基于单片机的D类音频功放的设计与实现

1、 I系系 所：所： 专专 业：业： 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 指导教师：指导教师： 导师 1 导师 2 导师职称：导师职称： 导师 1 职称 导师 1 职称 完成日期：完成日期： 年 月 日 论文题目论文题目：基于单片机的基于单片机的 D 类音频功放的设计与实现类音频功放的设计与实现 II基于单片机的 D 类音频功放的设计与实现摘 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 AD 转换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 PW

2、M 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8051 内核单片机 STC89C52 为音频采集核心，由程序算法转换成 PWM 信号。系统的放大部分采用功率型高速 MOSFET 开关管组成推挽放大电路，主要用来 PWM 信号放大，最后利用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。最后经过试验，本次制作的 D 类功放，具有功耗低、成本低、电路简单、音质较好等优点。关键词关键词：单片机，数字功放，脉宽调制IIIAbstractDigital power amplifier because of its advantages

3、of high efficiency,easy to dock with the digital audio source and has more and more widely used in real life.This des-ign based on single chip microcomputer made a class D power amplifier.Power ampli-fier system using MCU AD conversion function converts input audio signal duty cycl-e change with the

4、 input audio signal,and then by the low-pass filter demodulation of the PWM waveform sound information.System with the AD converter within 8051 ker-nel microcontroller STC89C52 ,internal algorithm converts the PWM signal by single-chip microcomputer.Amplification part of the system of using power ty

5、pe high-speed MOSFET switching tube push-pull amplifier circuit,mainly used for PWM singal amplification,finally using low pass filter to smooth the pulse signal,the reduction of noise signals,finally through the speaker to the transformation output amplified voice signal.Verified by test,this paper

6、 made of class D power amplifier,has low power consumption,low cost,simple circuit,good sound quality,etc.Key words: MCU, Digital power amplifier,PWMIV目 录摘 要.IIABSTRACT.III第 1 章绪 论.11.1 本次设计背景及其发展趋势.11.2 本次功放的设计.3第 2 章关键技术介绍.4第 3 章系统分析.73.1 方案概述.73.2 系统开发环境.17第 4 章系统设计.184.1 主电路的设计.184.2 模数转换电路的设计.2

7、14.3 功放电路的设计.21第 5 章系统实现.23第 6 章系统测试.24第 7 章结论.25参考文献.26致 谢.27-1-第 1 章绪 论1.1 本次设计背景及其发展趋势本次设计背景及其发展趋势 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已成为主流，如 MP3、平板电脑。随着这类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

8、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，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，这样的特点更适用于便携带式电子设备上。如今的 LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）电视

9、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式产品中。其工作特点是工作电压低、输出功率大、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，使之在短时间内得到长足发展。并且如今许多D 类功放已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，要么工作在截至态

10、，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功率，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%。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-2-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，仍效率偏低

11、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价格上均已不成问题。而且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

12、号的输出大小无关，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%（根据负载方式而定） 。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，开关功能随着数字音频技术研究的不断深入，用于 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

13、放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。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。这一技术一经问世便立即显示出其高效、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

14、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何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-3-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 1cm 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。管子工作在开关状态，导通时管子进入饱和态。元件内阻接近于零；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

15、管的损耗，效率随即增加。也就如前面所说的理论上效率可以达到100%。1.2 本次功放的设计本次功放的设计众所周知，音频信号属于模拟信号，而单片机处理的信号为数字信号，所以要将模拟信号转换为数字信号，此时就需要用到数模转换芯片，本设计中选用 ADC0804。单片机获得数字信号，经由 PWM 算法，输出给功放芯片，从而实现本次设计的实现。 -4-第 2 章关键技术介绍本次设计单片机采用宏晶 STC89C52， STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多

16、的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8K 字节Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止

17、工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。STC89C52 具有 8K 字节程序存储空间，512 字节数据存储空间，内带 2K 字节 EEPROM 存储空间，可直接使用串口下载。而 AT89S52单片机具有 8K 字节程序存储空间，256 字节数据存储空间，没有内带 EEPROM 存储空间，同时 STC89C52 相对于 AT89S52 价格更低廉，所以此次硬件平台选择宏晶STC89C52 单片机。PWM 技术。PWM 即脉冲宽度调制。

18、是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或 MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或 MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关

19、技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 技术，其中包括：相电压控制 PWM、脉宽 PWM 法、随机 PWM、SPWM 法、线电压控制 PWM 等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽 PWM 法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列-5-作为 PWM 波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V 电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于 9V

