基于单片机的程控D类音频功率放大器

编号毕 业 设 计 (论 文 )基于单片机的程控 D 类音频功率放大器Programmable Class-D Audio Power Amplifier Based on MCU学 院 名 称专 业 名 称学 生 姓 名学 号指 导 教 师2015 年 6 月 28 日本科生毕业设计（论文）I摘 要基于单片机的程控 D 类音频功率放大器主要运用基本电子技术基础、单片机控制技术、D 类音频功率放大技术、功率变换技术等专业知识，设计由通用型单片机控制实现的程控 D 类音频功率放大器，具有基本的双路音频功率放大功能、单片机程控音频回啸检测抑制等功能。本设计是基于 MSP430 单片机及其外围的控制电路来实现的。主要由七大部分组成：拾音电路、程控电路、D 类音频功率放大器、主控单元，啸叫检测，回啸抑制以及开关稳压电源电路。由单片机程控音频功率放大器、检测并抑制啸叫。D 类音频功率放大器采用 D 类音频功率放大器专用芯片，由 H 桥作为功率输出级，使得其输出没有传统的 LC 滤波器的情况下可直接驱动感性负载，它的输出功率较大，失真小，且具有过载保护功能。开关稳压电源提供 12V 直流电源为 D 类音频功率放大器供电，再经降压为单片机提供 3.3V 的直流电。拾音电路通过单片机控制检测回啸并用带阻滤波器程控抑制回啸，将音频输入程控 D 类音频功率放大器。该系统具有效率高、功耗低、体积小，专业性强等显著优点，可以满足各类用户的音频功放和高保真的要求，主要在汽车音响、教育教学、便携式音响系统和大功率音频视频等领域有广泛的应用。关键词： D 类功率放大器；功率放大器; 啸叫检测；回啸抑制本科生毕业设计（论文）IIAbstractProgrammable Class-D audio power amplifier based on MCU mainly uses professional knowledge like basic electronic technology, MCU control technology, Class-D audio power amplifier technology and power conversion technology This graduation project mainly designs programmable Class-D audio power amplifier based on MUC, it is a programmable Class-D audio power amplifier of real-time detecting and suppressing the howling by MUC, with a basic two-way audio power amplification function and howling suppression function. The programmable class-D audio power amplifier design is achieved on the basis of MSP430 MCU and peripheral control circuits. It is mainly divided into seven parts: pickup circuit, programmable circuit, and Class-D audio amplifier, the main control unit, howling detection, howling suppression and switching mode power supply. The system adopts MCU to control Class-D audio power amplifier, and to detect and suppress the howling. Class-D audio power amplifier adopts Class-D audio power amplifier ASIC, which uses H-bridge as a power output stage so that it can directly drive inductive load，its output power is larger, distortion is low. The system adopts switching power supply to provide a 12V DC power to, Class-D audio power amplifier and then reduce pressure to provide 3.3V DC power to MCU. Pickup circuit, detect the howling by MCU and suppress the howling by band-stop filter, finally input the audio to the programmable class-D audio power amplifier.This system has high efficiency, low power consumption, small size and other significant advantages. It meets