基于单片机的D类功放设计

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基于单片机的D类射频功率放大器研究

开关反相联接，际上构成推挽状态，到开关作用实起控制与电源串联的负载回路（）连接正电源的Ｒ，
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波信号，用双电源Ｄ类高频功率放大器作为功放的方法．Ｄ类放大器的基本原理出发，系统的工作原并从对理进行了分析，对系统进行仿真实验．验表明，并实该方法提高了信号的传输效率，低了信号失真并且避免降了信号的相互干扰．Ｄ类功放进行的改进，以极大地提高高频功率放大器的输出功率和效率，时高频对可同
肖俊武等基于单片机的Ｄ类射频功率放大器研究
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高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率．只要将效率稍许提高一点，就能在同样的器件耗散功率条件下，大提高输出大

D类功放原理与设计

D类功放原理与设计D类功放是一种利用数字技术来增强音频信号的功率的放大器。

它是一种以数字方式来放大音频信号的功放，以取代传统的A、B、AB类功放。

相较于传统的类A、B、AB功放，D类功放具有更高的效能和更小的体积。

它的设计原理基于PWM（脉宽调制）技术和一个能将模拟信号转换为数字信号的模拟-数字转换器（ADC）。

D类功放工作在开关状态，将输入的模拟音频信号转换为数字信号。

这个数字信号经过时钟和滤波器的处理，输出的是一个PWM波形。

PWM波形有两个状态，即高电平和低电平。

这两个状态之间的切换频率即为PWM频率。

高电平和低电平的占空比（高电平的时间占总周期的比例）根据输入音频信号的幅度进行调整。

PWM波形输出通过一个低通滤波器进行平滑处理，得到放大后的音频信号。

在这个过程中，由于D类功放开关状态的工作，功率损耗很小，效率非常高，达到了90%以上，远高于传统功放的30%～60%。

D类功放的优势不仅体现在效率上，还包括尺寸小、重量轻、发热量少等。

这使得D类功放非常适合应用在便携式电子设备、汽车音响和家庭影院等领域。

另外，由于D类功放的输出波形是PWM波形，因此它对输出的音频信号几乎没有非线性失真，能够提供高保真的音质。

在设计D类功放时，需要考虑以下几个方面：首先，要选择合适的ADC和PWM控制器。

ADC应具有高精度和高采样率，能够准确地将模拟信号转换为数字信号。

PWM控制器应具有稳定的时钟频率，能够产生高质量的PWM波形。

其次，要设计合适的滤波器。

滤波器的作用是平滑PWM波形，去除其中的高频成分。

设计滤波器时需要考虑的参数有截止频率、阶数和选择合适的滤波器类型（如二阶有源滤波器）。

另外，还需要设计适当的保护电路。

因为D类功放工作在高频开关状态，过电流、过压和过热都可能对电路造成严重损害。

因此，需要设计过电流保护电路、过压保护电路和过热保护电路来确保功放的稳定运行和安全性能。

最后，输出级的功率管选取也是设计D类功放时需要考虑的关键问题。

用STC单片机制作D类功放

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一简单有趣的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PWM信号。

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的方法比较，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。

D类功放的设计原理

D类功放的设计原理D类功放，全称为“数字功率放大器”，是一种电子功率放大器的类型，它的设计原理基于数字信号的处理和模拟功率放大电路的协同工作。

相比于传统的A类、B类、AB类功放，D类功放具有更高的功率效率，更小的尺寸和重量，更好的线性度，以及更低的功率损耗。

下面将详细介绍D类功放的设计原理。

1.PWM调制原理D类功放的核心设计原理是采用脉宽调制（PWM）技术。

PWM是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制平均输出功率的方法。

D类功放通过将原始的模拟音频信号转换为数字信号，并通过比较器产生一个与模拟信号频率相同的矩形波，然后根据输入音频信号的幅值调整矩形波的脉宽，最后通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。

2.数字信号处理D类功放的设计中需要进行数字信号处理。

首先，输入的模拟音频信号需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号，然后通过数字信号处理器（DSP）进行数字信号的滤波、均衡、增益控制等处理，最后再经过数字模数转换器（DAC）转换回模拟信号。

