毕业论文涂俊华

1、 20112011 届毕业设计（论文）届毕业设计（论文） 材材 料料 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 涂 俊 华 指导教师： 王 韧 职 称： 副教授 专 业： 电子信息工程技术 班 级： 电信 0802 学 号： 08400230247 2 0 1 1 年 5 月 材料清单材料清单 1、毕业设计（论文）课题任务书 2、指导教师评阅表 3、答辩及最终成绩评定表 4、毕业设计说明书 5、附录材料 2011 届届毕业设计毕业设计（ （论论文）文）课题课题任任务书务书 系：电气与信息工程系 专业：电子信息工程技术 指导教师王 韧学生姓名涂俊华 课题名称t 类功率放大器 内 容 及 任 务

2、 1、设计任务 设计一个 t 类功率放大器，采用数字电位器调节，可以调节音量、低音、高音、平 衡音，并用液晶显示屏显示相对值。 2、设计内容 （1）单片机最小系统模块 （2）下载接口模块 （4）lcd（12864）模块 （5）行列式键盘模块 （6）功放前级模块 （7）功放后级模块 （8）电源模块 设计制作以上模块电路，并编程实现模块功能。 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 （1）失真度小，在 20hz20khz 有平坦的幅频特性和很好的相频特性（音质好） 。 （2）可以有调节音量大小,可以调节音质品质（包括高音、低音、平衡音） 。 （3）电位器采用数字电位器，要求通单片机能对进行读写

3、操作，并显示相对值。 （4）当由于输入信号过大时，而引起的信号放大失真，单片机通过扫描 ta2020 的 overload 端，从而自动降低放大倍数。 起止日期工作内容备注 进 度 安 排 2011/4/42011/4/6 2011/4/72011/4/10 2011/4/112011/4/17 2011/4/182011/5/1 2011/5/22011/5/15 2011/5/162011/5/22 2011/5/232011/5/26 2011/5/272011/5/29 学生收集资料、熟悉毕业设计（论文）课题 总体方案设计 硬件系统设计及电路制作 软件系统设计 系统调试 编写毕业设计（

4、论文）说明书 教师评阅设计（论文） ，学生进行总结、准备答辩 毕业设计（论文）答辩 0.5 周 0.5 周 1 周 2 周 2 周 1 周 0.5 周 0.5 周 主 要 参 考 资 料 1何立民编著.mcs-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术m.北京：北京 航空航天大学出版社，1990.1； 2张毅刚主编.mcs-51 单片机应用设计m.哈尔滨：哈尔滨工大学出版社，1990.8； 3李华主编，mcs-51 系列单片机实用接口技术m.北京：北京航空航天大学出版社， 1993.8； 4马忠梅，单片机的 c 语言 windows 环境编程宝典m.北京：北京航空航天大学出版 社，2003

5、.6； 5谢自美.电子线路设计实验测试.m.北京：华中科技大学出社,2006.08； 6李光飞,单片机 c 程序设计指导m.北京:北京航空航天大学出版社，2003.01； 7阎石. .数字电子技术基础（第三版）m.北京：高等教育出版社，1989； 8康华光.电子技术基础.m北京:高教出版社,2008.01。 教研室 意见 年 月 日 系主管领导 意见 年 月 日 湖南工学院 2011 届毕业设计（论文）指导教师评阅表 系： 电气与信息工程系 学生姓名涂俊华学 号08400230247班 级电信 0802 专 业电子信息工程技术指导教师姓名王 韧 课题名称t 类功率放大器 评语：（包括以下方面，

6、学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；检索和利用文献能力、 计算机应用能力；学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；） 该生毕业设计态度端正，能很好地领会毕业设计任务书的具体要求和任务， 具备一定的搜集资料的能力，能够按时、按质、按量完成指导教师下达的毕业设 计任务，具有较强的计算机应用能力，毕业设计文档资料齐全，文档格式符合规 范要求。毕业设计达到了一定的水平，同意该生参加毕业答辩！ 是否同意参加答辩：是 否 指导教师评定成绩分值： 指导教师签字： 年 月 日 湖南工学院 2011 届毕业设计（论文）答辩及最终成绩 评 定 表 系（公章）： 电气与信息工程系 说明：最终评定

7、成绩a+b，两个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的 10左右。 学生姓名涂俊华学号 08400230247 班级电信 0802 答辩 日期 课题名称t 类功率放大器 指导 教师 王 韧 评 定 成 绩 评 定 分 值 教师 1教师 2教师 3教师 4教师 5 小计 课 题 介 绍 思路清晰，语言表 达准确，概念清楚， 论点正确，实验方法 科学，分析归纳合理， 结论严谨，设计（论 文）有应用价值。 30 必 答 题 40 答 辩 表 现 思维敏捷, 回答问题有理 论根据，基本 概念清楚，主 要问题回答准 确大、深入,知 识面宽。 自 由 提 问 30 合 计 100 答 辩 评 分

