消費(fèi)者的生活需求，因此在增強(qiáng)音頻功能的消費(fèi)品領(lǐng)域，D類(lèi)功放正在向先前的線性功放發(fā)起挑戰(zhàn) ，D類(lèi)音頻功放大器的效率遠(yuǎn)比那些線性功放高的多，理論上能達(dá)到100%，而實(shí)際上也能達(dá)到85%以上，如今以

17、經(jīng)開(kāi)放出無(wú)需輸出濾波的D類(lèi)功率放大器集成芯片，使得音頻功放的電路更加簡(jiǎn)單，因而達(dá)到了減小體積的效果，這樣的特點(diǎn)設(shè)之更適用于便攜帶式電子設(shè)備中。如今的LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）電視機(jī)、等離子電</p><p>　　1.1.1 D類(lèi)功放發(fā)展歷程</p><p>　　在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著A類(lèi)功放的陣地。認(rèn)為A類(lèi)功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。

18、但是，A類(lèi)功放的低效率和高損耗卻是它無(wú)法克服的先天頑疾。B類(lèi)功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為50%左右，在小型便攜式音響設(shè)備如汽車(chē)功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)超大功率功放場(chǎng)合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類(lèi)功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視?！∮捎诩呻娐芳夹g(shù)的發(fā)展，原來(lái)用分立元件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無(wú)論在技術(shù)上還是在價(jià)格上均已不成問(wèn)題。而且近年來(lái)數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)D類(lèi)功放與數(shù)字音響有

19、很多相通之處，進(jìn)一步顯示出D類(lèi)功放的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　D類(lèi)功放是放大元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)接通的開(kāi)關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆](méi)有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會(huì)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(guān)，而與信號(hào)輸出的大小無(wú)關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合。在

20、理想情況下，D類(lèi)功放的效率為100%，B類(lèi)功放的效率為78.5%，A類(lèi)功放的效率才50%或25%（按負(fù)載方式而定）。</p><p>　　D類(lèi)功放實(shí)際上具有開(kāi)關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開(kāi)關(guān)控制電路中。然而，開(kāi)關(guān)功能（也就是產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的功能）隨著數(shù)字音頻技術(shù)研究的不斷深入，用與Hi-Fi音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始研究D類(lèi)功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就開(kāi)

21、始生產(chǎn)D類(lèi)汽車(chē)功放。一方面汽車(chē)用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無(wú)法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功放，兩者都希望有D類(lèi)這樣高效的放大器來(lái)放大音頻信號(hào)。其中關(guān)鍵的一步就是對(duì)音頻信號(hào)的調(diào)制。</p><p>　　1.1.2 D類(lèi)功放的目前現(xiàn)狀</p><p>　　全球音頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快的研究開(kāi)發(fā)高效率、節(jié)能、數(shù)字化的D類(lèi)功率放大器，其應(yīng)該具工作效

22、率高，便于和其他數(shù)字設(shè)備相連的特點(diǎn)，D類(lèi)功放是PWM型功率放大器，它符合上述要求，今年來(lái)，國(guó)際上加緊了對(duì)D類(lèi)功率放大器的研究與開(kāi)發(fā),并取得了一定的進(jìn)展,幾家著名的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)向市場(chǎng)提供D類(lèi)功放評(píng)估模塊和技術(shù).這一技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、數(shù)學(xué)、電子工業(yè)、商家的特別關(guān)注。如今的趨勢(shì)是D類(lèi)功率放大器必將取代傳統(tǒng)的線性功率放大器。科學(xué)技術(shù)人員做了大量的研究工作，早些時(shí)候人們就論證了D類(lèi)功率放大器的存在。

23、</p><p>　　高頻功率放大器的主要問(wèn)題是如和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(diǎn)點(diǎn)，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(dǎo)通角的途徑，實(shí)現(xiàn)不斷提高放大器的效率的，但是導(dǎo)通角的減小是有一定限度的，因?yàn)閷?dǎo)通角太小，效率雖然高，但因?yàn)镮cm下降太多，輸出效率反而下降，而D類(lèi)功放就是采用固定的導(dǎo)通角的值為90.盡量降低管子功耗的方法來(lái)提高功率放大器的效

24、率。它的管子工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)管子進(jìn)入飽和態(tài)。元件內(nèi)阻接近與零；而當(dāng)管子在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，管子在截止?fàn)顟B(tài)，內(nèi)存無(wú)窮大，電流為零，這樣就減小了開(kāi)關(guān)管的損耗，效率隨即增加。也就如前面所說(shuō)的理論上其效率可以達(dá)到100%。</p><p>　　1.2 本設(shè)計(jì)主要研究工作</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)D類(lèi)功放系統(tǒng)進(jìn)行探討和研究，并在設(shè)計(jì)中結(jié)合STC 系列單片機(jī)STC12C5410AD中的

25、A/D與PWM 轉(zhuǎn)換等知識(shí)以及運(yùn)用三極管方面的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的D類(lèi)功率放大器使其能夠具備輸出功率大、不失真效率高的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中由于運(yùn)用了STC12C 5410AD和一些新型的集成元件使得設(shè)計(jì)的功放簡(jiǎn)單靈活性好可擴(kuò)展性強(qiáng)，而這些功能僅僅通過(guò)D 類(lèi)功放是很難完成的。</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　第一部分為音頻功率放大器與STC12C 5410AD單片

26、機(jī)的基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí)。</p><p>　　第二部分為功放系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)介紹。</p><p>　　第三部分為設(shè)計(jì)的各部分硬件電路模塊功能的介紹分析。</p><p>　　第四部分為設(shè)計(jì)的軟件框圖主要介紹STC12C 5410AD單片機(jī)中A/D與PWM 轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　第五部分為設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)以及存在的不足與改進(jìn)。</

27、p><p>　　2 音頻功放與STC12C5410AD單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1 音箱的特征及性能</p><p>　　2.1.1 聲音的特征</p><p>　　聲音：它是聲波的物理量“振幅”有關(guān)，聲波的振幅越大，人耳就感覺(jué)聲音越大，反之聲音就小。聲音的大小是人耳聽(tīng)覺(jué)的主觀感覺(jué)。</p><p>　　音調(diào)：

28、它是人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺(jué)，聲調(diào)的高低與聲音的物理量是“頻率”對(duì)應(yīng)人體的聽(tīng)覺(jué)范圍：20hz到20Khz稱(chēng)之為可聽(tīng)聲，低于20hz稱(chēng)之為次聲波，高于20Khz稱(chēng)之為超生波，人耳對(duì)3k到4K的聲音最為敏感。</p><p>　　聲色：它又稱(chēng)音品或音質(zhì)，它是由聲音的波形決定的，電子管功放偶次諧波多，奇次諧波少，聲音優(yōu)美、甜潤(rùn)，晶體管功放奇次諧波多，聲音冷艷、清麗。</p><p>　　2.