20、，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以

21、调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正

22、弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是-6-PWM 波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形

23、和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。在 PWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM 逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

24、噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。PWM 控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于如今国

25、家提出的节能减排具有积极意义。-7-第 3 章系统分析3.1 方案概述方案概述1、CPU 的选择 我们在这个设计上采用了 51 单片机系统，之所以采用单片机系统是由于成本较低，功能完全可以满足，发展也比较成熟且完善。而 DSP、ARM 系统虽然科技含量高于51 单片机系统，但是其价格昂贵并且发展尚未成熟。因此，根据我们学的知识和市面上的应用，经过比较我们选择了技术成熟、价格便宜、设计简单、使用方便的单片机平台。2、数模转换芯片的选择 本设计采用较市面上较常用的 8 位数模芯片 ADC0804。ADC0804 工作电压：5V；模拟输入电压范围：0+5V，即 0vin+5V；分辨率：8 位，即分辨

26、率为 1/256，转换值介于 0255 之间；转换时间：100us；转换误差：1LSB；参考电压：2.5V，即Vref=2.5V。ADC 的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表示。例如 12 位 ADC 的分辨率就是 12 位，或者说分辨率为满刻度FS 的 1/212。一个 10V 满刻度的 12 位 ADC 能分辨输入电压变化最小值是-8-10V1/212 =2.4mV。ADC 把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是 ADC 的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，要准确表示模拟量，ADC 的位数需很大甚

27、至无穷大。一个分辨率有限的 ADC 的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的 ADC 转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。 偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定 ADC 没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。满刻度误差又称为增益误差。ADC 的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。对

28、于 ADC 而言，可以在每一个阶梯的水平中点进行测量，它包括了所有的误差。ADC 的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次 A/D 转换所需的时间（包括稳定时间） ，则是转换速率的倒数。ADC0804 的转换原理：ADC0804 是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的 A/D 转换器，这类型的 A/D 转换器除了转换速度快（几十至几百 us） 、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出 8 位的 ADC0804 动作来说明“连续渐进式 A/D 转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从

29、左侧最高位寻找起） 。第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）-9-第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值

30、，则寻找位=该假设位=0）D0-D7：数字量输出端，输出结果为八位二进制结果；CLK：为芯片工作提供工作脉冲，时钟电路如图所示，时钟频率计算方式是：fCK=1/(1.1RC）CS：片选信号；WR：写信号输入端；RD：读信号输入端；INTR：转换完毕中断提供端；3、D 类功放芯片的选择 本设计采用的 D 类功放芯片为 PAM8403。PAM8403 立体声 D 类音频功率放大器能够以 D 类放大器的功率提供 AB 类功率放大器的性能。采用 D 类结构，PAM8403 能够以高于 85%的效率提供 3W 功率。PAM 公司独有的受专利保护的低 EMI 调制方式可以省去传统的 D 类放大器输出低通滤

31、波器，从而节省了系统成本和 PCB 空间，是便携式应用的理想选择。序号名称功能1-OUT_L左通道反向输出-10-2PGND电源地（左通道）3+OUT_L左通道同向输出4PVDD电源 VDD（左通道）5MUTE静音控制输入（低电平有效）6VDD模拟 VDD7INL左通道输入8VREF内部模拟基准源，从 VREF连一个旁路电容到 GND9GND模拟地10INR右通道输入11GND模拟地12SHDN系统关断控制（低电平有效）13PVDD电源 VDD（左通道）14+OUT_R右通道同向输出15PGND电源地（左通道）16-OUT_R右通道反向输出PAM8403 采用 DIP-16 和 SOP-16

32、封装。特点：无滤波器的 D 类放大器，低静态电流和低 EMI；在 4 负载和 5V 电源条件下，提供高达 3W 输出功率；高达 90%效率；低 THD，低噪声；短路电流保护；热保护；极少外部元器件，节省空间和成本；无铅封装。主要应用于 LCD 电视机、监视器，笔记本电脑，便携式扬声器，便携式 DVD播放器，游戏机，手机，电话。4、功放简介放大器的技术指标：（1）额定功率音响放大器输出失真度小于某一数值（r1%）的最大功率成为额定功率。测试条件：信号发生器输出频率为 1KHz，电压 Ui-30mV 的正弦信号。功率放大器输出端额定负载电阻，输入端接 Ui，逐渐增加输入电压，知道 Uo 的波形刚好