8、 分值： 答辩小组长签名： 答辩成绩 a： 40 指导教师评分分值： 指导教师评定成绩 b： 60 最终评定成绩： 分数： 等级： 答辩委员会主任签名： 年 月 日 2011 届届毕业设计说毕业设计说明明书书 t 类功率放大器 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 涂 俊 华 指导教师： 王 韧 职称 副教授 专 业： 电气与信息工程系 班 级： 电信 0802 完成时间： 2011/5/20 摘 要 近年来，有一种新技术，它利用功率晶体管工作在开关状态，在音响领域的应 用就是数字功率放大器，也称 t 类功率放大器。与传统模拟功率放大器相比，数字 功率放大器有着非常鲜明的特点：1、采用最

9、先进数字处理技术 20bit 的字长，可精 确还原音频信号，使得无论声音细节还是轮廓都得以完美再现。2、具有极高的效 率，功率转换效率高达 90，具有传统模拟功率放大器无法比拟的高效节能性，从 此改变在人们心目中音频功率放大器笨重、耗电、体积大的印象。3、寿命长，在 高效、低功耗、数字化电路的共同作用下，使功率放大器可靠性、安全性大幅度提 高。4、瞬态响应好，它不需传统功率放大器的静态电流消耗，能量几乎都是为音 频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“瞬态响应”特性， 令声音细节重放更丰富。5、整个频段内无相移，声场定位准确，采用数字滤波器 等技术，将输出滤波器的截止频率设

10、计得较高，从而保证在 20hz20khz 内得到 平坦的幅频特性和很好的相频特性。6、抗干扰能力强，数字功率放大器是工作在 开关状态，具有更好的抗干扰能力，使音质更纯净透彻。 关键词： t 类功率放大器；高效率；数字滤波器； abstract in recent years, there is a new technology, using power transistors work in switch state, in the areas of application are digital audio power amplifier, also called t class ampli

11、fiers. compared with the traditional analog power amplifier, digital power amplifier has a very distinctive characteristics: 1,adopt the most advanced digital processing technology 20bit word long, can accurate reduction audio signal, make neither sound details or contour all be able to perfect repr

12、oduction. 2, high efficiency and power conversion efficiency over 90%, with traditional analog power amplifier and incomparable energy-saving sex, changed in the eyes of people audio amplifier heavy, power consumption, big volume impression. 3, long service life, high efficiency, low power consumpti

13、on, under the common function of digital circuit, make the power amplifier reliability, safety increased greatly. 4, the transient response well, it does not need the traditional amplifier static current consumption, energy is almost as audio output and reserves, coupled with no analog amplifier, no

14、 negative feedback of traction, it has better transient character, make sound details replay more abundant. 5, the band without phase shift, acoustic field in accurate location, adopting digital filter technology etc, will output filter cutoff frequency design, thus ensuring the higher in 20hz 20khz

15、 inside get even amplitude frequency characteristics and good phase frequency characteristics. 6, strong anti-jamming capability, digital power amplifier is working in switch state and has better anti-interference ability to make sound more pure thoroughly. key words t class amplifiers；high efficien

16、cy；transient response；digital filter； 目 录 1 绪论.10 1.1 课题研究背景.10 1.2 课题研究的目的和意义.11 1.3 系统概述.12 2 设计方案论证.13 2.1 功放模块论证.13 2.2 显示方案论证.15 2.3 电源模块论证.16 3 工作原理.17 3.1 数字功率技术.17 3.2 iic 通信原理.18 3.3 数字滤波技术.19 4 单元电路.20 4.1 单片机控制系统.20 4.2 功放模块.23 4.3电源模块.25 5 软件设计与电路调试.28 5.1 软件设计流程.28 5.2 安装与调试.30 5.3 调试中故

17、障分析及改进措施.31 5.4 调试成功后的功放效果.32 5.4 设计总结.33 参考文献.35 致 谢.36 附 录.37 1 绪论 1.1 课题研究背景 随着人民生活水平的提高，许多人特别是音响发烧友们对音频功率放大器能否 完美不失真的还原声音的要求近乎于苛刻。模拟的功率放大器经过了几十年发展， 在这方面的技术已经相当成熟，可以说是达到了登峰造极的地步。环保与能量的利 用率已渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，广大消费者对功放的效率要求越 来越高。但是模拟功率放大器在这方面几乎达到了极限。另外模拟磁带播放机如录 音机逐步被淘汰，数字光碟播放机如 cd、vcd、dvd 等已占据主流。针对