29、1.2 音響的結(jié)構(gòu)及參數(shù)</p><p>　　前置放大器和功率放大器，前置放大器承擔(dān)控制任務(wù)為主，對(duì)各種節(jié)目的源信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大到0.5-1V，進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化音色。功率放大器承擔(dān)的主要任務(wù)是將前置放大器輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，一推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，其有電壓放大和電流放大兩種，但在功率放大的情況下要求其不能失真。</p><p>　　2.1.3 放大器的技術(shù)指標(biāo)

30、</p><p><b>　?。?）額定功率</b></p><p>　　音響放大器輸出失真度小于某一數(shù)值（r<1%）的最大功率稱(chēng)為額定功率。</p><p>　　測(cè)試條件：信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1Khz，電壓Ui-30mV的正弦信號(hào).功率放大器輸出端接額定負(fù)載電阻,輸入端接Ui,逐漸增加輸入電壓,直到Uo的波形剛好不出現(xiàn)諧波失真(r<

31、;1%),此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為最大輸出電壓.注意測(cè)量后要盡快減小輸入電壓,避免損壞功率放大器。</p><p><b>　　（2） 頻率響應(yīng)</b></p><p>　　放大器的電壓增益相對(duì)中頻音fo(1Khz)的電壓增益降下3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的低音音頻fl和高音音頻fh稱(chēng)為放大器的響應(yīng)頻率。</p><p>　　測(cè)試方法：調(diào)節(jié)音量控制器使輸出電壓

32、約為最大輸出電壓的一半，輸入端接著調(diào)音控制器，設(shè)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率fi從20hz到20Khz，在此過(guò)程中保持Ui不變，測(cè)量輸出電阻上的輸出電壓Uo。</p><p><b>　?。?）輸入靈敏度</b></p><p>　　使音響放大器輸出額定功率時(shí)所需的輸入電壓稱(chēng)之為靈敏度。</p><p><b>　?。?） 噪音電壓</

33、b></p><p>　　使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載上的電壓稱(chēng)為噪音電壓。</p><p>　　測(cè)量方法：在輸入端對(duì)地短路，音量調(diào)到最大，適用示波器觀察輸出負(fù)載上的電壓紋波，再用電流表的交流擋測(cè)其有效值。</p><p>　　2.2 功率放大器簡(jiǎn)介</p><p>　　功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)可分為五類(lèi)：A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)

34、。在音頻功放領(lǐng)域，前面四種都是采用模擬信號(hào)直接輸入，然后放大后直接推到后級(jí)揚(yáng)聲器。而D類(lèi)功率放大器有些特殊，其只有兩種狀態(tài)，導(dǎo)通或者斷開(kāi)，也就是我們前面提到的功放晶體管進(jìn)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(hào)，而要對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)某種處理。</p><p>　　2.2.1 A類(lèi)功率放大器</p><p>　　A類(lèi)功率放大器的電路如圖2.1 所示：</p><p

35、>　　圖2.1 A類(lèi)放大電路</p><p>　　A類(lèi)放大電路的特性曲線如圖2.2 所示：</p><p>　　圖2 .2 A類(lèi)放大電路的特性曲線</p><p>　　有電路圖我們可以看出A類(lèi)放大器晶體管總是處于導(dǎo)通狀態(tài)，也就是說(shuō)在沒(méi)有信號(hào)輸出的情況下，晶體管也是有輸出功率，因此晶體管會(huì)變得熱。有其特性曲線圖左邊為晶體管出入特征，固定偏置所形成的工作點(diǎn)在Q點(diǎn),

36、當(dāng)正弦音頻信號(hào)輸入時(shí)，其振幅未超出線性范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止期和飽和區(qū)之內(nèi)，集電極電流為完全的全周期的正弦波，此時(shí)的導(dǎo)通角為180°（導(dǎo)通角是以最小值到最大值之間占全周期的部分來(lái)計(jì)算，全周導(dǎo)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(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，有約一半的直流電其消耗為Ico×Vcc，因此其效率較低，所以A類(lèi)功率放大器僅用于那些功率放大很小的場(chǎng)所。

37、如收音機(jī)。</p><p>　　2.2.2 B類(lèi)功率放大器</p><p>　　B類(lèi)功率放大器電路圖如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 B類(lèi)功率放大器電路圖</p><p>　　B類(lèi)功率放大器特性曲線如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 B類(lèi)功率放大器特性曲線</p><p&g

38、t;　　從電路圖我們可以看出當(dāng)無(wú)音頻輸入時(shí)，即靜態(tài)工作Vi=0時(shí)，兩個(gè)晶體管都是截止的，由此輸出電壓Vo也為零，此時(shí)電路不消耗功率，因此效率提高了。由B類(lèi)功放的特性曲線可以得知靜態(tài)偏置為Q點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有半周導(dǎo)通，導(dǎo)通角為90°，集電極輸出波形為半個(gè)正弦波，這種狀態(tài)失真就大了，所以我們一般的B類(lèi)功放都用雙晶體管做成推挽式輸出，這樣每個(gè)管子工作半個(gè)周期就使輸出電壓組成了一個(gè)全周期的波形，減小了失真。B類(lèi)功率

39、放大器的最大特點(diǎn)就是在無(wú)信號(hào)輸入的情況下原則上沒(méi)有信號(hào)輸出，也就沒(méi)有了直流損耗，效率超過(guò)了50%。但是由于晶體管的開(kāi)關(guān)需要一定的時(shí)間，因此在兩管交替過(guò)程中輸出端存在一個(gè)短暫的無(wú)輸出狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)為交越區(qū)，這也造成了失真，這種失真稱(chēng)為交越失真，如圖2.5所示。所以B類(lèi)功率放大器雖然效率高了，但其造成了較大的失真。</p><p><b>　　圖2.5 交越失真</b></p>