3.比较器比较器是D类功放中的一个关键组件，用于将模拟音频信号与产生的PWM矩形波进行比较。

比较器的作用是根据输入信号的幅值调整PWM信号的脉宽，从而控制输出功率。

比较器通常由操作放大器和参考电压产生器组成。

4.滤波器在PWM调制之后，需要通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。

滤波器的作用是去除PWM信号中的高频分量，保留音频信号的低频成分。

常见的滤波器类型包括低通滤波器和带通滤波器。

5.输出级D类功放的输出级通常采用开关管（如MOSFET）构成。

开关管的特点是具有较低的开通电阻和较高的关断电阻，从而实现更小的功率损耗和更高的功率效率。

输出级通常由多个开关管组成，根据功率需求可以并联或串联排列。

输出级的设计需要考虑电压和电流的控制，包括过电压和过电流的保护。

6.反馈控制为了提高D类功放的线性度和稳定性，通常需要采用反馈控制。

通过对输出信号与输入信号进行比较，调整PWM信号的脉宽和幅值，以使输出信号尽可能接近输入信号。

基于D类放大的高效率音频功率放大器设计

基于D类放大的高效率音频功率放大器设计第19卷V01.19第11期No.11电子设计工程ElectronicDesignEngineering2011年6月Jun.2011基奇D类放大的高效率音频功率放大器设计王妍,刘帅威,金丽洁(武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079)摘要:为提高功放效率,以适应现代社会高效,节能和小型化的发展趋势,以D类功率放大器为核心,以单片机89C51和可编程逻辑器件(FPGA)进行控制及对数据的处理,实现了对音频信号的高效率放大.系统最大不失真输出功率大于1W,可实现电压放大倍数l一20连续可调,并增加了短路保护断电功能.输出噪声低.系统可时功率进行计算显示.具有4位数字显示.精度优于5%.关键词:D类功率放大;PWM调制;高速开关电路;低通滤波中图分类号:TN722.5文献标识码:A文章编号:1674—6236(2011)11-0152—04 DesignofefficientaudiopoweramplifierbasedonclassDamplificationW ANGY an,LIUShuai—wet,JINLi-jie(SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China) Abstract:Inordertoimprovetheefficiencyoftheamplifiertoadapttothemodemdevelopmen ttrendofeffective,energy-savingandtheminiaturization,thesystemisdesigned.WithclassDpoweramplifiera sthecore,basedonthemicrocontroller89C51andtheprogrammablelogicdevices(FPGA)todowiththecontrolan ddataprocessing,thesystem realizedthehighefficiencyamplificationforaudiosigna1.Thesystemundistortedpowerout putismorethan1Wandthe~o|tagemagnificationisl～20continuousadjustable.andshortcircuitprotectionisincreasedandtheoutputnoiseisvery low.Systemcancalculateanddisplaythepower.withaccuracybetterthan5%. Keywords:classDpoweramplifier;PulseWidthModulation;high—speedswitchtubes;low—passfilter传统的音频功率放大器主要有A类(甲类),B类(乙类)和AB(甲乙类).A类功率放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件.它的优点是输出信号的失真比较小.缺点是输出信号的动态范围小,效率低.理想情况下其最高效率为50%.B类功率放大器在整个输入信号周期内功率器件的导通时间为50%,它的优点是在理想情况下效率可达78.5%,但缺点是会产生交越失真,增加噪声.AB类(甲乙类)功率放大器是以上两种放大器的结合,每个功率器件的导通时间在50%一1o0%之问,兼有甲类失真小和乙类效率高的特点,其工作效率介于二者之间.传统音频功率放大器效率偏低,体积偏大的缺点与音频功率放大高效,节能和小型化的发展趋势的矛盾,催生了D类(丁类)音频功率放大器出现和发展.本系统即采用D类功率放大实现.并用单电源供电,符合现代社会对电源小巧,便携要求的实际需要.1系统方案论证与选择1.1整体方案方案①:数字方案.输入信号经前置放大调理后.即由A/D采入单片机进行处理,三角波产生及与音频信号的比较均由软件部分完成,然后由单片机输出两路完全反向的PWM波给人后级功率放大部分,进行放大.此种方案硬件电路简单,但会引入较大数字噪声.方案②:硬件电路方案.三角波产生及比较,PWM产生仍由硬件电路实现,此方案噪声较小,且幅值能做到更大,效果较好.故采用此方案.1.2三角波产生电路设计方案①:利用NE555产生三角波.该电路的特点是采用恒流源对电容线性冲,放电产生三角波.波形线性度较好,频率控制简单,信号幅度可通过后加衰减电位器控制.方案②:对方波积分产生三角波.积分器与比较器级联,通过对比较器产生的方波积分得到三角波.频率与幅值控制只需调整某些电阻值.控制简单.但考虑积分电路存在积分漂移.