18、这一现 实数字功放应运而生。音响中用的功率放大器，常用的是 a 类或者 ab 类功放，近 年来，利用脉宽调制原理设计的 d 类功放也进入音响领域。 功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即 a 类、ab 类、b 类、c 类、d 类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此 信号用以推动扬声器发声。d 类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。 因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。人们把此种具 有开关方式的放大，称为数字放大器。 国外在数字音频功率放大器领域进行了二、三十年的研究，六十年代中期，日 本研制出 8bit 数字音频功率放大器。

19、1983 年，m.b.sandler 等学者提出 d 类（数字） pcm 功率放大器的基本结构。主要是围绕如何将 pcm 信号转化为 pwm 信号。把 信号的幅度信号用不同的脉冲宽度来表示。此后，研究的焦点是降低其时钟频率， 提高音质。随着数字信号处理（dsp）技术和新型功率器件及应用的发展，开发实 用化的 16 位数字音频功放成为可能。一个音响系统必须具备音源、功放和音箱三 大部分。音源部分目前已数字化了，如 cd、vcd、dvd、dab 和数字电视等。但 的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。在人们进入数字化、信息化的开发过程中自 然想到了功放的数字化这一问题。 模拟功放始终无法解决效率、成本

20、、音质这三者。国外这几家公司研制的数字 功放价格均在一万美元以上，远远超过了普通大众的承受能力，因此，从世界水平 来看，现有功放仍停留在模拟放大的水平上，而数字功放技术尚未大规模商业应用。 国内市场也开始出现 av 数码功放，但所谓的数字功放实质上仅仅是指音频处 理部分采用了数字处理，其功率放大器 则仍然采用模拟放大，这与真正意义的数 字功放相差甚远。 音响产品的数字化是必然趋势。由于数字功放有很多优点，如体积小、功率大、 高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等。在数 字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放。 1.2 课题研究的目的和意义 数字功放与

21、模拟功放相比有如下一些明显优势。 （1）整个频段内无相对相移，声场定位准确。 由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的 截止频率设计得较高，从而保证在 20hz-20khz 内得到平坦的幅频特性和很好的相 频特性。 （2）瞬态相应好，即动态特性好。 由于它不需传统功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备， 加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的动力特征。 （3）无过零失真 传统功放都在由于对管配对及各级调整不佳产生的过铃、交越失真。 （4）效率高、可靠性高、体积小。 理论上 d 类功放的效率可达 100%，而 b 类放大器效率仅为 78%（理论值）

22、 ，a 类功放的效率就非常低。可靠性知识告诉我们：半导体器件的温度每升高 10c，失 真率就提高一倍。 （5）适合于大批量生产。 产品的一致性好，生产中无需调试，只保证元器件正确安装即可。 d 类功放中的功率晶体管工作在开关状态，又称作数字功放。a 类功放的保真 度好，但效率甚低，不到 10 %，用於高档的专业音响；ab 类功放的保真度略为逊 色，但效率可以达到 20 %至 40 %，主要用於汽车、家庭音响以及电脑上；d 类功 放的效率高达 80 %至 90 %以上，使用时不需要散热器，或者只需要一只很小的散 热器，但是它的保真度和 a 类及 ab 类功放相比则大为逊色。理想的功放是保真度 高

23、，同时效率也高。tripath technology 公司提供一种保真度好、效率高的音频功率 放大器，其中的功率晶体管也是工作在关关状态，即 d 类，为了区别於用脉宽调制 原理设计的 d 类功率放大器，tripath 把这种音频功率放大器称作 t 类功率放大器。 t 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制 d 类功放相同，功率晶体管也是工 作在开关状态，效率和 d 类功放相当。它和 d 类功放不同的是，它不是使用脉冲 调宽的方法。tripath 公司发明了一种称作digital power processing (tm) (dpp(tm) 的数字功率处理技术，它是 t 类功放的核心。它把通信技术

24、中处理小信号的适应算 法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过 dpp(tm)数字处 理后用于控制功率晶体管的导通关闭，因而不存在脉宽调制 d 类功放的那些缺陷。 音频功率放大器的失真用两个指标衡量：一个是 thd+n（总谐波失真加噪音）指 标，另一个是 imd（互调制失真）指标。如果在 20 hz 至 20 khz 频带上的 thd+n 指标低於 0.2 %，imd 指标低於 0.4%，就算是低畸变的了。ta1101 是输出 10 瓦的 双声道 t 类功率放大器，它在音频频带上的 thd+n 为 0.02 %，imd 指标为 0.04 %，效率高於 80 %。此外，t 类功