40、<p>　　2.2.3 AB類(lèi)功率放大器</p><p>　　AB類(lèi)功放電路圖如圖2.6所示；</p><p>　　圖2.6 AB類(lèi)功放原理圖</p><p>　　AB類(lèi)放大器和B類(lèi)放大器非常相似，但是由于AB類(lèi)放大器在B類(lèi)放大器的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)消除交越失真的二極管，可以使兩個(gè)體積管在交替時(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通，因此也就改善了B類(lèi)放大器的交越失真現(xiàn)象，AB類(lèi)功放其

41、效率（70%-80%）不如B類(lèi)功放高，但其精度比B類(lèi)功放要高，因此常用作音頻功放使用?！　?lt;/p><p>　　2.2.4 D類(lèi)功率放大器</p><p>　　從以上介紹的各類(lèi)功放知，影響放大器效率的基本因素是無(wú)信號(hào)時(shí)的工作電流,所形成的直流功耗損失。無(wú)信號(hào)輸入時(shí),電流越大，效率越低。因此要提高效率則降低工作點(diǎn)，使無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，無(wú)直流損耗。但是由此帶來(lái)的結(jié)果是使信號(hào)導(dǎo)通角變得越來(lái)越小，波形

42、失真就越來(lái)越大，輸出信號(hào)的諧波就增加了，這樣就形成了兩個(gè)矛盾。</p><p>　　如果輸入波形的其邊緣很陡峭，降低工作點(diǎn)之后就對(duì)導(dǎo)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?lèi)毫拥臓顟B(tài)時(shí)使輸入波形完全變成矩形波，這種波形無(wú)論偏置如何變化，由于前后沿是垂直上升和下降的，導(dǎo)通狀態(tài)不會(huì)變化，這樣就形成了工作和脈沖放大狀態(tài)的D類(lèi)功率放大器。</p><p>　　D類(lèi)功放工

43、作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)電時(shí)沒(méi)有電流損耗，事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)電器還有微量電流,而導(dǎo)通時(shí)電路沒(méi)有完全短路，也就是有管子壓降，故還存在少量的管子壓降，正是由于此原因其效率才沒(méi)能到達(dá)100%，實(shí)際上其效率大約80%-90%之間，是實(shí)用放大器中效率最高。正是由于其效率高，100W的輸出設(shè)備大約損耗在十幾瓦，因此其散熱片就減小了許多，使電路板的體積表小。并且由于工作音頻高十倍的脈沖狀態(tài)， 電流整流紋波對(duì)電路工作影響很小。</p>

44、;<p>　　D類(lèi)功放和線性功放相比，在工效上有很到的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于線性功放來(lái)說(shuō)，偏置原件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗相當(dāng)大的功率。而D類(lèi)功放的晶體管只工作在開(kāi)光狀態(tài)，用來(lái)控制電流流過(guò)負(fù)載的電流方向。所以輸出級(jí)的功耗低。D類(lèi)功放的主要損耗在晶體管的導(dǎo)通阻抗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)電流開(kāi)銷(xiāo)。放大器的損耗主要以熱量的形式散耗。因此D類(lèi)功放對(duì)散熱片的要求大大減低，做的好的D類(lèi)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

45、用。</p><p>　　今年來(lái)，主要受到以下兩個(gè)因素的影響，使D類(lèi)功放在很多應(yīng)用領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。首先，市場(chǎng)的需求。D類(lèi)功放的某些特點(diǎn)推動(dòng)了手機(jī)、平板電腦等終端設(shè)備市場(chǎng)的迅速發(fā)展。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，揚(yáng)聲器和PTT模式需要D類(lèi)功放的高效率，以此來(lái)延長(zhǎng)電池的壽命。LCD平板顯示器的發(fā)展對(duì)電子器件提出了“低溫運(yùn)行”的需求，這是因?yàn)楣ぷ鳒囟鹊纳邔⒂绊戯@示顏色的對(duì)比度。而D類(lèi)功放的高效率意味著驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備時(shí)功耗更低

46、，使LCD平板在工作時(shí)發(fā)熱量更低，圖像顯示效果更好。影響D類(lèi)功放發(fā)展的第二個(gè)因素便是自身技術(shù)的發(fā)展，由于現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)市場(chǎng)需求，制造商們也在對(duì)D類(lèi)功放進(jìn)行改進(jìn)，使得D類(lèi)功放在有了更合理的價(jià)格的同時(shí)，也具備了和AB類(lèi)功放相近的音頻質(zhì)量。除此之外現(xiàn)在很多D類(lèi)功放輸出調(diào)制方案還可以降低實(shí)際應(yīng)用的EMI。</p><p>　　2.3 D類(lèi)功放的原理</p><p>　　2.3.1 D類(lèi)功

47、放的工作原理</p><p>　　D類(lèi)功率放大器的原理，首先將脈沖編碼調(diào)制（PCM，pulse code module）音頻數(shù)據(jù)流通過(guò)專(zhuān)門(mén)的等比特?cái)?shù)據(jù)處理器（EquibitDSP）變換成脈寬調(diào)制(PWM, pulse width modulation)的數(shù)據(jù)流，采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)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(hào)的幅度就越大。將這些脈寬調(diào)制的數(shù)據(jù)流去推動(dòng)功率放大器的常

48、規(guī)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(shí)而飽和導(dǎo)通，時(shí)而截止斷開(kāi)。晶體管導(dǎo)通工作越長(zhǎng)，信號(hào)幅值越大，于是晶體輸出管為揚(yáng)聲器提供的電流也是有時(shí)無(wú)。音頻信息就包含在這些接通和斷開(kāi)的周期過(guò)程中。脈沖信號(hào)再由晶體管放大后，便有LC低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原來(lái)的音樂(lè)聲波。</p><p>　　D類(lèi)功放的電路工作方式為開(kāi)光狀態(tài)，作為放大音頻正弦信號(hào)，還需要模\數(shù)轉(zhuǎn)換電路，即將模擬的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換脈