此处采用选择方案①.1.3P删波产生方案设计方案①:直接比较.取偏置与输入音频信号偏置相同.幅度略大的三角波信号与音频信号直接比较,产生PWM波.后再经反向器产生一路与之完全反向的PWM波信号给后级放大电路.方案(:双路比较.用两路偏置不同的三角波信号与音收稿日期:2011-04一Ol稿件编号:201104005作者简介:王妍(1991一),女,河南遂平人.研究方向:光信息科学与技术. 一152-王妍,等基于D类放大的高效率音频功率放大器设计频信号的上下半部分别比较.此种方案可减少后级H桥电路中CMOS管的开合次数,减少功率损耗,提高效率.方案③:将音频信号直接反向.在对音频输入信号进行放大调理后直接将其反向,再对处理后信号分别进行三角波比较,从而产生两路反向的PWM波.因方案②的效率较高且对抑制共模噪声有一定作用,故选用方案②.1.4短路保护方案设计方案①:电流互感器法.用电流互感器感应出通过负载电阻的电流,在对此电流进行处理,以判断电路过不过流.方案②:采样电阻法.将一小值电阻串人电路中采出系统流过负载的电流,以判断电路过不过流.该方案实现简单, 且接入小值电阻对此系统影响很小,故采用此方案.2系统总体设计方案及实现框图如图1所示为系统的整体实现框图,系统由高效率功率放大,信号变换电路,过流保护及功率测量4个主要模块组成.其中最核心的高效率功率放大器又由前置放大,三角波产生电路,比较器电路,驱动电路,H桥互补对称放大5部分构成.输入音频信号经过前置放大电路进行放大调理后,分上下部与两路三角波信号进行比较.得到两路相互对应的PWM波.即对音频信号进行脉宽调制,而后经驱动电路增加其信号的驱动能力,再给入H桥模块,利用占空比的变化控制功率开关管的导通与截止,实现功率放大,之后再对负载上的输出进行低通滤波滤出原音频信号.在负载上将信号给人信号变化电路,将双端信号转化为单端信号,经一截止频率为20kHz的RC滤波器后接测试仪表测试.同时在此处将单端信号真有效值检波,经AD采样后送入单片机内进行功率计算及显示.系统还有过流保护功能,0.1Q采样电阻与负载串联,采出流过负载的电流值,经放大比较后,用继电器控制功率放大部分的供电,从而实现保护作用.系统最大不失真输出功率大于等于1W.可实现电压放大倍数1一加连续可调,因采用D类放大方案,可达到较高的效率.输出噪声很小.功率显示误差很小.一高效率功率放大器一圆圈图l系统整体框图Fig.1Blockdiagramofsystem3主要功能电路设计-3.1前置放大模块前置放大电路采用高效率,轨对轨,低噪声运放芯片0PA350构成同相宽带放大电路.信号输入端串联电容达到隔直耦合作用.同时因单电源供电,在运放同向端给2.5V偏置.设置反馈电阻为电位器,可动态改变放大器的增益1—20 倍增益连续可调【1】.3.2三角波产生电路三角波产生电路如图2所示.采用NE555芯片构成三角波电路.通过恒流源对电容C,实现线性充放电从而获得三角波.开始工作时,555芯片3号脚为高电平,二极管D4导通,D3截止,从而D1导通,D2截止,由,,构成的恒流源通过D1对C.线性充电,当充电使C.两端电压达到2/3Vcc时,3号脚输出电平发生反转.变为低电平.此时D1, D2,D3,D4导通状态也完全相反,由下方,,R构成的恒流源通过D2对C线性放电,当放电使C两端电压达1/3Vcc时,3号脚又反转为高电平,如此循环往复,实现周期三角波信号产生.由C两端引出输出,即可得到线性度良好的三角波信号,后接一级同相跟随器已达到前后级隔离的目的.C采用漏电流低,响应速度快的聚苯乙烯电容,保证较好性能.三角波频率,幅值计算如下:记通过电阻,,:的充放电电流为,n,此处lo=VbelR(其中Vbe为三极管的导通电图2三角波产生电路Fig.2Producingcircuitoftriangularwave压),则有￡1=(2/3Vcc一1/3Vcc)xCl(1)一,n×t2=(1/3Vcc一2/3Vcc)xCl(2)三角波周期T=tl+f2,频率为1/T,此电路经实测产生三角波频率为120kHz(会与计算值有所偏差,因为三极管导通压降不严格为0.7V).一153-《电子设计工程)2011年第11期3.3双路比较器电路IPWM波产生电路)双路比较器电路采用低功耗,可单电源工作的双路比较器芯片LM393构成.此处为提高系统效率,减少后级H桥中CMOS管不必要的开合.用两路偏置不同的三角波分别与音频信号的上半部和下半部进行比较.产生两路相互对应的PWM波信号给后级驱动电路进行处理.双路比较波形图如图3所示.此处值得注意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负向端,三角波信号接正向端:下半部比较则相反.这样形成相互对应.在音频信号的半部形成相应PWM波时.另半部为低电平.可保证后级H桥中的CMOS管没有不必要的开合.以减少系统功率损耗.利用电位器将上半部比较三角波偏置调至3V.下半部比较三角波偏置调至2V.还需注意.三角波信号应比需比较范围内的音频信号幅度稍大一些.且偏置调节要较准确,以防音频信号某些点比较不到,后续滤波还原原信号时产生失真.三角渡与正弦波比较渡图形比较产生两路PWM波形图图3双路比较波形图Fig.3Compareofdoublelines3.4H桥互补对称输出电路(后加四阶巴特沃斯滤波)H桥互补对称电路如图4.采用低导通电阻,开关速率快受温度影响小的场效应对管IR54o和IRF54o组成互补推挽放大电路.选用对称输出方式,充分利用电源电压.浮动输出载波峰峰值最大可达l0V.有效地提高了输出功率.+5V.￡I厶R1L,L?瓣鲁诗,RF54RF540l0.47pI1l'IIRj图4H桥互补对称输出电路Fig.4Hbridgecomplementarysymmetricaloutput经H桥互补对称电路放大后的两路信号分别通过一四阶巴特沃斯滤波器低通滤波,从而滤去高频载波.