25、放的动态范围更宽，响率响应平坦，群延迟小。 ddp(tm)的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。 在 t 类功率放大器中，功率晶体管的切换频率不是固定的（d 类功率放大器中 调宽脉冲的频率是固定的） ，无用分量的功率谱不是像 d 类功率放大器那样是集中 在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上，例如从 1.5 mhz 至 2.5 mhz 的频带上，它的波形和扩谱技术的波形相似，因此，功率密度并不高，从而降低了 对输出低通滤波器的要求，同时它产生的 emi 也不像 d 类功率放大器那么严重。 虽说 d 类功放和 t 类功放所处理的是音频信号，但会产生 emi，这是因为这两种 功放

26、中的功率晶体管的切换频率比音频信号的最高频率高很多。在 a 类或者 ab 音 频功放则不存在这种问题。所以，使用 d 类功放和 t 类功放的设计师需要有一点 rf 设计的知识，并针对 emi 下点功夫，例如，合理布置输出低通滤波器的元件， 使自已设计的产品符合电磁兼容性的要求。 对于当今社会，能源已成为一个刻不容缓的问题，而节能问题成为各个行业作 为提高效率，提倡环保的重要措施。对于许多音乐发烧友，和一些音质要求高的场 所，虽然 a 类放大器具有很高的线性度，尤其是对于胆机来说，音质当然无可厚非， 但是他的能源利用率无法让人承受。对于那些既爱环保，从经济、节能角度出发， 同时又追求高品质音质的

27、发烧友来说，t 类功放无疑成为他们明智的选择。 1.3 系统概述 本次毕业设计我所设计的是 t 类功率放大器，它可以调节音量、低音、高音、 平衡音。电位器采用数字电位器 x9241,内含四个数字电位器,与单片机进行 iic 通 信，开机后，单片机从 x9241 里读取数据，再将所读得的数据显示在液晶显示屏上。 音频信号首先通过前级放大，可以根据不同场景，设置成自已音效，而一旦往 x9241 里面写入数据后，上电之后，会保存上次掉电时的数据。t 类功放芯片采用 tripath 公司的 ta2020 芯片，由于 ta2020 芯片的管子工作在开关状态，需要对其 进行滤波，本设计中采用无源滤波 lc

28、 滤波器。同时为了保护喇叭，还会在输出端 接上稳压二极管，防止输出电压超过 12v。由于电路工作在开关状态，输出功率较 大，故对电源要求较高，最大输出电流达 5a。如果不需要调节数字电位器，单片 机系统可以不用。 2 设计方案论证 为了达到发烧音效，电路必须要有较强的搞干扰能力，同时电路尽可能简单， 布局有致，大小信号隔离，减少分布电容，目前的模拟功放按放大器的工作状态可 分为：a 类放大器、b 类推挽放大器、ab 类推挽放大器等形式。下面简要论述几个 关键部位的设计方案： 2.1 功放模块论证 方案一：采用电子管做功放 (又称胆机功放) 电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流

29、传导，利用电场 对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。电子管功放，也就是 常说的胆机功放。电子管负载能力强，线性 度高，电子管所发出的声音高音比较 亮丽、中频饱满、低音醇厚且富有弹性，声音“偏暖”，在回放纯音乐或人声、等音 乐时最为人所喜爱，但是电子管功放最大的弊端就在于其声音“速度感”不强，在播 放节奏较快的音乐时并不能让人十分满意；在高保真音频功放中有着不可替代的 位置。 但同时电子管功放也存在着不容忽视的问题： （1）电子管电路工作时需要多种电源（如灯丝电源、帘栅极电源和阳极电源等）， 供电，供电电路复杂、产生的干扰不易完全消除，效率和信噪比较晶体管机低。 （2）电子管寿

30、命受阴极材料的限制，使用几千小时后开始趋于老化。 （3）电子管发热量大，必须有很好的散热措施。 （4）胆机必须通过输出变压器才能驱动场声器。而决定音质的输出变压器无论选 材如何优质、制作工艺如何考究，都无法避免分布电容与漏感分量的存在，从而产 生相位失真； （5）电子管的价格也相对比较昂贵，制作成本很高。 由于以上原因，电子管功放（胆机功放）一般只用于比较高档的场所，及一些 音乐发烧友。 方案二：采用 a 类功放（又称甲类功放） a 类功放是指晶体管的输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也 就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值， 这时交流在最大讯号

31、情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流， 因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向 正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少 电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。 a 类功放的 工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真， 即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线 路设计。 a 类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖， 高音透明开扬，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当讯号电平 增加时，有些