49、沖方波信號(hào)，從而進(jìn)行放大，其原理方塊圖如2.7所示；</p><p>　　圖2.7 D類(lèi)功放的原理方塊圖</p><p>　　由圖2.7的結(jié)構(gòu)可得，兩個(gè)放大器反向相接，實(shí)際上是構(gòu)成了推挽狀態(tài)，起到開(kāi)關(guān)作用其控制與電源串聯(lián)的負(fù)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，所以實(shí)際上成為數(shù)\模轉(zhuǎn)換電路。重新將脈沖波轉(zhuǎn)換成正弦波。從電路看，當(dāng)兩支形狀短路阻抗為0，開(kāi)路阻抗為無(wú)窮

50、大時(shí)，電路效率為100%。因?yàn)閾P(yáng)聲器為感性負(fù)載，對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器如中頻揚(yáng)聲器，D類(lèi)功放可以不經(jīng)過(guò)低通濾波器，直接和揚(yáng)聲器相連。</p><p>　　那么如何將音頻信號(hào)調(diào)制稱(chēng)為脈沖信號(hào)呢，如圖2.8就表示如何將正弦信號(hào)變成脈沖信號(hào)。</p><p>　　圖2.8 將正弦波變成脈沖波的原理</p><p>　　由圖可知讓脈沖信號(hào)的寬度受到正弦信號(hào)的調(diào)制，稱(chēng)之為PWM信

51、號(hào)，即“脈寬調(diào)制”信號(hào)。在此沒(méi)用應(yīng)用一般的概念的A/D變換電路，而是用一個(gè)幅度與放大的正弦信號(hào)近似的三角波，共同作為變換器的輸入，相當(dāng)于反向比較器，當(dāng)三角波幅度大于正弦波部分，變換電路輸出“1”，而當(dāng)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號(hào)變換成寬度隨正弦信號(hào)波幅變換的PWM波。</p><p>　　D類(lèi)功放使用的開(kāi)關(guān)管采用功率型MOSFET，即大功率場(chǎng)效應(yīng)管，并為保證足夠的激勵(lì)電

52、壓而設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，使FET能夠充分的開(kāi)啟和關(guān)斷。圖2.9是PWM波的頻譜，當(dāng)放大單一頻率的正弦波時(shí)，其頻譜中出去除低頻段存在與輸入信號(hào)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諧波而得到正弦基波成分，因此可使數(shù)模轉(zhuǎn)換電路十分簡(jiǎn)化。</p><p>　　圖2.9 PWM波的頻譜</p><p>　　2.3.2 D類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)</p><

53、p>　　在傳統(tǒng)的D類(lèi)功放中，輸出級(jí)包括提供瞬時(shí)連續(xù)輸出電流的晶體管。實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類(lèi)型包括A類(lèi)放大器、B類(lèi)放大器、AB類(lèi)放大器，與D類(lèi)放大器相比較，即使是最有線性的輸出級(jí)，它們的輸出級(jí)功耗也很大。這種差別使得D類(lèi)功放在許多應(yīng)用領(lǐng)域有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠涔牡投a(chǎn)生的熱量少，節(jié)約了電路板的面積，由此帶來(lái)的結(jié)果是節(jié)省了成本。并且能延長(zhǎng)便攜帶式電池的使用時(shí)間。和模擬功率相比較，D類(lèi)功率放大器具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：</

54、p><p>　?。?）直接接收CD等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號(hào)，直接以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行放大，體現(xiàn)了數(shù)字音源的完美結(jié)合。</p><p>　?。?）高、中、低頻無(wú)相對(duì)相移，聲音清晰透明，聲像定位準(zhǔn)確，由于使用了無(wú)負(fù)反饋的放大電路，數(shù)字濾波器等處理技術(shù)，可以使輸出濾波器的截止頻率設(shè)置得較高，從而保證在20HZ-20KHZ內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。</p><p

55、>　?。?）瞬態(tài)響應(yīng)好，即“動(dòng)態(tài)響應(yīng)”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(chǔ)備，再加上無(wú)模擬放大，無(wú)負(fù)反饋的制約，因此具有更好的“動(dòng)力”特征。</p><p>　?。?）無(wú)過(guò)零失真。傳統(tǒng)功放都存在由于對(duì)管配對(duì)以及各級(jí)調(diào)整匹配不加而產(chǎn)生的過(guò)零、交越失真。</p><p>　　（5）能量裝換效率高，體積小，可靠性高。好點(diǎn)量?jī)H為同功率級(jí)別的放大器的三分之一。

56、在電源使用率上高達(dá)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。</p><p>　　（6）適應(yīng)于打批量生產(chǎn)。產(chǎn)品性能好，生產(chǎn)中無(wú)需特性瑣的調(diào)節(jié)過(guò)程，只要保證原件安裝正確就行。</p><p>　　2.4 STC12C5410AD單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)、賴(lài)以生

57、存的必要條件。回顧單片機(jī)發(fā)展史我們看到早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因所以采取穩(wěn)妥方案即采用較高的分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻使得指令周期長(zhǎng)執(zhí)行速度慢。以后的CMOS單片機(jī)雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施但這種狀態(tài)并未徹底改觀。 </p><p>　　STC12C5410AD單片機(jī)是深圳宏晶科技有限公司的典型單片機(jī)產(chǎn)品，采用了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，片內(nèi)集成：10KBFlash程序存

58、儲(chǔ)器、2KB數(shù)據(jù)Flash（EEPROM）、512BRAM、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、最多27根I/O口線、全雙工異步串行口（UART）、高速同步通信端口（SPI）、8通道10位。STC12C5410AD具有在系統(tǒng)可編程功能，可以省去價(jià)格較高的專(zhuān)門(mén)編程器，開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建非常容易。</p><p>　　STC12C5410AD單片機(jī)是高速、低功耗的新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，STC12系列單片機(jī)是美國(guó)STC公司在80

