Get格雅基于单片机的D类功放设计——设计

基于单片机的D类功放设计——设计
号：
毕业设计说明书
题目：基于单片机的D类功放设计
院〔系〕：桂林电子科技大学职业技术学院
专业：电子信息工程
学生姓名：李杭清
学号：
指导教师：王勇军
职称：讲师
题目类型：理论研究实验研究√工程设计工程技术研究软件开发
2021 年10 月25 日
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。

功放系统利用单片机的AD转换功能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PWM信号，再由低通滤波器把PWM波形中的声音信息解调出来。

系统以内带AD转换器的8051内核单片机STC12C5410AD为音频采集核心,由单片机内部算法转换成SPWM信号。

系统的放大局部采用功率型高速MOSFETD开关管组成推挽放大电路，主要用来PWM信号放大,最后利用LC低通滤波器对脉冲信号进行平滑处理，复原出声音电信号，最后通过扬声器来转换输出放大了的声音信号。

经试验验证，本文制作的D类功放，具有功耗低、本钱低、电路简单、音质较好等优点。

关键词：数字功放；STC12C5410AD；推挽放大；PWM；低通滤波器
Abstract
Digital power amplifier 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. Power 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 by the low-pass filter demodulation of the PWM waveform sound information. System with the AD converter within 8051 kernel microcontroller STC12C5410AD as the core audio collection, internal algorithm converts the SPWM signal by single-chip microcomputer. Amplification part of the system of using power type high-speed MOSFETD switching tube push-pull amplifier circuit, mainly used for PWM signal amplification, finally using LC 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 made of class D power amplifier, has low power consumption, low cost, simple circuit, good sound quality, etc.
Key words: Digital power amplifier; STC12C5410AD; Push-pull amplifier; PWM. Low pass filter
目录
1 绪论 0
1.1 课题背景 0
1.1.1 D类功放开展历程 0
1.1.2 D类功放的目前现状 (1)
1.2 本设计主要研究工作 (1)
1.3 本设计的结构 (2)
2 音频功放与STC12C5410AD单片机简介 (2)
2.1 音箱的特征及性能 (2)
2.1.1 声音的特征 (2)
2.1.2 音响的结构及参数 (2)
2.1.3 放大器的技术指标 (2)
2.2 功率放大器简介 (3)
2.2.1 A类功率放大器 (3)
2.2.2 B类功率放大器 (4)
2.2.3 AB类功率放大器 (5)
2.2.4 D类功率放大器 (6)
2.3 D类功放的原理 (7)
2.3.1 D类功放的工作原理 (7)
2.3.2 D类功放的优点 (9)
2.4 STC12C5410AD单片机简介 (9)
3 基于单片机D类功率放大器系统总体设计 (10)
3.1 系统总体设计方案 (10)
3.2 硬件系统局部 (10)
3.5 D类功放 (13)
3.3 软件系统局部 (14)
4 整体系统优点和存在问题及改良 (16)
4.1 整体设计优点 (17)
4.2 存在问题及改良 (17)
4.3 硬件安装和调试 (17)
5 总结 (17)
致谢 (20)
附录 (21)
1 绪论
1.1 课题背景
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以成为主流，如MP3、平板电脑等。

随着这类携带有音频设备的电子产品的开展，音频设备也随之开展，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，其根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。

而功率放大器是对音频放大的设备，是高保真音频放大处理的核心局部。

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和要求和本钱要求，但线性功率放大器以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类音频功放大器的效率远比那些线性功放高的多，理论上能到达100%，而实际上也能到达85%以上，如今以经开放出无需输出滤波的D类功率放大器集成芯片，使得音频功放的电路更加简单，因而到达了减小体积的效果，这样的特点设之更适用于便携带式电子设备中。

如今的LCD〔Liquid Crystal Display，液晶显示器〕电视机、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，而不是增加本钱，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带式产品中。

其工作特点是工作电压低、输出功率打、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，使之在短时间内的得到的长足开展。

并且如今许多D类功放以进入了原来由线性功放占领的市场。

消费市场上适用D类功率放大器的原因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类功放能到达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,要么工作在截止态，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效率，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兴旺也不能实现某个机器能将效率到达100%。