33、不出现-11-谐波失真（r1%） ，此时对应的输出电压为最大输出电压。注意测量后要尽快减小输入电压，避免损坏功率放大器。（2）频率响应放大器的电压增益相对中频音 fo（1KHz）的电压增益降下 3dB 时所对应的低音音频 f1 和高音音频 fh 称为放大器的响应频率。测试方法：调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的一半，输入端接着调音控制器，设信号发生器的输出频率 fi 从 20hz 到 20Khz，在此过程中保持 Ui 不变，测量输出电阻上的输出电压 Uo。（3）输入灵敏度使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压称之为灵敏度。（4）噪音电压使输入为零时，输出负载上的电压称为噪音电压。测量

34、方法：在输入端对地短路，音量调到最大，适用示波器观察输出负载上的电压纹波，再用电流表的交流档测其有效值。功率放大器简介：功率放大器通常根据其工作状态可分为五类：A 类、B 类、AB类、C 类、D 类。在音频功放领域，前面四种都是采用模拟信号直接输入，然后放大后直接推到后级扬声器。而 D 类功率放大器有些特殊，其只有两种状态，导通或者断开，也就是我们前面提到的功放晶体管进入饱和和截止两种状态。因此决定了其不能直接输入模拟信号，而要对信号经过某种处理。A 类功率放大器：A 类放大电路的特性曲线如下：A 类放大器晶体管总是处于导通状态，也就是说在没有信号输出的情况下，晶体管也是有输出功率，因此晶体管

35、会变得热。由其特性曲线图左边为晶体管出入特征，固-12-定偏置所形成的工作点在 Q 点，当正弦音频信号输入时，其振幅未超出线性范围，集电极工作状态处于截止区和饱和区之内，集电极电流为完全的全周期的正弦波，此时的导通角为 180（导通角是以最小值到最大值之间占全周期的部分来计算，全周导通为 180） 。这种状态放大失真较小，只受器件特性的影响，如果器件的线性好，其失真也最小，但是当无信号输入时，有约一半的直流电消耗为 Ico X Vcc，因此其效率较低，所以 A 类功率放大器仅用于那些功率放大很小的场合，如收音机。B 类功率放大器B 类功率放大器电路图如下所示：B 类功率放大器特性曲线如下所示：

36、-13-从电路图可以看出当无音频输入时，即静态工作 Vi=0 时，两个晶体管都是截止的，由此输出电压 Vo 也为零，此时电路不消耗功率，因此效率提高了。由 B 类功放的线性曲线可以得知静态偏置为 Q 点，处于截止点上，因此当信号输入时只有半周导通，导通角为 90，集电极输出波形为半个正弦波，这种状态失真就大了，所以我们一般的B 类功放都用双晶体管做成推挽式输出，这样每个管子工作半个周期就使输出电压组成了一个全周期的波形，减小了失真。B 类功率放大器的最大特点就是再无信号输入的情况下原则上没有信号输出，也就没有了直流损耗，效率超过了 50%。但是由于晶体管的开关需要一定的时间，因此在两管交替过程

37、中输出端存在一个短暂的无输出状态，这个状态称为交越区，这也就造成了失真，这种失真称为交越失真。所以 B 类功率放大器虽然效率高了，但其造成了较大的失真。AB 类功率放大器AB 类功率放大器电路如下所示：-14-AB 类放大器和 B 类放大器非常相似，但是由于 AB 类放大器在 B 类放大器的基础上增加了两个消除交越失真的二极管，可以使两个体积管在交替时刻同时导通，因此也就改善了 B 类放大器的交越失真现象，AB 类功放效率（7080%）不如 B 类功放高，但其精度比 B 类功放要高，因此常用作音频功放使用。D 类功率放大器从以上介绍的各类功放得知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，

38、所形成的直流功耗损失。无信号输入时，电流越大，效率越低。因此要提高效率则降低工作点，使无信号输入时，无直流损耗。但是由此带来的结果是使信号导通角变得越来越小，波形失真就越来越大，输出信号的谐波就增加了，这样就形成了两个矛盾。如果输入波形的边缘很陡峭，降低工作点之后就对导通角影响很小，那么失真变化就很小，而且效率也提升了，使波形边缘陡峭最恶劣的状态时使输入波形完全变成矩形波，这种波形无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直上升和下降的，导通状态不会变化，这样就形成了工作和脉冲放大状态的 D 类功率放大器。D 类功放工作在开关状态，无信号时无电流，而导电时没有电流损耗，事实上由于-15-关断时电器还有微