59、51單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較大改進(jìn)推出的一款增強(qiáng)型8051單片機(jī)。STC12單片機(jī)從內(nèi)核到指令，完全兼容8051的單片機(jī)；C代表工作電壓在5．5～3．8V；12代表CPU同樣的工作頻率時(shí)，速度是8051的12倍；54代表RAM是512B，PCA／PW M是4路；10代表程序存儲(chǔ)空間大小10 KB。AD表示有A／D轉(zhuǎn)換功能，共計(jì)有8個(gè)ADC口，分別是P1．0～P1．7。可以通過(guò)編程設(shè)定其中任意一路為A／D轉(zhuǎn)換口(需要將選中的I／O口

60、設(shè)定為開(kāi)漏和高阻模式)和設(shè)定轉(zhuǎn)換速率，最快轉(zhuǎn)換速率為210個(gè)時(shí)鐘周期／次(最快速度可達(dá)200kHz)，另外3種選擇為420個(gè)時(shí)鐘周期／次，630個(gè)時(shí)鐘周期／次，840個(gè)時(shí)鐘周期／次。I／O口共計(jì)23個(gè)接口，分別是P1口8個(gè)、P2口8個(gè)、P3口7個(gè)；有內(nèi)置復(fù)位電路，可以通過(guò)軟設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)位。</p><p>　　3 基于單片機(jī)D類(lèi)功率放大器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

61、方案</p><p>　　單片機(jī)D類(lèi)功放由于其效率高易與數(shù)字音源對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)實(shí)生活中具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它主要包含三部分PWM變換和功率放大及濾波圖3.1為單片機(jī)的D類(lèi)功放基本框圖。</p><p>　　圖3.1單片機(jī)D類(lèi)功放基本框圖</p><p>　　其中PWM變換大致有兩種.一是模擬PWM即將輸入的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A后與三角波進(jìn)行比較這種變換必須

62、要有頻率上百kHz、線性度好、滿幅的三角波.而且還要有高速模擬比較器否則將影響PWM 波形在解調(diào)后的波形.這些都將增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度使用集成D類(lèi)功放或D類(lèi)控制芯片另當(dāng)別論。二是數(shù)字PWM即將輸入數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)經(jīng)A/D后與計(jì)數(shù)器相比較。即用計(jì)數(shù)的方法代替三角波從而避免了三角波非線性所引起的失真。同傳統(tǒng)的模擬方式相比.數(shù)字方式具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單效率更高抗干擾性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而Mega8單片機(jī)中的定時(shí)器1可以工作在PWM模式它只要將AD中的值移

63、到PWM 的輸出比較寄存器中即可完成PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)便。</p><p>　　3.2 硬件系統(tǒng)部分</p><p>　　本設(shè)計(jì)的硬件電路分為三大部分包括前置放大、A/D與PWM 轉(zhuǎn)換、功率放大及濾波。其硬件電路原理圖如圖3.1所示。當(dāng)系統(tǒng)的信號(hào)輸入接到信源信號(hào)先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器NE5532P放大電路將傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)放大后再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行A/D與PWM變換最后由推挽放大電路和LC低通

64、濾波器輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的功率放大功能。系統(tǒng)硬件電路如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2單片機(jī)D類(lèi)功放的整體電路</p><p><b>　?。?）前置放大電路</b></p><p>　　由NE5532P組成的前置放大電路是一個(gè)同相輸入比例放大器，電路的閉環(huán)特性如下，理想閉環(huán)電壓增益：Au=1+R2/R1擴(kuò)音機(jī)電路的增益是很高的

65、，所以擴(kuò)音機(jī)的噪聲主要取決于前置放大器的性能。為了減小前置級(jí)放大器的噪聲，第一級(jí)要選用低噪聲的運(yùn)放。另外，如輸入線的屏蔽情況，地線的安裝等等都對(duì)噪聲有很大影響。電路如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.3前置放大電路</p><p>　　該電路實(shí)現(xiàn)典雅的放大倍數(shù)為：Au=1+R2/R1=6</p><p>　?。?）A/D與PWM轉(zhuǎn)換</p>&

66、lt;p>　　圖3.4 STC12C5410AD單片機(jī)</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用價(jià)格低廉的STCl2C5410AD單片機(jī)，STC12C5412AD帶有24個(gè)I/O引腳，它的I/O與傳統(tǒng)的I/O不同，每個(gè)I/O口均可由軟件設(shè)置成4種工作類(lèi)型之一，使得功能口和通用I/O口復(fù)用。4種類(lèi)型分別為:準(zhǔn)雙向(標(biāo)準(zhǔn)8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開(kāi)漏輸出功能。在對(duì)同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)

67、現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。其中一些I/O口還可以與STC12C5410AD中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。此外STC12C5410AD的I/O端口電氣特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有6mA的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于一般的液晶顯示屏、蜂鳴器可以直接驅(qū)動(dòng)而無(wú)需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便地與外圍器件相接。</p>

68、<p>　　STCl2C5410AD單片機(jī)有PCA模塊都可用作PMW輸出。輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所有它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL,CCAPnL}有關(guān)。當(dāng)CLSFR的值小于{EPCnL, CCAPnL}時(shí)，輸出為低，當(dāng)PCA CL SFR的值等于或大于{EPCnL, CCAPnL}時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出

69、時(shí)，{EPCnH, CCAPnH}的內(nèi)容裝載到{EPCnL,CCAPnL}中。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新PWM。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。</p><p>　　（3）D類(lèi)功放及低通濾波器</p><p>　　D類(lèi)功放是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。其最大輸出功率由負(fù)載、電源電壓和晶

70、體管允許流過(guò)的電流來(lái)決定。設(shè)計(jì)這部分電路時(shí)，本設(shè)計(jì)給單片機(jī)供電，采用雙電源供電，曾嘗試用推挽放大電路，工作時(shí)輸出耦合電容前端電壓約為2.5V，表現(xiàn)為輸出功率和效率很低。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出的0～5V 的PWM 脈沖信號(hào)不能使這只NPN型管子完全導(dǎo)通所致(輸出耦合電容前端電壓會(huì)抬高，正常工作時(shí)這點(diǎn)電壓約為1/2 供電壓)，電路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 D類(lèi)功放 </p><p