32、功率可进入负载，但许多仍转变为热量。a 类功率功放发热量惊人， 为了有效处理散热问题，a 类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器 一定要能提供充足的电流。 方案三：采用 ab 类功放（又称甲乙类功放） 与前两类功放相比，ab 类功放可以说在性能上的妥协。ab 类功放通常有两个 偏压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用 a 类工作模式， 获得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为 b 类工作模式以获得较高的效率。 普通机 10 瓦的 ab 类功放大约在 5 瓦以内用 a 类工作，由于聆听音乐时所需要的 功率只有几瓦，因此 ab 类功放在大部分时间是用 a 类功放工作

33、模式，只在出现音 乐瞬态强音时才转为 b 类。这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是 一种颇为合乎逻辑的设计。有些 ab 类功放将偏流调得甚高，令其在更宽的功率范 围内以 a 类工作，使声音接近纯 a 类机，但产生的热量亦相对增加。 ab 类功放既有 a 类功放较高的线性度，同时又有较高的效率，一般在 20%-40%左 右，得到了广泛的使用。 方案四：采用 d 类功放 d 类功放指的是 d 类音频功率放大器（有时也称为数字功放）。通过控制开 关单元的 on/off，驱动扬声器的放大器称 d 类放大器。 d 类功放设计考虑的角度与 ab 类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太 大意义

34、，更重要的开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的 几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。另外，整机的 效率全在于管子饱和压降引起的管耗。所以，饱和管压降小不但效率高，功放管的 散热结构也能得到简化。现在小电流控制大电流的 mosfet 已普遍运用于工业领 域，特别是近年来 uhc mosfet 已在 hi-fi 功放上应用，器件的障碍已经消除。 理论上，要把 20khz 以下的音频调制成 pwm 信号，三角波的频率至少要达到 200khz。同时，为了使波形更加接近原波形，thd 小，需要提高调制频率，但但 此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件

35、中的高频损耗、谢频的取肤 效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不 能高于 1mhz。同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响 到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真，出现了很多与数 字音响保真相同的考虑。 d 类功放理论上效率为 100%，即使在实际应用中，其效率也为 80%-90%，很 好地解决了效率问题，可以省去笨重的散热片。但噪声较大。 方案五：t 类功率放大器 t 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制 d 类功率放大器相同，功率晶体管 也是工作在开关状态，效率和 d 类功率放大器相当（80%-90%） 。但它和普通

36、d 类 功率放大器不同的是：1、它不是使用脉冲调宽的方法，tripath 公司发明了一种称 作数码功率放大器处理器“digital power processing （dpp） ”的数字功率技术，它是 t 类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这 里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过 dpp 数字处理后，用于控制功率晶体 管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。2、它的功率晶体管的切换频率 不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在 很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。3、此外，t 类功率放大 器的动态范围更

37、宽，频率响应平坦。ddp 的出现，把数字时代的功率放大器推到一 个新的高度。在高保真方面，线性度与传统 ab 类功放相比有过之而无不及。 在考虑保真度、能源利用率、工程实际应用、经济等各方面后，采用方案五， 即 t 类功率放大器，功放芯片采用性价比较高的 ta2020。 2.2 显示方案论证 本设计的音量、低音、高音、平衡音的调节由按键输入，并显示其相对值。 方案一：led数码管显示。 该方案简单，成本也比较低。显示亮度有保证，但显示信息有限，只局限一些 数值及一些字母。 方案二：液晶模块显示。 人们发现液晶这一呈液体状的化学物质，象磁场中的金属一样，当受到外界 电场影响时，其分子会产生精确的

38、有序排列。如果对分子的排列加以适当的控制， 液晶分子将会允许光线穿越。 位于最后面的一层是由荧光物质组成的可以发射 光线的背光层。背光层发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上 万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一 个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。当lcd 中的电极产生电场时，液晶分 子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过 滤层的过滤在屏幕上显示出来。 液晶模块可以显示比较丰富的数值、符号、文字及一些图形。外观比较新颖、 美观。 由于要显示音量、低音、高音、平衡音的相对值，显示的数值相对较多，使用 方案二，即液晶模

39、块可以显示上述四个值。 2.3 电源模块论证 由于电路的管子工作在开关状态，对电流需求很大，同时电压的稳定也对功放 影响很大，所以对电源有两点要求：1、有较大的输出电流，至少 12v5a 以上的， 8a10a 的更好。2、要求电压稳定，纹波系数小。 方案一：采用普通变压器 市电通过变压器变压后，再经过二极管整流后，再经过大电解电容滤波得到 12v 电压，这种电路结构简单，方便经济。 但是对于一般一变压器，输出电流有限，t 类功率放大器电流需要在 4a，但为 了保证富足，电流最大电流为 6a，但实际上才能满足要求。 方案二：采用环形变压器 针对一般的变压器输出电流有限，采用环形变压器可以很好地解