真是其开关特性，设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。

下面就将对D类功放的开展史做一下简要介绍。

1.1.1 D类功放开展历程
在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。

认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。

但是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽疾。

B类功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，仍感效率偏低不能令人满意。

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开展，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
还是在价格上均已不成问题。

而且近年来数字音响技术的开展，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类功放的开展优势。

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局部电能。

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%，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或25%〔按负载方式而定〕。

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〔也就是产生数字信号的功能〕随着数字音频技术研究的不断深入，用与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放大音频信号。

其中关键的一步就是对音频信号的调制。

1.1.2 D类功放的目前现状
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.这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、数学、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和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Icm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。

它的管子工作在开关状态，导通时管子进入饱和态。

元件内阻接近与零；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，这样就减小了开关管的损耗，效率随即增加。

也就如前面所说的理论上其效率可以到达100%。

1.2 本设计主要研究工作
本设计的主要任务是对D类功放系统进行探讨和研究，并在设计中结合STC 系列单片机STC12C5410AD中的A/D与PWM 转换等知识以及运用三极管方面的知识设计一个基于单片机的D类功率放大器使其能够具备输出功率大、不失真效率高的特点。

在设计中由于运用了STC12C 5410AD和一些新型的集成元件使得设计的功放简单灵活性好可扩展性强，而这些功能仅仅通过D 类功放是很难完成的。

1.3 本设计的结构
第一局部为音频功率放大器与STC12C 5410AD单片机的根底相关知识。

第二局部为功放系统的总体设计介绍。

第三局部为设计的各局部硬件电路模块功能的介绍分析。

第四局部为设计的软件框图主要介绍STC12C 5410AD单片机中A/D与PWM 转换的实现。

第五局部为设计的整体系统优点以及存在的缺乏与改良。

2 音频功放与STC12C5410AD单片机简介
2.1 音箱的特征及性能
2.1.1 声音的特征
声音：它是声波的物理量“振幅〞有关，声波的振幅越大，人耳就感觉声音越大，反之声音就小。

声音的大小是人耳听觉的主观感觉。

音调：它是人耳对声音调子上下的主观感觉，声调的上下与声音的物理量是“频率〞对应人体的听觉范围：20hz到20Khz称之为可听声，低于20hz称之为次声波，高于20Khz称之为超生波，人耳对3k到4K的声音最为敏感。

声色：它又称音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放偶次谐波多，奇次谐波少，声音优美、甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳、清丽。

2.1.2 音响的结构及参数
前置放大器和功率放大器，前置放大器承当控制任务为主，对各种节目的源信号进行处理，对微弱信号进行放大到0.5-1V，进行各种音质控制，以美化音色。

功率放大器承当的主要任务是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，一推动扬声器发出声音，其有电压放大和电流放大两种，但在功率放大的情况下要求其不能失真。

2.1.3 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〔r<1%〕的最大功率称为额定功率。

测试条件：信号发生器输出频率为1Khz，电压Ui-30mV的正弦信号.功率放大器输出端接额定负载电阻,输入端接Ui,逐渐增加输入电压,直到Uo的波形刚好不出现谐波失真(r<1%),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,防止损坏功率放大器。

〔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fl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，再用电流表的交流挡测其有效值。

2.2 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。

2.2.1 A类功率放大器
A类功率放大器的电路如图2.1 所示：
图2.1 A类放大电路
A类放大电路的特性曲线如图2.2 所示：
图2 .2 A类放大电路的特性曲线
有电路图我们可以看出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，因此晶体管会变得热。

有其特性曲线图左边为晶体管出入特征，固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期和饱和区之内，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局部来计算，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，有约一半的直流电其消耗为Ico×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所。

如收音机。

2.2.2 B类功率放大器
B类功率放大器电路图如图2.3所示：
图2.3 B类功率放大器电路图
B类功率放大器特性曲线如图2.4所示：
图2.4 B类功率放大器特性曲线从电路图我们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类功放的特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在无信号输入的情况下原那么上没有信号输出，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，这也造成了失真，这种失真称为交越失真，如图2.5所示。