71、>　　低通濾波器，此部分的作用，是把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來(lái)，其方法是用一個(gè)低通濾波器。由于此時(shí)電流很大，而RC 結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，因此必須使用LC 低通濾波器。當(dāng)占空比大于1:1 的脈沖到來(lái)時(shí)，C 的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸出電平上升；當(dāng)窄脈沖到來(lái)時(shí)，放電時(shí)間大于充電時(shí)間，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化一致，所以原音頻信號(hào)被恢復(fù)出來(lái)，波形如圖3.6所示。</p><p

72、><b>　　圖3.6</b></p><p>　　低通濾波器的性能對(duì)音質(zhì)的影響很大，該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。好在D類(lèi)功放的輸出阻抗小對(duì)音響的阻抗，如4Ω、8Ω不是很敏感。由于PWM率高，本設(shè)計(jì)只用了一個(gè)電感和一電容的低通濾波器如圖3.5所示。</p><p>　　(4)硬件安裝和調(diào)試</p><p>　　外觀檢查：檢查

73、是否有碰線、短路現(xiàn)像，元器件安裝是否正確，器件引腳的接法是否正確。特別要注意的是，正、負(fù)電源及輸出端的接線不能接錯(cuò)。用萬(wàn)用表電阻檔，檢查電路安裝是否有開(kāi)路、短路或接觸不太好的問(wèn)題。靜態(tài)測(cè)試檢查：經(jīng)過(guò)上面的檢查，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后，用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)直流電壓輸出的電壓，調(diào)整到所需數(shù)值，電源關(guān)斷后接入電路中，并認(rèn)真檢查，確保電源正確、可靠地接入電路，然后接通直流電源。將電路的信號(hào)輸入端對(duì)地短路，用萬(wàn)用表直流電壓擋測(cè)量工作時(shí)輸出耦合電容前端電壓

74、是否約為1/2Vcc的輸入信號(hào)。</p><p>　　3.3 軟件系統(tǒng)部分</p><p>　　該系統(tǒng)軟件是由AD中斷服務(wù)程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、PWM程序組成。</p><p>　　系統(tǒng)上電后AD中斷程序、時(shí)鐘中斷程序、PWM程序首先進(jìn)行初始化然后在程序運(yùn)行初始階段進(jìn)行音量的AGC控制。考慮到人耳對(duì)接收聲音強(qiáng)度的對(duì)數(shù)關(guān)系放大器的增益從2 倍到20 倍間設(shè)計(jì)成對(duì)數(shù)增

75、加方式而無(wú)須手動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)從而使輸出能保證在一定范圍內(nèi)以使放大器工作在線性區(qū)。具體程序流程框圖見(jiàn)圖3.7所示。</p><p><b>　　開(kāi)始</b></p><p><b>　　結(jié)束</b></p><p>　　圖3.7 主程序流程圖</p><p>　　STC12C5410AD的AD轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)

76、換精度要求低于10位時(shí)ADC的采樣時(shí)鐘可以高于200kHz，因而可獲得更高的采樣率。另外設(shè)置SFIOR 寄存器中的ADHSM 位可提高ADC的時(shí)鐘頻率。本系統(tǒng)采用ADC內(nèi)部參考電源和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式并選用ADC4通道精度為8位實(shí)驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)40 kHz。</p><p>　　PWM的A、B通道初始化采用相同的工作方式零輸入時(shí)A、B同相輸出。而當(dāng)正信號(hào)輸入時(shí)A通道的脈寬增加此時(shí)由于B 通道的比較值與A 通道互補(bǔ)

77、所以B通道脈寬減少當(dāng)有負(fù)信號(hào)輸入時(shí)A通道的脈寬減少B通道的脈寬增加。</p><p>　　在源程序中首先定義了AD中斷PWM模式端口配置初始化設(shè)定好AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出的端口以及高低電平接著啟動(dòng)ADC進(jìn)行ADC采樣得到的值除以4是為了提高精確度然后賦值給ORC1AORC1B=255-ORC1A即PWM。通過(guò)讀取按鍵值確定有按鍵按下有則啟動(dòng)PWM??產(chǎn)生PWM波形如果再按下按鍵則關(guān)閉PWM在讀取按鍵啟動(dòng)與關(guān)閉PWM

78、中我還加了個(gè)防抖動(dòng)當(dāng)按鍵按下時(shí)間不超過(guò)一定延時(shí)則不執(zhí)行任何操作這樣保證了在按鍵過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的操作確保了程序運(yùn)行時(shí)信號(hào)輸出的完整性具體源程序見(jiàn)附錄。</p><p>　　利用單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比隨模擬信號(hào)電壓變化的PWM信號(hào)。這里選用價(jià)格低廉的STCl2C5410AD單片機(jī)。該單片機(jī)運(yùn)行速度是普通8051單片機(jī)的數(shù)倍，并且司以使用高達(dá)40MHz的外部晶振。AD采樣速率可達(dá)250kH

79、z。與使用運(yùn)放+三角波形作為基準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生PWM 的方法相比，此方案更容易產(chǎn)生波形、頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的PWM波。由于一般音源的輸出信號(hào)較為微弱，在AD采樣前要加預(yù)放(如沒(méi)有設(shè)計(jì)預(yù)放而會(huì)引起輸出功率偏低)。為適應(yīng)單片機(jī)+5V 的工作模式，還需要在模擬信號(hào)上疊加+2.5V 直流電壓。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置為單片機(jī)AD 采樣基準(zhǔn)電壓的1/2，則單片機(jī)輸出方波的占空比為1:1。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，在信號(hào)的正半周期間，單片機(jī)輸出方波高電平的時(shí)間

80、比低電平長(zhǎng)，占空比大于1:1；在信號(hào)的負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以單片機(jī)采樣腳的電平仍然大于零，方波占空比小于1:1。這樣，單片機(jī)輸出的就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，即PWM (Pulse Width Modulation 脈寬調(diào)制)。</p><p>　　順便提一下，PWM 和PDM(Pulse DurationModulation 脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制)還是有區(qū)別的，PDM是高電平寬度固定低電