40、决这一问题， 其输出功率可上 100w。环形变压器的铁心是用优质冷轧硅钢片（片厚一般为 0.35mm 以下） ，无缝地卷制而成，这就使得它的铁心性能优于传统的叠片式铁心。 环形变压器的线圈均匀地绕在铁心上，线圈产生的磁力线方向与铁心磁路几乎完全 重合，与叠片式相比激磁能量和铁心损耗将减小 25，由此带来了下述一系列的优 点： 磁干扰较小环形变压器铁心没有气隙，绕组均匀地绕在环形的铁心上，这种结 构导致了漏磁小，电磁辐射也小，无需另加屏蔽都可以用到高灵敏度的电子设备上， 例如应用在低电平放大器和医疗设备上。 方案三：开关电源 开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现

41、代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。 开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，开 关电源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点， 开关电源具有功率大，而且效率高。但一般的开关电源输出滤波电容较小，一 般适用于电流比较恒定的电路，对于功放而言，瞬时功率大，波动明显，如不经处 理，噪声将非常大。 而且本设计中要求高音质，总功率为 50w 左右，选用环形变压器，能够满足 设计要求。 3 工作原理 t 类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制 d 类功率放大器相同，功率晶体 管也是工作在开关状态，效率和 d 类功率放大器相当。

42、但它和普通 d 类功率放大 器不同的是：它不是使用脉冲调宽的方法，tripath 公司发明了一种称作数码功率放 大器处理器“digital power processing （dpp）”的数字功率技术，同时采用数字滤 波技术，将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在 20hz20khz 内得到平 坦的幅频特性和很好的相频特性。在调节音量、高音、低音、平衡音时，采用 iic 通信，调节数字电位器阻值。 3.1 数字功率技术 笼统地讲，数字功放就是采用数字技术的功放。所谓数字技术就是以 01011 等 形式，器件以开关工作状态对应来处理信号的一种技术。但是我们在音响领域以至 自然界碰到的 99

43、%的信号均为连续变化的模拟量，直接是无法进行数字处理的。因 而就有一个先把模拟转数字（a/d）的装置，再用数字的方式处理，然后再用受罪 转模拟（d/a）的装置转回模拟信号的过程。虽然数字功放采用的器件不同，但形 式大同小异。由于数字技术在小信号处理方面，器件、电路、技术已相当成熟，因 而与我们的实际生活还是比较密切的，我们对此也很不陌生，但数字功放由于处理 的是大信号，因此只有近来才应用到音响领域。 tripath 公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“digital power processing （dpp）”的数字功率技术，它是 t 类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小 信号的适应

44、算法及预测算法用到这里。 自适应过程一般采用典型 lms 自适应算法，但当滤波器的输入信号为有色随 机过程时，特别是当输入信号为高度相关时，这种算法收敛速度要下降许多，这主 要是因为输入信号的自相关矩阵特征值的分散程度加剧将导致算法收敛性能的恶化 和稳态误差的增大。此时若采用变换域算法可以增加算法收敛速度。变换域算法的 基本思想是：先对输入信号进行一次正交变换以去除或衰减其相关性，然后将变换 后的信号加到自适应滤波器以实现滤波处理，从而改善相关矩阵的条件数。 常见的预测算法有： 一，简易平均法，是一种简便的时间序列法。是以一定观察期的数据求得平均 数，并以所求平均数为基础，预测未来时期的预测值

45、。简易平均法是最简单的定量 预测方法。简易平均法的运算过程简单，不需要进行复杂的模型设计和数学运用， 常在市场的近期预测、短期预测中使用。 二，移动平均法，移动平均法是用一组最近的实际数据值来预测未来一期或几 期内公司产品的需求量、公司产能等的一种常用方法。移动平均法适用于即期预测。 当产品需求既不快速增长也不快速下降，且不存在季节性因素时，移动平均法能有 效地消除预测中的随机波动，是非常有用的。 三，指数平均法，指数平滑法是生产预测中常用的一种方法。也用于中短期经 济发展趋势预测，所有预测方法中，指数平滑是用得最多的一种。简单的全期平均 法是对时间数列的过去数据一个不漏地全部加以同等利用；移