users requirements of audio power amplifying and high definition, and it is mainly used in the field of car audio, education, portable sound system and power audio video.Key words: Class-D power amplifier; power amplifier; howling detection; howling suppression本科生毕业设计（论文）III目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 音频功率放大器的设计背景 .11.2 D 类音频功率放大器国内外发展现状 .21.3 主要技术指标 .21.4 本章小结 .3第 2 章 系统整体设计及各单元方案论证 .42.1 系统整体设计框图 .42.2 系统总体方案分析 .42.3 各部分单元方案论证 .52.3.1 主控单元电路设计 .52.3.2 D 类音频功率放大器电路 .62.3.3 拾音电路 .72.3.4 带阻滤波电路 .82.3.5 开关稳压电源电路 .82.4 本章小结 .9第 3 章 各单元硬件电路设计 .103.1 主控单元电路设计 .103.1.1 芯片介绍 .103.1.2 工作原理 .123.1.3 主控单元最小系统 .123.2 D 类音频功率放大器电路设计 .133.2.1 芯片介绍 .133.2.2 工作原理 .143.2.3 硬件电路图 .163.3 拾音电路及带阻滤波器电路设计 .163.3.1 芯片介绍 .163.3.2 工作原理 .173.3.3 硬件电路图 .183.4 程控电路设计 .193.4.1 芯片介绍 .193.4.2 工作原理 .203.4.3 硬件电路图 .213.5 开关电源稳压电路设计 .21本科生毕业设计（论文）IV3.5.1 芯片介绍 .213.5.2 工作原理 .243.5.3 开关电源稳压电路图 .253.6 本章小结 .26第 4 章 各单元软件电路的设计 .274.1 开发环境 .274.2 总体设计软件流程图 .274.3 子程序流程图 .284.3.1 A/D 检测子程序 .284.3.2 音量控制子程序 .294.4 本章总结 .30第 5 章 系统综合测试和分析 .315.1 测试环境 .315.1.1 测试框图 .315.1.2 测试仪器说明 .315.2 测试结果 .325.2.1 性能分析 .325.2.2 测试结果 .335.3 本章小结 .34第 6 章 结论 .35参考文献 .36致 谢 .38附录 I.39附录 II .50附录 III .51附录 IV.55本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 音频功率放大器的设计背景随着人们生活水平的提高，人们对电子产品质的要求越来越高，音频质量的好坏也就成为了人们关注的焦点，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。而功率放大器是放大音频功率的设备，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要求和成本要求，但线性功率放大器已不能适应如今消费者的生活需求， D 类音频功放的效率远比那些线性功放高得多，理论上能达到 100%，而实际上也能达到 85%以上，如今已经开发出无需输出滤波的 D 类功率放大器的集成芯片，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。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，要么工作在截至态，因此可以减少开关管晶体管的功耗损失，从而增强放大器的功率。正是其开关特性，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。 在音响领域里人们一直坚守着 A 类功放的阵地。认为 A 类功放声音最为清晰，具有很高的保真度。但是，A 类功放的低效率和高损耗却是其无法克服的缺点。 B 类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为 50%左右，由于其效率偏低，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。依据今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同之处，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。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。总之，程控 D 类音频功率放大器现已成为一种流行趋势，相比于传统的线性音频功放具有效率高、功耗低、体积小等显著优点。基于开关模式的 D 类音频功率放大器,在便携式和大功率音视频领域中具有广阔的发展前景。因此,设计一种失真度小、输出功率大、效率高、能检测和抑制回啸、具有过载保护功能的程控 D 类音频功放具有很重要的现实意义。