81、平寬度隨調(diào)制信號(hào)變化的方波，即單位時(shí)間內(nèi)“標(biāo)準(zhǔn)脈沖”個(gè)數(shù)可以被信號(hào)調(diào)制。其好處是高頻能量分布在更廣的頻率范匪內(nèi)，而不是像PWM 那樣，由于載頻固定，高頻能量集中在載頻倍頻的音調(diào)中。下面介紹AD 轉(zhuǎn)換和PWM 程序設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　方法1:在主程序中左右聲道PWM 開(kāi)始的同時(shí)，進(jìn)行左右聲道AD 采樣，在AD 采樣子程序中一次采樣左右聲道，完成后等待一段時(shí)間再刷新左右聲道PWM0、PWMl 的CCAPL

82、0、CCAPLl比較寄存器，作為下一次PWM 的數(shù)據(jù)。這樣做的好處是，在PWM 的同時(shí)可以進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，充分利用CPU時(shí)間，其缺點(diǎn)是AD采樣時(shí)可能會(huì)引入PWM 噪聲，并且不能準(zhǔn)確控制刷新PWM比較寄存器的時(shí)間，波形見(jiàn)圖4.1。</p><p>　　圖3.8 前置放大電路</p><p>　　方法2:與方法1 相似，只要是使能PWM 中斷，在中斷處理程序中刷新左右聲道PWMO、PVMl的C

83、CAPL0、CCAPLl 比較寄存器。</p><p>　　方法3:在主程序中開(kāi)啟左右聲道PWM，并使能PWM 中斷，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)。在中斷處理程序中進(jìn)行AD 采樣，然后刷新PWM 比較寄存器。其缺點(diǎn)是:PWM 完成后才進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，令采樣頻率變低。經(jīng)反復(fù)比較后，筆者選用了方法2，部分程序如下:</p><p><b>　　AD 采樣子程序:</b></p>

84、;<p>　　voidAD(void) ////方法2</p><p>　　{ //采樣左聲道8.4μ,s//</p><p>　　ADC_CONTR=0xEC;∥選擇通道p1.4 并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。</p><p>　　_nop_()；_nop_()；_op_()；_nop_()；_nop_0；</p><p>　　while(AD

85、C_CONTR!=OxF4)；/////等待AD 轉(zhuǎn)換完成</p><p>　　ADC_CONTR=0xE4；</p><p>　　AD_resuIt_LEFT=(0xFF-ADC_DATA) ；////STCl2C5202AD 單片機(jī)PWM 默認(rèn)CCAPLO 小于待比較值時(shí)輸出低電平，且此模式不像MEGA 系類(lèi)單片機(jī)那樣可以設(shè)置。為了PWM 和采樣值一致，需與OxFF 做差值。//采樣右

86、聲道8.4μs//</p><p>　　ADC_CONTR=0xEE；//選擇通道p1.6 并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。</p><p>　　_nop_()；_nop_()；-nop_()；_nop_()；_nop_0；</p><p>　　while(ADC_CONTR!=0xF6)；/////等待AD 轉(zhuǎn)換完成</p><p>　　ADC_CONTR=0

87、xE6；</p><p>　　AD_result_RIGHT=(OxFF-ADC_DATA)；</p><p><b>　　}</b></p><p>　　PWM 中斷子程序:</p><p>　　voidPCA_nt(void)interrupt 7/////2///3</p><p><

88、b>　　{</b></p><p>　　CF=0；//清空溢出標(biāo)志</p><p>　　CAPOH=AD_result_LEFT；////PWM0//刷新比較寄存器的數(shù)據(jù)</p><p>　　CCAPlH=AD_result RIGHT；////PWMl</p><p><b>　　}</b></

89、p><p>　　4 整體系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和存在問(wèn)題及改進(jìn)</p><p>　　4.1 整體設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　基于單片機(jī)的D類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)研究工作已經(jīng)基本結(jié)束?.經(jīng)過(guò)大量的查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn).對(duì)系統(tǒng)不斷研究和改進(jìn).較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期研究設(shè)計(jì)目標(biāo)。本系統(tǒng)沿用了傳統(tǒng)功率放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。由于傳統(tǒng)功率放大器的電路設(shè)計(jì)思想已經(jīng)沿用了幾十年了電路理論成型比較完整所以沿用此

90、設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)起來(lái)會(huì)比較順利設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)效果成熟、穩(wěn)定。突出的特點(diǎn)在于結(jié)合了STC12C 單片機(jī)和場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字功放?.使得所設(shè)計(jì)的D類(lèi)功率放大器具有功耗低?.成本低?.電路簡(jiǎn)單?.放大信號(hào)失真低?.效率高。并且從前置放大級(jí)、信號(hào)處理級(jí)到功率放大級(jí)都選用優(yōu)質(zhì)的集成芯片?.不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、并能有效保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地工作。在功能方面靈活性好可擴(kuò)展性強(qiáng)通過(guò)調(diào)整程序還可滿足不同需求.若再加一片存儲(chǔ)器即可實(shí)現(xiàn)錄音、復(fù)讀、設(shè)定播放時(shí)間和顯

91、示音量等。而這些功能僅僅通過(guò)集成D 類(lèi)功放是無(wú)法完成的。</p><p>　　4.2 存在問(wèn)題及改進(jìn)</p><p>　　本系統(tǒng)仍然存在有一些細(xì)節(jié)上的問(wèn)題.如果能夠更深入地對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究也許能使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加完美。遺憾的是.設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能比較簡(jiǎn)單?.而且由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間比較倉(cāng)促未能按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向做出實(shí)物但在整個(gè)設(shè)計(jì)研究和論文寫(xiě)作過(guò)程中還是能針對(duì)功率的提高和不失真較好地完成工作任務(wù)。希望

92、在以后能改善本設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)更完整和功能更豐富些。</p><p>　　新的技術(shù)飛躍往往是新材料、新理論、新方法的出現(xiàn)之后產(chǎn)生的功率放大器同樣</p><p>　　也不會(huì)例外。在科技日新月異的時(shí)代?.我們有理由期待更完美的功率放大器的出現(xiàn)。</p><p>　　4.3 硬件安裝和調(diào)試</p><p>　　外觀檢查：檢查是否有碰線、短路現(xiàn)像，元器件