39、量电流，而导通时电路没有完全短路，也就是管子压降，故还存在少量的管子压降，正是由于此原因其效率高，100W 的输出设备大约损耗在十几瓦，因此其散热片就减小了许多，使电路板的体积变小。并且由于工作音频高十倍的脉冲状态，电流整流纹波对电路工作影响很小。D 类功放和线性功放相比，在工效上有很大的优势。对于线性功放来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗相当大的功率。而 D 类功放的晶体管只工作在开关状态，用来控制电流流过负载的电流方向。所以输出级的功耗低。D 类功放的主要损耗在晶体管的导通阻抗、开关损耗和静态电流消耗。放大器的损耗主要以热量的形式消耗。因此 D 类功放对散热片的要求大大降低，做

40、的好的 D 类功放可以完全省去散热片，因此非常适合那些功率大，空间小的电器使用。近年来，主要受到以下两个因素的影响，使 D 类功放在很多应用领域引起了人们的广泛关注。首先，市场的需求，D 类功放的某些特点推动了手机、平板电脑等终端设备市场的迅速发展。对于手机来说，扬声器和 PTT 模式需要 D 类功放的高效率，以此来延长电池的寿命。LCD 平板显示器的发展对电子器件提出了低温运行的需求，这是因为工作温度的升高将影响显示颜色的对比度。而 D 类功放的高效率意味着驱动电子设备时功耗更低，使 LCD 平板在工作时发热量更低，图像显示效果更好。影响 D 类功放发展的第二个因素便是自身技术的发展，由于现

41、代技术的不断发展，根据市场需求，制造商们也在对 D 类功放进行改进，使得 D 类功放在有了跟合理价格的同时，也具备了喝 AB 类功放相近的音频质量。除此之外现在很多 D 类功放输出调制方案还可以降低实际应用的 EMI。D 类功放的工作原理，首先将脉冲编码调制（PCM，pulse code module）音频数据流通过专门的等比特数据处理器（EquibitDSP）变换成脉宽调制（PWM，pulse width modulation）的数据流，采用脉宽调制后，音频信号变成了一系列的用 0 和 1 表示的宽度可变的脉冲串，脉冲的宽度越宽，信号的幅度就越大。将这些脉宽调制的数据流去推动功率放大器的常规

42、晶体输出管。由于受到脉宽数据流的作用，晶体输出管将迅速地时而饱和导通，时而截止断开。晶体管导通工作越长，信号幅值越大，于是晶体输出管为扬声器提供的电流也是越大。音频信息就包含在这些接通和断开的周期过程中。脉冲信号再由晶体管放大后，便有 LC 低通滤波器进行平滑处理，从而恢复为原来的音乐声波。D 类功放的电路工作方式为开关状态，作为放大音频正弦信号，还需要模数转换-16-电路，即将模拟的音频信号转换脉冲方波信号，从而进行放大，原理如下：由上图的结构可得，两个放大器反向相接，实际上是构成了推挽状态，起到开关作用其控制与电源串联的负载回路，低通滤波器 LPF 可以滤去脉冲波的高频部分，得到基波成分，

43、所以实际上成为数模转换电路。重新将脉冲波转换成正弦波。从电路看，当两支形状短路阻抗为 0，开路阻抗为无穷大时，电路效率为 100%。因为扬声器为感性负载，对于高电感的扬声器如中频扬声器，D 类功放可以不经过低通滤波器，直接和扬声器相连。上图为将音频信号调制成脉冲信号的原理，由图可知让脉冲信号的宽度受到正弦信号的调制，称之为 PWM 信号，即脉宽调制信号。再次没有应用一般的概念的 A/D变换电路，而是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波，共同作为变换器的输入，相当于反向比较器，当三角波幅度大于正弦波部分，变换电路输出 1，而当三角波幅度小于正弦波幅度处，变换电路输出 0，这样即将输入的正弦波信

44、号变换成宽度随正弦信号波幅度变换的 PWM 波。D 类功放使用的开关管采用功率型 MOSFET，即大功率场效应管，并为保证足够的激励电压而设有驱动电路，使 FET 能够充分的开启和关断。下图是 PWM 波的频谱，当放大单一频率的正弦波时，其频谱中除低频段存在与输入信号同频率的基波成分外，还存在各次谐波的频谱。因此用 LPF 低通滤波器就可以滤去高频谱谐波而得到正弦基波成分，因此可使数模转换电路十分简化。-17-D 类功放的优点：在传统的 D 类功放中，输出级包括提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型，包括 A 类放大器、B 类放大器、AB 类放大器，与 D 类放大器相比