本科生毕业设计（论文）21.2 D 类音频功率放大器国内外发展现状为了提高音频功率放大器的效率，科技人员曾进行了多年研究，做了大量的研究试验工作。早些时候人们已经论证了 D 类音频功率放大器的存在。但是，早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足 D 类音频功率放大器的技术要求。因此，对D 类音频功率放大器的研究开发遇到了相当的困难，研究开发一直停留在理论上。近几年 D 类音频功率放大器研究开发有了突破性进展。 近几年，国际上加紧了对 D 类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及公司已试验性地向市场提供了 D 类音频功率放大器评估模块及技术。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、教学、电子工业、商业界的特别关注。国外几家公司在 D 类音频功率放大器的研究及开发方面取得了一定的进展，他们为了提前占领数字音频功率放大器的市场，用他们自己研制的专用 IC 及器件，采用专门技术做成“评估模块”，如：LM4651、LM4652 组合（170W）D 类音频功率放大器；CS44210、IRCS8001 组合（50W）D 类音频功率放大器； Tripath Technology 公司推出的“T 类音频功率放大器”；Microsemi 公司推出 LXE1710 评估套件，且声称他们采用了不同于 D 类音频功率放大器的技术，但经分析研究，我们认为，这些音频功率放大器是 D 类音频功率放大器的派生。经短暂几年的发展，目前国外以商业化 D 类音频功率放大器产品为主。国内有几家公司研究开发了 D 类音频功率放大器，但大多采用的是国外 “评估件”、专用 IC，开发成本高，如：成都天奥集团投资 45 万人民币在其博士后工作站研究D 类音频功率放大器，目前国内研究的 D 类音频功率放大器能适应低、中、高压电源供电，能输出中功率、大功率及超大功率。 1.3 主要技术指标本毕业设计主要设计基于单片机的程控 D 类音频功率放大器，它是一种通过单片机实时检测并抑制回啸的程控 D 类音频功率放大器，具有基本的双路音频功率放大功能，具有回啸抑制等功能。要求达到的主要技术参数表如下表 1.1 所示。表 1.1 主要技术参数表技术指标 技术参数整体电路供电电源市电 220V10%/50Hz直流电源 12V（914.4V）工作温度 0-45频率范围 45Hz18kHz输出正弦波失真 5%输出功率 20W2具有输出功率过载保护功能本科生毕业设计（论文）3回啸抑制 -3dB1.4 本章小结本章开始先描述了基于单片机的程控 D 类音频功率放大器的设计背景，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。接下来介绍了它的用途以及设计的意义，程控 D 类音频功率放大器现已成为一种流行趋势，具有很重要的现实意义，而且在便携式和大功率音视频领域中具有广阔的发展前景。通过国内外形势的对比介绍当前世界对该放大器的的需求状态以及发展状况，最后阐述了整个设计的具体内容和设计的要求与指标，明确了设计的具体方向。本科生毕业设计（论文）4第 2 章 系统整体设计及各单元方案论证2.1 系统整体设计框图程控 D 类音频功率放大器设计是基于 MSP430 单片机及其外围的控制电路来实现的。本设计主要由七大部分组成：拾音电路、程控电路、D 类音频功率放大器、主控单元，啸叫检测，回啸抑制以及开关稳压电源电路。由单片机程控音频功率放大器、检测并抑制啸叫。D 类音频功率放大器采用 D 类音频功率放大器专用芯片，由 H 桥作为功率输出级，使得其输出没有传统的 LC 滤波器的情况下可直接驱动感性负载，它的输出功率较大，失真小，且具有过载保护功能。开关稳压电源提供 12V 直流电源为D 类音频功率放大器、拾音电路、程控电路以及带阻滤波器供电，再经降压为单片机提供 3.3V 的直流电。信息源先通过拾音电路，然后通过单片机控制检测回啸并用带阻滤波器程控抑制回啸，最后将音频输入程控 D 类音频功率放大器。回啸的检测是通过A/D 检测，检测电压最高峰值，据此检测对应的频率作为中心频率，回啸的抑制是用带通滤波器，滤除以中心频率为中心的一定范围内的音频信号。系统方案结构框图如图 2.1 所示。220V交流电MSP430G2553 单片机开关电源检测回啸信号源拾音电路程控电路抑制回啸D 类音频功放图 2.1 基于单片机的程控 D 类音频功率放大器系统方案结构图2.2 系统总体方案分析本设计主要由七大部分组成：拾音电路、程控电路、D 类音频功率放大器、主控单元、啸叫检测、回啸抑制以及开关稳压电源电路。主控单元电路设计主控单元主要是通过单片机程控音频功放，对音频功放输出的音频进行 A/D 检测以检测啸叫，控制带阻滤波器的中心频本科生毕业设计（论文）5率以更高效地抑制回啸。主控单元作为整个系统的核心单元具有稳定、结构简单可靠，成本较低等优点。系统采用的单片机，具有功耗超低、处理能力强大、系统工作稳定、开发环境方便容易高效等特点。D 类音频功率放大器电路设计D 类音频功率放大器是本系统的核心芯片，用于放大音频功率驱动扬声器。本设计的音频功率放大器具有 20W 单声道、无需外加滤波器的 D 类音频放大器，供电范围为 8V26V；采用 H 桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的 LC 滤波器的情况下直接驱动感性