得出放大后的音频信号加在8Q负载两端.滤波器上线截止频率约为20kHz,通频带内特性平坦,效果较好.注意此处应选择大功率电感.否则会对信号幅值有削减作用,不能达到较高功率t21.3.5短路保护模块短路保护电路如图5.将一0.10小电阻接入系统中.与一l54—8n负载电阻串联.通过对采样电阻两端取样电压进行放大.而后再与设定的基准电压进行比较从而控制功放部分的供断电,起到保护作用.放大部分采用芯片NE5532构成减法放大器.放大的同时可将电阻两端的双端信号变为单端信号.放大器放大倍数为:Au=R3/Rl=RJR2=52.83(3)+12VR3各l0.1Q—多午—1__J3fI'..蹩图5短路保护电路Fig.5Overeurrentprotection经过放大后的信号经过由Dl,C,风组成的峰值检波部分.检出信号幅度值送至比较器与设定的基准电压进行比较.比较器选用低功耗,响应速度较快的双路比较芯片LM393.比较器负端用稳压管D6及G,尺,设置为5.1V,比较器接成迟滞比较方式,一旦过流,即可白锁.此时比较器输出的高电平使三极管导通,继电器的地控制端与地联通,继电器吸合,切断功放部分的供电.达到保护目的.因比较器自锁,所以在解决过流问题后,关断保护模块的电源,才能重新进入保护状态.D2,D3,R:c2组成开机延时电路,在断电后,c2通过D2快速放电,防止开始瞬间G2上的残余电压对3号脚影响.防止比较器在非正常状态下进入自锁状态.使保护模块不能发挥正常作用团.3.6功率测量及显示电路(有效值检波及AD转换电路)功率测量电路采用真有效值检波芯片AD637检出信号真有效值,再经l2位串行接口,20kHz采样率AD芯片ADS1286采样后送至FPGA内由程序进行处理.计算出功率并显示.如图6所示.输入级用OPA604构成一射极跟随器已达到隔离前后级的作用.改变平均电容的值可设定平均时间常数,并决定低频准确度,输出波纹的大小和稳定时间.交流波纹分量可以用增大此电容的值来减少,但这样会使建立时间增大,所以选择用后接一个二阶有源低通滤波器的方法来减少输出的纹波.得出真有效值后直接给人ADS1286进行模数转换.再由FPGA处理,计算出系统的输出功率并进行显示口】.4系统软件的设计根据题目要求,要实现对系统功率的测量和显示功能,硬件上采用8位CPUAT89S52,通过C51编程实现.单片机主要完成对ADS1286的控制,采人数据,计算功率和送显示的功能.而FPGA(采用Atem公司的Cyclone系列的EP1C6QC240)StJ作为一个总线控制器,对液晶和MD与单片.呲.I纠L王妍,等基于D类放大的高效率音频功率放大器设计^D637BINcCOMOutoffs~tCS萋--v4DIRMSout—D日CA V20kQ20kfiC210uF图6功率测量及显示电路Fig.6Measureanddisplayofthepower机之间的数据交换进行管理.采用V efilogHDL语言在及500mW,将四位半数字多用表串入放大器电路中,测出电Quanus9?的环境下编程实现.路电流,【匍.根据式=计算出功率放大器效率,5测试方法和结果结果见表2所示.5.1测试仪器'15MHz函数信号发生器型号:Agilent33120A数字示波器型号:TektronixTDSl002.双通道.60MHz直流电源型号:SG173SB3.稳压稳流型四位半数字多用表型号:Fluke45dualdisplaymuhimeter5.2测试方案及结果分析1)功率显示误差测量用Agilent信号源给出输入音频信号,示波器在单端输出测试点测负载上电压峰值.,据式I广P宴计算出实际功率,进而计算出显示误差,结果见表l所示裹1放大电路通频带性能测试数据表Tab.1Transmissionbandstesttable从表中数据可知,系统功率显示模块具有4位数字显示,精度优于5%,且误差较小.2)噪声用Agilent信号源给出输入音频信号(保证信号频率20kHz以下),用n1F电容进行输入端对地交流短路, 用示波器在输出端测量噪声大小.此时测得噪声为2.96mV.3)效率测量用直流电源对功放电路单独供电,以便测试效率.供电电压+5V.用与测通频带相同的方法给出给出输入信号,用示波器观察输出信号幅值,调整输出为200mW 表2功率放大电路效率测试数据裹Tab.2Poweroutputtesttable从表中可以看出,在输出功率为500mW时,功率放大电路效率高达64.1O%,大大满足了题目要求;在输出为200mW时,效率也达到了43.96%.系统可以实现高效率音频放大.4)过流保护测量用与测通频带相同的方法给出给出输入信号,用示波器观察输出信号幅值,将负载两端短路,可看到短路模块警示灯亮,功率放大部分的电源被切断,输出变为零.达到保护目的.6结论系统实现了对音频信号的放大处理,完成了高效率功率放大,信号变换,功率测量及显示,过流保护等功能.系统性能良好,在功率及效率方面的指标较高.放大电路,信号变换,功率测量及短路保护等部分都收到了较好的效果.尤其在功率方面可达到1.16w,效率可达到64%,噪声很低,功率测量显示误差较小.操作简单.人机交互灵活.参考文献:【l】董尚斌.电子线路(I)【M】.北京:清华大学出版社,2006.【2】高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程【M】.北京: 电子工业出版社.2o07.[3】黄根春,陈小桥.电子设计教程【M】.北京:电子工业出版社.20o8.[4]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计【M】.北京:北京航空航天大学出版社.2008.[5】夏宇闻.数字系统设计--V erilog实现【M】.2版.北京:高等教育出版社.2006.【6】谢自美.电子线路设计?实验?测试[M].2版.武汉:华中理工大学出版社.2o07.一l55—。