93、安裝是否正確，器件引腳的接法是否正確。特別要注意的是，正、負(fù)電源及輸出端的接線不能接錯(cuò)。用萬(wàn)用表電阻檔，檢查電路安裝是否有開(kāi)路、短路或接觸不太好的問(wèn)題。</p><p>　　靜態(tài)測(cè)試檢查：經(jīng)過(guò)上面的檢查，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后，用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)直流電壓輸出的電壓，調(diào)整到所需數(shù)值，電源關(guān)斷后接入電路中，并認(rèn)真檢查，確保電源正確、可靠地接入電路，然后接通直流電源。將電路的信號(hào)輸入端對(duì)地短路，用萬(wàn)用表直流電壓擋測(cè)量工作時(shí)輸

94、出耦合電容前端電壓是否約為1/2Vcc的輸入信號(hào)。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　單片機(jī)D類(lèi)功放的工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)D類(lèi)功放所采用的技術(shù)其實(shí)就是脈寬調(diào)制技PWM(Pulse Width Modulation)。所謂脈寬調(diào)制技術(shù)也就是把模擬音頻信號(hào)的幅度來(lái)調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度。這樣，一個(gè)模擬音頻信號(hào)就變成了一系列寬度受到調(diào)制的等幅

95、脈沖信號(hào)。為什么要這樣做呢？因?yàn)檫@時(shí)候，要把號(hào)放大，只要對(duì)這系列的脈沖信號(hào)放大就可以了。而原來(lái)的模擬信號(hào)并不是包含在這個(gè)脈沖信號(hào)的幅度之中，而是包含在它的寬度之中。只要把這個(gè)放大以后的脈寬調(diào)制信號(hào)中所包含的低頻分量濾出來(lái)就可以得到放大以后的音頻信號(hào)。在沒(méi)有信號(hào)的時(shí)候，輸入信號(hào)就是對(duì)稱(chēng)方波。所以如果在放大的時(shí)候，幅度上產(chǎn)生失真并不會(huì)使原來(lái)的音頻信號(hào)產(chǎn)生失真。在這種情況下的放大器就可以完全工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，晶體管的效率是很高的

96、。因?yàn)樵谕耆珜?dǎo)通的時(shí)候晶體管的電流很大但是壓降很小(由其飽和電阻決定)，而在截止的時(shí)候，加在晶體管的電壓很高，但是流過(guò)晶體管的電流很小(只是其漏電流而已)。同時(shí)還可以使晶體管在沒(méi)有音頻信號(hào)時(shí)完全工作在截止?fàn)顟B(tài)，這樣其效率就更高。這個(gè)等幅矩形波的幅度被放大以后，還要還原成原來(lái)的音頻信號(hào)，這只要用一個(gè)低通濾波器濾</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

97、t;　　[1]王連英.張永生.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社2008</p><p>　　[2]邱寄帆.唐程山.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社出版發(fā)行2011 </p><p>　　[3]葛中海.尤新芳.Protel DXP 2004簡(jiǎn)明教程與考證指南[M].北京：電子工業(yè)出版2010</p><p>　　[4]劉 騁.高頻電子技術(shù)[M].北

98、京：人民郵電出版社2005</p><p>　　[5]解中秀.電力電子變流技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社1999</p><p>　　[6]張濤.電力電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社2009</p><p>　　[7]田麗潔.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社2009</p><p>　　[8]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)

99、計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社2006</p><p>　　[9]李誠(chéng)誠(chéng).D類(lèi)音頻功率放大器的研究[J].皖西學(xué)院學(xué)報(bào)2012</p><p>　　[10]高波.高保真數(shù)字音頻功放[D].湖南大學(xué)2008</p><p>　　[11]倪磊.D類(lèi)音頻功率放大器的分析和設(shè)計(jì)要素[J]2008</p><p><b>　　致謝&l

100、t;/b></p><p>　　時(shí)間飛逝，歷時(shí)兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束之際，在我的指導(dǎo)老師王勇軍老師的指導(dǎo)下，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成，再此真誠(chéng)的感謝您的指導(dǎo)，祝您工作順利。</p><p>　　在這項(xiàng)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于一邊需要復(fù)習(xí)考試，一邊要做設(shè)計(jì)，在這設(shè)計(jì)過(guò)程中脫了很多的時(shí)間，再次真誠(chéng)的感謝王勇軍老師的指導(dǎo)和幫助與支持，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，離不開(kāi)老師的真誠(chéng)幫助。</

101、p><p>　　至此，三年前收到桂林電子科技大學(xué)錄取通知書(shū)的情景還歷歷在目，三年來(lái)在北海的海風(fēng)吹拂下，在籃球場(chǎng)上仰望蒼穹，實(shí)驗(yàn)室里奮發(fā)苦學(xué)，轉(zhuǎn)眼間已是即將畢業(yè)，回首過(guò)去的日子，心酸和汗水、快樂(lè)和憂傷都留著在桂電北海校區(qū)的懷抱里，這些都成為了我真誠(chéng)的回憶，甜美和歡笑也都?jí)m埃落定。隨著那心底一縷樓前人工的湖水，珍藏于記憶的深處。明天將是一片朝陽(yáng)，等待著我們昂首闊步，再創(chuàng)輝煌！</p><p>　　

102、在這三年的時(shí)間里，坎坷和收獲永遠(yuǎn)是相伴的，但不論是成功也好，失意也罷，許多親愛(ài)的老師和可愛(ài)的朋友們都是一如既往的給我支持和幫助。在這三年的時(shí)間了，正是有了他們的支持和幫助，陪伴著我走過(guò)了美好的大學(xué)三年，走過(guò)了大學(xué)路上的酸甜苦辣，求學(xué)的艱辛歡樂(lè)，如果沒(méi)有他們，也沒(méi)有我美好的大學(xué)回憶，對(duì)他們的感激之情無(wú)法用言語(yǔ)來(lái)表達(dá)，只能在此化作一句祝你們前程似錦。</p><p>　　再次衷心的感謝王老師，感謝你的建議和幫助。&l

103、t;/p><p>　　最后，衷心的祝福培養(yǎng)我的大學(xué)母校桂林電子科技大學(xué)北海校區(qū)，感謝電子信息工程系。</p><p>　　2013年10月25日</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附圖1單片機(jī)D類(lèi)功放總原理圖</p><p>　　附圖2單片機(jī)D類(lèi)功放PCB圖</p&g

104、t;<p>　　袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂

105、艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇

106、蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈</p><p>　　芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅

107、薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