46、动平均法则不考虑较 远期的数据，并在加权移动平均法中给予近期资料更大的权重；而指数平滑法则兼 容了全期平均和移动平均所长，不舍弃过去的数据，但是仅给予逐渐减弱的影响程 度，即随着数据的远离，赋予逐渐收敛为零的权数。 也就是说指数平滑法是在移动平均法基础上发展起来的一种时间序列分析预测 法，它是通过计算指数平滑值，配合一定的时间序列预测模型对现象的未来进行预 测。其原理是任一期的指数平滑值都是本期实际观察值与前一期指数平滑值的加权 平均。 3.2 iic 通信原理 即 i2c，一种总线结构。iic 是作为英特尔 ic 的互补，这种总线类型是由菲利 浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来连

47、接整体电路(ics) ，iic 是一 种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都 可以作为实施数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线。 (1) i2c 总线的硬件结构 i2c 串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线 sda，另一根是时钟线 scl。所有接到 i2c 总线设备上的串行数据 sda 都接到总线的 sda 上，各设备的时 钟线 scl 接到总线的 scl 上。 为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是开漏输出 或集电极开路输出。设备上的串行数据线 sda 接口电路应该是双向的，输出电路用 于向总线上发送数据，输入电路用于接

48、收总线上的数据。而串行时钟线也应是双向 的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过 scl 输出电路发送时钟信号，另 一方面还要检测总线上的 scl 电平，总线空闲时，上拉电阻 rp 使 sda 和 scl 线都 保持高电平。 总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机是指启动数据的传送（发出启 动信号）、发出时钟信号以及传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都是微处 理器。被主机寻访的设备称为从机。为了进行通讯，每个接到 i2c 总线的设备都有 一个唯一的地址，以便于主机寻访。主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据 到从机，也可以由从机发到主机。 (2) i2c 数据传输 在 i2c 总

49、线传输过程中，将两种特定的情况定义为开始和停止条件（见图 3）： 当 scl 保持“高”时，sda 由“高”变为“低”为开始条件；当 scl 保持“高”且 sda 由“低”变为“高”时为停止条件。开始和停止条件均由主控制器产生。使用 硬件接口可以很容易地检测到开始和停止条件，没有这种接口的微机必须以每时钟 周期至少两次对 sda 取样，以检测这种变化。 sda 线上的数据在时钟“高”期间必须是稳定的，只有当 scl 线上的时钟信号 为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到 sda 线上的每个字节 必须是 8 位，每次传输的字节不受限制，但每个字节必须要有一个应答 ack。如果 一

50、接收器件在完成其他功能（如一内部中断）前不能接收另一数据的完整字节时， 它可以保持时钟线 scl 为低，以促使发送器进入等待状态；当接收器准备好接受数 据的其它字节并释放时钟 scl 后，数据传输继续进行。 数据传送具有应答是必须的。与应答对应的时钟脉冲由主控制器产生，发送器 在应答期间必须下拉 sda 线。当寻址的被控器件不能应答时，数据保持为高并使主 控器产生停止条件而终止传输。在传输的过程中，在用到主控接收器的情况下，主 控接收器必须发出一数据结束信号给被控发送器，从而使被控发送器释放数据线， 以允许主控器产生停止条件。 3.3 数字滤波技术 数字滤波器是一个离散时间系统（按预定的算法，

51、将输入离散时间信号转换为 要求的输出离散时间信号的特定功能装置）。应用数字滤波器处理模拟信号时，首 先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字滤波器输入信号的抽样率应 大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性， 且以折叠频率即 12 抽样频率点呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理 的输出数字信号须经数模转换、平滑。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控 改变特性或复用、便于集成等优点。 数字滤波器和普通滤波器（也可以叫模拟滤波器）不同，它不是一个器件（陶 瓷滤波器等就是一个器件）或一组器件（lc 滤波器、rc 滤波器就是一组器件）， 而是一个在计算机里

52、运行的软件。 由于数字滤波器可以做成高阶数，故能逼近理想低通滤波曲线，实现很好的滤 波效果，将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在 20hz20khz 内得到平 坦的幅频特性和很好的相频特性。 4 单元电路 电路大致可以分为单片机控制模块、功放模块、电源模块。单片机通过 i2c 与 数字电位器进行通信，从而控制阻值大小，语音信号通过功放前级进行适当处理后， 再进行功率放大。 4.1 单片机控制系统 单片机控制系统方要实现向数字电位器里读、写数据、并显示在液晶屏上，同 时单片机还要不断扫描功放芯片的 overload 端，以便判断输放信号是否过载。 当 mute=1 时，功放芯片处于静音功