基于单片机的D类功率放大器的设计

河南科技学院2015届本科毕业论文（设计）论文题目：基于单片机的D类功率放大器的设计学生姓名：刘晓丽所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：田熙燕完成时间：2015年 5月 15日本文基于STC12C5410AD单片机设计了一种实用而便携的音频电子产品D 类功率放大器，具有价格低廉，使用方便,结构简单等优点。

在详细了解了各种功率放大器的优缺点的基础上，并结合各电路的效率、功耗、性能等方面的特性，对每个电路模块进行了细致的分析、设计，最终确保完成D类功率放大器各方面的功能。

关键词：D类功率放大器，前置放大，PWM，效率AbstractThis paper presents a practical and portable class D power amplifier of audio electronics, basing on STC12C5410AD single-chip design.With low prices, easy to use, simpie construction advantages.On the basis of learning more about the advantages and disadvantages of the various power amplifiers, we combine the characteristics of efficiency, power, performance and other aspects of each circuit, and make a detailed analysis and design of each circuit module. In the end, complete all aspects of the class D amplifier features.Keywords:Class D Power Amplifier, Preamplification, PWM, Efficiency1 绪论 (6)1.1设计的背景 (1)1.2设计的目的和意义 (1)2 系统总体设计方案 (1)2.1系统总体设计框图 (1)2.2 D类功放的工作原理 (2)3 系统硬件电路设计 (2)3.1前置放大电路 (2)3.1.1前置放大电路工作器件的选择 (2)3.1.2前置放大电路原理 (3)3.2单片机电路 (3)3.2.1 STC12C5410AD单片机简介 (3)3.2.2 STC12C5410AD功能引脚介绍 (4)3.2.3单片机外围电路 (4)3.2.4单片机对前置放大信号的处理 (5)3.2.5单片机内的A/D和PWM的实现 (6)3.3低通滤波电路 (7)3.3.1低通滤波电路原理图 (7)3.3.2低通滤波电路的作用 (7)3.4功率放大电路 (8)3.4.1功率放大器的输出功率及工作效率 (8)3.4.2功率放大器的线性度 (8)3.4.3功率放大电路原理 (8)3.4.4影响功率放大电路效率的因素 (9)3.5音量显示电路 (10)3.6 D类功放的优点 (10)4 软件系统部分 (11)5 总结 (12)致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。

D类功放原理与设计

D类功放原理与设计D类功放（Class-D Amplifier）是一种高效率的功放设计，它通过将输入信号转换为数字形式，然后使用PWM（脉宽调制）技术将数字信号转换为模拟音频信号，以驱动扬声器。