45、较，即使是最有线性的输出级，他们的输出级功耗也很大。这种差别使得 D 类功放在许多应用领域有着非常显著的优势，因为其功耗低而产生的热量少，节约了电路板的面积，由此带来的结果是节省了成本。并且能延长便携式电池使用时间。和模拟功率相比较，类功率放大器具有以下明显优势：（1）直接接收等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号，直接以数字信号进行放大，体现了数字音源的完美结合。（2）高、中、低频无相对相移，声音清晰，声像定位准确，由于使用了无负反馈的放大电路，数字滤波器等处理技术，可以使输出滤波器的截止频率设置得较高，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。（3）瞬态响应好

46、，即动态响应好。由于它不需要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，再加上无模拟放大，无负反馈的制约，因此具有更好的动力特征。（4）无过零失真。传统功放都存在由于对管配对以及各级调整匹配不佳而产生的过零、交越失真。（5）能量转换效率高，体积小，可靠性高。耗电量仅为同功率级别的放大器三分之一。在电源使用率上高达 90%以上，节约能源，也就符合了现代世界都在提倡的节能。（6）适应于大批量生产。产品性能好，生产中无需特性繁琐的调节过程，只要保证元件安装正确就行。3.2 系统开发环境系统开发环境 硬件环境：51 系列单片机 STC89C52软件环境：Keil4，Protel99se-

47、18-第 4 章系统设计各模块的设计简介各模块的设计简介本次电路设计主要包括以下几个模块：单片机主控电路设计； 模数转换模块的设计；功放模块的设计。4.1 主电路的设计主电路的设计（1）STC89C52 的简介 STC89C52 是一种低功耗，高性能的 CMOS 8 位微处理器，内部有 8K 字节的闪速PEROM ，该芯片采用 ATMEL 公司高密度、非挥发性存储器工艺制成且与工业标准的MCS-51 系列的引脚及指令兼容，FLASH 系列存储器为快速擦写存贮器。相对于MCS-51 系列芯片而言，其特点如下： 可擦写 1000 次 全静态操作：0Hz33MHz 32 根可编程 I/O 口线 内部

48、 RAM 为 256 字节 三个 16 位的定时/计数器 8 个中断源 STC89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，STC89C52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 （2）STC89C52 芯片的管脚、引线与功能 引脚信号介绍： P0.0P0.7 ：P0 口 8 位双向口线 P1.0P1.7 ：P1 口 8 位双向口线 P2.0P2.7 ：

49、P2口 8 位双向口线 P3.0P3.7 ：P3 口 8 位双向口线。EA 访问程序存储器控制信号：当EA 信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器；而当 EA 信号为高电平时，则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。ALE 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE 用于控制把 P0 口输出低 8 位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于 ALE 是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。 PSEN 外部程序存储器读选取通信号：在读外部 ROM 时 PSEN 有效（低电平） ，以实现外部 ROM 单元的

50、读操作。 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体引线端：当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。 RST 复位信号：当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 VSS：地线 VCC：+5V 电源。STC89C52 的总线结构： STC89C52 的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户 I/O 口部分 P3 外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚构成了三总线形式，即： 地址总线（AB）：地址总线宽度为 16 位，因此，其外部存储器直接地址外围为 64K字节。16 位地址总线由 P

51、0 经地址锁存器提供低 8 位地址（A0A7） ；P2 口直接提供高 8 位地址（A8A15） 。 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P 口提供。 控制总线 （CB）：由部分 P3 口的第二功能状态和 4 根独立控制线 RST、EA、ALE、PSEN 组成。-19-（2）时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。 时钟信号的产生 单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的

52、外部，XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。 电容器 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速起振，电容值的范围在 5pF-30pF,典型值为 30pF。晶振的频率通常选择两种 6MHz 和 12MHz。只要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。（3）复位电路设计复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。 单片机常见的复位电路通常单片机复位电路有两种：上电复位电路，按键复位-20-电路。上电复位电路：上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。它利用的是电容充电的原理来实现的。按键复位电路：它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。如果要实现复位的话，只要按下 RST 键即可。它主要是利用电阻的分压来实现的，