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。

图2.5 交越失真
2.2.3 AB类功率放大器
AB类功放电路图如图2.6所示；
图2.6 AB类功放原理图
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类放大器的根底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类功放其效率〔70%-80%〕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。

2.2.4 D类功率放大器
从以上介绍的各类功放知，影响放大器效率的根本因素是无信号时的工作电流,所形成的直流功耗损失。

无信号输入时,电流越大，效率越低。

因此要提高效率那么降低工作点，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。

如果输入波形的其边缘很陡峭，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，事实上由于关断时电器还有微量电流,而导通时电路没有完全短路，也就是有管子压降，故还存在少量的管子压降，正是由于此原因其效率才没能到达100%，实际上其效率大约80%-90%之间，是实用放大器中效率最高。

正是由于其效率高，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，使电路板的体积表小。

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，在工效上有很到的优势。

对于线性功放来说，偏置原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光状态，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开销。

放大器的损耗主要以热量的形式散耗。

因此D类功放对散热片的要求大大减低，做的好的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。

今年来，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、平板电脑等终端设备市场的迅速开展。

对于来说，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平板显示器的开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比照度。

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 类功放开展的第二个因素便是自身技术的开展，由于现代技术的不断开展，根据市场需求，制造商们也在对D类功放进行改良，使得D类功放在有了更合理的价格的同时，也具备了和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。

2.3 D类功放的原理
2.3.1 D类功放的工作原理
D类功率放大器的原理，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有时无。

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光状态，作为放大音频正弦信号，还需要模\数转换电路，即将模拟的音频信号转换脉冲方波信号，从而进行放大，其原理方块图如
2.7所示；
图2.7 D类功放的原理方块图由图2.7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局部，得到基波成分，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。

那么如何将音频信号调制称为脉冲信号呢，如图2.8就表示如何将正弦信号变成脉冲信号。

图2.8 将正弦波变成脉冲波的原理
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。

在此没用应用一般的概念的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，相当于反向比拟器，当三角波幅度大于正弦波局部，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号变换成宽度随正弦信号波幅变换的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，并为保证足够的鼓励电压而设有驱动电路，使FET能够充分的开启和关断。

图2.9是PWM波的频谱，当放大单一频率的正弦波时，其频谱中出去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。

图2.9 PWM波的频谱
2.3.2 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类放大器相比拟，即使是最有线性的输出级，它们的输出级功耗也很大。

这种差异使得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本钱。

并且能延长便携带式电池的使用时间。

和模拟功率相比拟，D类功率放大器具有以下明显优势：
〔1〕直接接收CD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，表达了数字音源的完美结合。

〔2〕高、中、低频无相对相移，声音清晰透明，声像定位准确，由于使用了无负反应的放大电路，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，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藏，再加上无模拟放大，无负反应的制约，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加而产生的过零、交越失真。

〔5〕能量装换效率高，体积小，可靠性高。

好点量仅为同功率级别的放大器的三分之一。

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〕适应于打批量生产。

产品性能好，生产中无需特性琐的调节过程，只要保证原件安装正确就行。

2.4 STC12C5410AD单片机简介
高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位一直是衡量单片机性能的重要指标也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

回忆单片机开展史我们看到早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因所以采取稳妥方案即采用较高的分频系数对时钟分频使得指令周期长执行速度慢。

以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施但这种状态并未彻底改观。

STC12C5410AD单片机是深圳宏晶科技的典型单片机产品，采用了增强型8051内核，片内集成：10KBFlash程序存储器、2KB数据Flash〔EEPROM〕、512BRAM、两个16位定时/计数器、最多27根I/O口线、全双工异步串行口〔UART〕、高速同步通信端口〔SPI〕、8通道10位。

STC12C5410AD具有在系统可编程功能，可以省去价格较高的专门编程器，开发环境的搭建非常容易。

STC12C5410AD单片机是高速、低功耗的新一代增强型8051单片机，STC12系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核结构上进行了较大改良推出的一款。