相比传统的A类、AB类功放，D类功放无论从效率、体积还是发热量都有着显著的优势。

下面将详细介绍D 类功放的工作原理与设计。

D类功放的工作原理主要有两个关键步骤：数字调制和输出滤波。

首先，输入音频信号经过采样、量化和编码等过程，转换为数字信号。

接下来，这个数字信号经过PWM调制，通过高频的开关器件（例如MOSFET）产生PWM信号。

PWM信号的占空比由输入信号的幅度决定，即信号越大，占空比越大。

PWM信号经过滤波器后，得到模拟音频信号。

滤波器主要起到去除PWM信号中的高频成分和输出重建滤波的作用。

滤波器采用带通滤波器，其截止频率一般设置在音频范围内。

在滤波器的设计中，为了保持D类功放的高效率，需注意滤波器的带宽不能太宽，否则会引起部分高频PWM成分通过滤波器，导致功放的效率下降。

D类功放的设计中，一般会用到两种反馈：输出滤波器反馈和比较器反馈。

输出滤波器反馈是将滤波器的输出信号与输入信号进行比较，从而实现在输出负载变化时的自动控制。

比较器反馈则是将滤波器输出的模拟信号与一个参考电压进行比较，并产生PWM信号。

这两种反馈的作用是保证输出信号的准确性和稳定性。

在D类功放的设计中，要考虑音频信号的失真问题。

由于PWM信号的存在，会引起PWM谐波失真。

这种失真一般通过PWM的频率设置和滤波器的设计进行抑制。

此外，功放电路中还需考虑开关器件的驱动问题，对于MOSFET等器件，要确保其能够快速地开关。

总的来说，D类功放通过将输入信号进行数字调制，并通过PWM技术转化为模拟音频信号，以驱动扬声器。

它具有高效率、小体积、低发热量等优势，在音频应用中广泛使用。

然而，D类功放的设计也面临一些挑战，如PWM谐波失真、滤波器选择等，需要借助合适的设计技巧和辅助电路来解决。

D类音频功放设计

D类音频功放设计D类音频功放是一种数字化放大技术，其设计基于PWM（脉宽调制）模块。

它以高效能的方式将模拟音频信号转化为数字形式，并通过快速切换音频信号的输出级来近似模拟音频信号。

这种设计异于传统的A类、B 类和AB类功放设计，在功率效率上有着显著的优势。

D类音频功放由输入级、PWM模块、滤波器以及输出级组成。

输入级主要负责将输入的音频信号转化为数字表示形式。

这可以通过使用采样器和模数转换器（ADC）来实现。

ADC将输入音频信号转换为离散的数位形式，通过采样和量化的过程实现。

然后，进一步的数字处理可以应用于信号，以改善音频质量。

PWM模块接收数字信号，并将其转换为脉冲宽度。

脉宽调制技术可以通过改变电平的脉冲宽度来近似模拟输入信号。

PWM模块根据输入信号的幅度，产生相应脉冲宽度调制的输出信号。

滤波器用于平滑输出信号，以去除PWM调制过程中产生的高频噪音。

通常采用低通滤波器用于过滤高频成分。

滤波器必须具有足够的带宽，以确保在不损失音频质量的情况下滤除尽可能多的高频噪音。

最后，输出级通过将PWM信号转换为模拟信号，从而得到放大后的音频信号。

它可以使用滤波器和放大器来实现这一转换。

滤波器用于去除PWM信号中的高频噪音，而放大器用于将信号放大到适当的水平。

在D类音频功放设计中，需要考虑以下几个关键因素：1.输出功率：根据设计需求，选择合适的输出功率。

这涉及到放大器的电源，散热系统等设计。

2.音质：在设计中要考虑到音频质量的损失问题。

在PWM调制过程中，可能会产生失真和噪音。

因此，需要仔细选择PWM调制方法和滤波器设计，以减少音频质量损失。

3.功率效率：D类功放以其高效能而闻名。

设计中需要考虑如何提高功率效率，降低功耗和热量产生。

4.保护电路：由于D类功放通常用于高功率应用，因此需要考虑到保护电路的设计。

这可以包括过热保护、过电压保护和过流保护等。

5.PCB设计：确保电路布局合理，减少干扰和噪音。

同时，需要考虑散热和电源线等布线问题。

用STC单片机制作D类功放

用STC单片机制作D类功放众所周知在各类功放中以其极高的效率著称，因此更符合绿色革命的潮流，也因此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一简单有趣的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，的效率为100%。

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的方法比较，该方案更容易产生形状、频率稳定准确的PWM波形。

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。

基于单片机的D类功放设计_毕业设计

编号：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： 010*********指导教师：王勇军职称：讲师题目类型：理论研究√工程技术研究软件开发2013 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。

系统的放大部分采用功率型高速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，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。

经试验验证，本文制作的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：数字功放；STC12C5410AD；推挽放大； PWM；低通滤波器AbstractDigital 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 01.1 课题背景 01.1.1 D类功放发展历程 01.1.2 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 硬件系统部分 (10)3.5 D类功放 (13)3.3 软件系统部分 (14)4 整体系统优点和存在问题及改进 (17)4.1 整体设计优点 (17)4.2 存在问题及改进 (17)4.3 硬件安装和调试 (17)5 总结 (18)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。

