用STC单片机制作D类功放

1、文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 用STC单片机制作D类功放 众所周知在各类功放中 D类功放以其极高的效率著称，因此更符合绿色革命的潮流，也 因此D类功放越来越引起各方面的重视。笔者在参考了相关资料后决定尝试用一单片机和功 率三极管来DIY 简单有趣的 D类功放。因为这个DIY既有模拟电路方面的知识，也有数字 电路方面的知识，特别是 PCB出图时AD采样中地的处理、双声道采样最佳时序处理和PWM 输出对笔者来说是种锻炼和提高。 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 0或 1 的信号让晶体

2、管进入饱和或截至状态，晶体管相当 于一个开关， 把电源与负载直接接通或截止。 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% 图1.是笔者DIY的D类功放的方案，可分为三个部分： 图1原理框图 第一部分为AD转换，是利用单片机的 AD转换功能将输入的模拟信号转换为占空比随 模拟信号电压变化而变化的PWMI号。这里选用价格低廉的深圳宏晶科技的STC12C5202AD 单片机。该单片机运行速度是普通8051单片机的数倍，并且可以使用

3、高达40MHz的外部晶 振。AD采样速率可达250kHz。同使用运放+三角波形做基准信号源产生 PWM勺方法比较，该 方案更容易产生形状、频率稳定准确的PWM波形。 由于一般音源的输出信号较为微弱，在AD采样前要加预放（笔者在第一版中没有设计 预放引起输出功率偏低） ；并且为适应单片机正 5伏的工作模式， 需要在模拟信号上叠加正 2.5V直流电压。若音频输入信号为零、直流偏置为单片机AD采样基准电压的1/2，则单片 机输出的方波高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1： 1 的方波。当有音频信 号输入时，正半周期间，单片机输出方波高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1： 1；负半周期

4、间，由于还有直流偏置，所以单片机采样脚的电平还是大于零，方波占空比小 于 1： 1。这样，单片机输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为 PWMPulse Width Modulation 脉宽调制）。顺便提下 PWI和 PDIM Pulse Duration Modulation 脉冲持续时间调制）还是有区别的，PDM是高电平宽度固定低电平宽度随调制信号而变化的 方波， 即单位时间内 “标准脉冲”个数可以被信号调制。 它的好处是 高频能量分布在更广的 频率范围内，而不是像 PWM由于载频固定，高频能量集中在载频倍频的音调中。 AD转换和PWN程序如下： 方法1 :在主程序中

5、左右声道 PWMF始的同时进行左右声道 AD采样，在AD采样子程序 中一次采样左右声道完成后等待一段时间再刷新左右声道PWM0PWM的CCAPL0CCAPL1 比较寄存器，作为下一次PWM勺数据。这样做的好处是在 PWM进行中可以同时AD转换， 充分利用了 CPU时间，但AD采样时可能会引入 PWM声，并且不能准确控制刷新PWM 比较寄存器的时间。如图 2. 图2. PWM和AD时间轴 方法2 :方法1中使能PWM中断，在中断中刷新左右声道PWM、PWM的CCAPL0CCAPL1 比较寄存器。 方法3:在主程序中开启左右声道PWM并且使能PWM中断，进入无限循环。在中断中 AD采样，然后刷新P

6、WM匕较寄存器。缺点：PWM完成后才进行 AD转换，采样频率变低。 反复比较后笔者选用了方法2，部分程序如下: 主程序: void main (void) Init_System(); CR=1;/ 开始 PWM while(1) DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA(); WDT_CONTR=Ox3C;/ 喂狗 AD采样子程序： void AD(void)/ 方法 2 / 采样左声道 8.4us/ ADC_CONTR=OxEC;选择通道p1.4并开始转换。 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_()

7、; while(ADC_CONTR!=OxF4);/等待 AD转换完成 ADC_CONTR=0 xE4; AD_result_LEFT=(0 xFF-ADC_DATA);/STC12C5202AD 单片机 PWM默认 CCAPLOb于待 /比较值时输出/低电平，且此模式不像MEG療类单片机那样可以设置。这里为了 /PWM和采样值一致，需与 0 xFF做差值。 / 采样右声道 8.4us / ADC_CONTR=0 xEE; / 选择通道 p1.6 并开始转换。 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); while(ADC_CONTR!=0 xF6);/

8、等待 AD 转换完成 ADC_CONTR=0 xE6; AD_result_RIGHT=(0 xFF-ADC_DATA); PWM中断子程序： void PCA_int(void) interrupt 7/2/3 CF=0;/ 清空溢出标志 CCAP0H=AD_result_LEFT;/PWM0/ 刷新比较寄存器的数据 CCAP1H=AD_result_RIGHT;/PWM1 第二部分就是 D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM 信号变成高电压、大电流的大功率 PWM信号。 管允许流过的电流来决定。 这部分电路笔者为图给单片机供电方便， 自举电路，工作时输出耦合电容

9、前端电压约为 于单片机输出的0-5V的PW脉冲信号不能使 容前端电压会抬高，正常工作时这点电压约为 能够输出的最大功率由负载、 电源电压和晶体 采用单电源供电，曾尝试用OTL功放电路不加 2.5V，表现为输出功率和效率很低。这是由 NPN型的这只管子完全导通所致（输出耦合电 1/2 供电电压）。如下图 3. 图 3. 错误的功放电路 但是经典的OTL电路分立元件较多多， 焊接组装后印制板难看， 调试也不方便。笔者采用了 将单片机输出的 PWM过运放TL082组成的2.5V比较电路，当高于2.5V时输出+12V电压, 低于2.5V时输出-12V电压，以此驱动后级由 IRF7389组成的功放电路。

10、如图 4. 图 4. 改进的功放电路 第三部分需把大功率 PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤 波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低 通滤波器。当占空比大于 1:1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升； 窄脉冲到来时， 放电时间大于充电时间， 输出电平下降， 正好与原音频信号的幅度变化相一 致，所以原音频信号被恢复出来，见图5。 图 5. 恢复音频信号 低通滤波器与音质有很大关系，该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。好在 D 类功放的输出阻抗小对音响的阻抗比如4欧姆，8欧姆不是很敏感。由于 PWM频率足够高， 笔者只设计了一个电感和一个电容的低通滤波器。 本文实际上是笔者实践的过程记录， 论述并不严谨而且有很多方面需要改进， 比如程序