53、能，sleep1 时，功放芯片进入低功耗模式。 scl、sda 为 iic 通信接口，以便控制 x9241 数字电位器里面电阻的大小。同时， 在通信时，必须保持功放板与单片机最小系统共地。 单片机最小系统板上，主要显示 x9241 工作时的相对数值，显示采用 lcd12864 液晶显示。它一般串口、并口两种方式显示，本设计中采用并口显示。 12864 的 4、5、6、15、17 脚分别与单片机的 p3.0 p3.4 相连。714 脚与单片机的 p0 口相连。1、20 号脚接地，2 号脚接电源，19 号脚背光灯正端串一个电阻与 电源相连，电阻起限流的作用，我们取 r=10k。3 号脚是对比度（亮

54、度）调整，这 里要用一个滑动变阻器来调整亮度，这里我们取电位器大小为 10k。 带中文字库的 128x64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方 式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨 率为 12864, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ascii 字符集.利用该 模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 84 行 1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著 特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论

55、硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形 液晶模块。管脚功能如表 4.1 所示： 表4.1 12864液晶模块引脚说明 管脚号管脚名称电平管脚功能描述 1vss0v 电源地 2vcc3.0+5v 电源正 3v0- 对比度（亮度）调整 4 rs(cs） h/l rs=“h”,表示db7db0为显示数据 rs=“l”,表示db7db0为显示指令数据 5 r/w(sid)h/l r/w=“h”,e=“h”,数据被读到db7db0 r/w=“l”,e=“hl”, db7db0的数据被写 到ir或dr 6e(sclk)h/l 使能信号 7db0h/l 三态数据线 8db1

56、h/l 三态数据线 9db2h/l 三态数据线 10db3h/l 三态数据线 11db4h/l 三态数据线 12db5h/l 三态数据线 13db6h/l 三态数据线 14db7h/l 三态数据线 15psbh/l h：8位或4位并口方式，l：串口方式（见注释 1） 16nc- 空脚 17/reseth/l 复位端，低电平有效（见注释2） 18vout- lcd驱动电压输出端 19avdd 背光源正端（+5v） （见注释3） 20kvss 背光源负端（见注释3） *注释 1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将 psb 接固定高电平，也可以将模块上 的 j8 和“vcc”用焊锡短接。 *注释

57、 2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。 *注释 3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的 ja、jk 用焊锡短接。 为了减少对 i/o 口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，也称为行列键盘，这 是一种常见的连接方式。它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。当键 被按下时，其交点的行线和列线接通，相应的行线或列线上的电平发生变化，mcu 通过检测行或列线上的电平变化可以确定哪个按键被按下。矩阵式键盘接口见图 4.2 所示， 12345678 a b c d 87654321 d c b a title numberrevisionsize a3 date

58、:21-may-2011sheet of file:i:、.dd bdrawn by: s1 sw-pb s2 sw-pb s3 sw-pb s4 sw-pb s5 sw-pb s6 sw-pb s7 sw-pb s8 sw-pb s9 sw-pb s10 sw-pb s11 sw-pb s12 sw-pb s13 sw-pb s14 sw-pb s15 sw-pb s16 sw-pb 、 1 2 3 4 5 6 7 8 jpp co n8 、 图 4.1 行列式键盘 行列式键盘由行线盒列线组成，行线对应的接口为 p10p13，列线对应接口为 p14p17。利用单片机编程是否有键按下的时候，将

59、行线 p10p13 设为高电平 1， 列线 p14p17 设为 0。再读回行线 p10p13 的数值，就可以知道是否有键按下，如 果有键按下，则行线输入的信号就不全为 1。通常分为三个步骤来检测、识别和处 理键盘的事件。 第一步:检测是否有键按下，将列线输出为 0000，读入行线的值，如果读入的 数值为 1111，则表示没键按下，如不全为 1，就表示有键按下。 第二步：如有键按下，要识别哪个键按下。列线在同一时间只有一根线输出为 低，其它三根为高电平，然后再根据行线读入的数值就可以知道是哪个键按下。有 键按下时对应的 io 口的设定值中，高四位为列线，低四位为行线的状态。 图 4.2行列式键盘

60、键值表 第三步:识别出按键后，等按键释放后就可根据按键的编号进行相应的处理。其按键 对应的值如上图 4.3 所示： 4.2 功放模块 功放模块主要实现控制音量、低音、高音、平衡音、及功率放大。功放前级采 用的芯片为 lm4610，可以实现上述四个功能，简化了电路，提高了稳定性。功放 后级以类功放芯片 ta2020 为核心。 1234 a b c d 4321 d c b a t itle num berrevisionsize a4 date:21-m ay-2011sheet of file:i:、26.、-t 、t 、t 、.ddbdrawn by: vw 0 1 vl 0 2 vh 0