基于单片机全遥控的D类功率放大器毕设答辩

2 研究内容
RESEARCH CONTENTS
3 研究内容 RESEARCH CONTENTS
3 调试分析
DEBUG ANALYSIS
电路板制作出来后的下一步就是调试了，调试实际上是对设计出来的电路的一个验证。调试受到的制约有各方面的因素，稍微粗心大意些都会影响结果。在调试之前必须对所有导线用万用表检验过是否有线路不通的情况出现。我刚调试时在保证线路都是导通后接上电源基本上没声音出来，检查了好几天，把所有元件上的工作参数都测试了一遍之后，确定所有元件都没坏后断定是输出音频的接口接错了。
请各位专家和老师批评与指正
Tபைடு நூலகம்ANKS
4结论
Conclusion
通过这次毕业设计，我最大的收获就是自己动手做了点东西。结果如何并不重要，因为这完全是我自己做的，而且这个题目涉及的大部分内容都是我从来没有接触过的。但无论是软件还是硬件都还有待改进和完善，也有很多可以拓展的地方。经过这次系统的毕业设计，我对一个课题的系统研究、设计、制作的全过程有了一个大致的了解。这些认识对我们今后的工作和学习有很大的帮助。以后吸收利用，提高应用能力，也可以增长自己的知识，补充最新的知识。
2 研究内容 RESEARCH CONTENTS
本设计是利用Ti公司全D类音频功放芯片TPA3004D2和 MCS51系列微处理器设计红外线遥控的数字音量控制立体声音频功率放大器。TPA3004D2是D类立体声音频功率放大芯片，具有每通道12W的功率输出，本方案将使立体声音量由直流电压实现–40 dB 到 36 dB增益范围调节。我们知道要很好地设计一个电路，必须在设计之前对此电路中所用到的器件的功能特性能够有一个全面的了解。模块中用到了8051单片机、 EEPROM24C04、红外一体接收头、D/A转换器MAX541及D类功放芯片TPA3004D2。

D类功率放大器设计与制作

D类功率放大器设计与制作首先，我们需要明确D类功率放大器的工作原理。

它采用了脉冲宽度调制（PWM）技术，通过将输入信号转换为脉冲信号，并将其与高频的载波信号进行比较，以实现放大。

这样的设计使得D类功率放大器能够在输出功率为零或接近零时，电源能耗最低。

在设计D类功率放大器时，首先需要确定功率放大器的输出功率要求。

输出功率决定了需要使用的功率晶体管的尺寸和数量。

一般来说，功率放大器的输出功率越大，所需的功率晶体管尺寸和数量就越大。

接下来，需要确定功率放大器的负载阻抗。

负载阻抗是功率放大器输出末级与负载之间的阻抗匹配。

这样可以最大限度地传递功率，并减少功率放大器和负载之间的反射。

然后，需要确定驱动电路的设计。

驱动电路负责将输入信号转换为适合功率放大器的脉冲信号，并将其与载波信号进行比较。

通常，驱动电路采用运算放大器等器件，用于调整输入信号的幅值和偏置。

在设计完成后，我们可以着手制作D类功率放大器。

首先，需要根据设计要求选择合适的功率晶体管，并将其焊接到PCB板上。

然后，连接驱动电路和功率晶体管，以实现输入信号的转换和放大。

接下来，连接电源和负载，完成D类功率放大器的搭建。

在制作过程中，需要注意以下几个方面。

首先，确保电源和地线的连接正确可靠，以避免电路出现短路或断路的情况。

其次，注意散热问题，特别是功率晶体管的温度应控制在安全范围内。

此外，还要进行各种测试和调整，以确保D类功率放大器的性能和稳定性。

总结起来，D类功率放大器的设计和制作需要考虑功率要求、负载阻抗、驱动电路等因素。

通过选择合适的器件和进行正确的布线和连接，可以制作出高效率和低失真的D类功率放大器。

此外，制作过程中还需要注意电源和散热等问题，以确保功率放大器的稳定性和可靠性。

基于单片机及FPGA的高效率、低失真D类功放设计

３．６Ｈ．片机主频选用８ＭＨ，／９０１ｋｚ单ｚＡＤ转换
结果保留１０位，得单片机定时器中断时间常数求
为：ＢＣ０＝１ＴＣＲ４０＝８ＭＨ／９０１ｋｚｚ３．６Ｈ
每次中断读ＡＤ转换结果，／并将高１数Ｏ位据通过ＰＯ送入ＦＧ启动下次ＡＤ转换，回ＩＰＡ，／返
ＦＧＰＡ编程将幅度变化的信号转换为脉宽可调的两路互补的ＰＷＭ信号，采用两路互补的ＰＷＭ信号作用之一是精确地控制了功率放大电路的死区
时间＿，得场效管的开关时间效果更好，证６使］保
正弦波
ＰＷＭ波
锯齿波
了高效率；作用之二是大大减小纹波系数，失真度
第２９卷
第５期
吉林化工学院学报
ＪＵＮＦＪＮＴＴＴＦＣＭＩＡＣＮＯＯＹＯＲＡＬＯＩＩＳＩＵＥＯＨＥＣＬＴＨＬＧＨＮＥ
Ｖ０．９Ｎｏ５１２．Ｍ钾．２２０１
ＣＢＣｎｇｒｂｅＬｇｌｋ、出输入模块ＩＢＬ（ｏｆｕａｌｏｉＢｏ）输ｉｃｃＯ
图３单片机与ＦＧＰＡ结合产生ＰＷＭ载波
（ｎｕｕｐｔｌｃ）内部连线（ｎｅｏｎｃ）ＩｐｔｔｕＢｏｋ和ＯＩｔｃｎｅｔ三ｒ个部分．场可编程门阵列（ＰＡ）可编程器现ＦＧ是
生的锯齿波通过比较器，成脉宽可调的Ｐ合ＷＭ

D类音频功放设计

D类音频功放设计 Revised by Petrel at 2021D类音频放大器的设计与制作摘要：本项目涉及高效节能、数字化、体积小、重量轻等特点的D类功率音频放大器。

适应便携设备高效及节能的客观要求。

顺应了市场的客观要求。

从而在音频集成领域具有很大的优势。

随着设计技术不断进步D类功率放大器的要求也在不断提高本文通过基于CMOS工艺的D类功率音频放大器构成，驱动实现、失真度等方面的特性来进行电路的设计。

本课题的目标是设计一个D类音频功率放大器，能对音频信号进行放大，放大器的通频带达到300~10000Hz，输出功率IW,输出信号无明显失真。

根据D类功放的原理分别设计了前置放大模块、三角波产生模块、比较器模块、驱动模块、H桥互补对称输出及低通滤波模块等。

其中三角波产生器及比较器共同组成脉宽调制(PWM)模块，H桥互补对称输出电路采用驱动电流小、低导通电阻及良好开关特性的VMOSFET管，滤波器采用Butterworth低通滤波器。

关键词：D类功率放大器H桥驱动脉宽调制目录1.引言...................................................................................................... 错误!未指定书签。

2.系统方案.............................................................................................. 错误!未指定书签。

2.1总体方案设计................................................................................... 错误!未指定书签。

2.2三角波模块设计方案....................................................................... 错误!未指定书签。

用STC单片机制作D类功放

用STC单片机制作D类功放D类功放（Class-D Amplifier）是一种高效率的功率放大器，它通过将输入信号转换为PWM（脉宽调制）信号，然后通过高频开关进行放大，从而实现功率放大的效果。

这种功放具有高效率、低热功耗和小体积等特点，因此在音频放大领域得到了广泛的应用。

在STC单片机上制作D类功放需要以下步骤：1.选用合适的STC单片机：在制作D类功放时需要选择一款具备PWM输出功能的STC单片机。

常用的型号有STC89系列和STC12系列，这些单片机具有较高的性能和丰富的外设资源，可以满足D类功放的需求。

2.硬件连接：将单片机的PWM输出引脚连接到功放电路的输入端，同时连接电源和音频输入信号。

功放电路通常由一个LC滤波器、两个半桥开关电路和输出滤波器组成。

3.程序设计：使用C语言或汇编语言编写程序，实现单片机对PWM信号的输出控制。

具体需要根据所选的STC单片机型号和硬件连接方式进行编程，以实现PWM频率、占空比和输出电平的控制。

4.脉宽调制（PWM）信号生成：通过对单片机的定时器和IO口进行编程，可以生成PWM信号。

在D类功放中，PWM信号的频率和占空比对输出音频信号的质量影响较大，因此需要根据实际需求进行调整。

5.保护电路设计：D类功放对电源供电电压、短路、过温等情况有一定的要求，因此需要设计相应的保护电路。

保护电路可以通过检测电流、电压和温度等参数来实现，当检测到异常情况时，及时切断输出，以保护功放电路的安全性。

6.输出滤波：在D类功放电路中，由于功放输出是经过高频开关调制的PWM信号，需要通过输出滤波器将其转换为音频信号，并滤除高频噪声。

常用的输出滤波器为LC滤波器，可以将PWM信号进行平滑处理，得到较为纯净的音频信号。

需要注意的是，在制作D类功放时，还需要考虑功放电路的散热和电源的稳定性等问题，以确保功放电路的工作稳定和长寿命。

此外，还可以根据实际需求添加自动静音、音量控制、输入选择等功能。

D类音频功率放大器设计报告

D类音频功率放大器设计报告设计报告：D类音频功率放大器1.引言2.设计目标本次设计的目标是设计一个能够输出15W功率的D类音频功放。

其特点是高效率、低功耗和优质的音质。

3.设计原理D类音频功率放大器的工作原理是将音频信号进行脉冲宽度调制（PWM），并通过一个输出滤波电路转换为模拟音频信号。

具体来说，音频信号首先经过一个比较器，将其与一个高频三角波进行比较，然后产生一个脉冲宽度与音频信号幅度相关的脉冲序列。

这个脉冲序列经过一个电源级输出滤波器，将其转换为模拟音频信号。

4.设计步骤（1）根据设计目标和所选用的功放IC，确定所需的电源电压和电流。

（2）根据音频信号的功率要求，计算所需的输出功率和负载阻抗。

（3）选择合适的比较器和三角波发生器。

（4）设计输出滤波器，使其能够满足所需的频率响应和阻抗匹配。

（5）进行仿真和调试，验证设计的正确性。

（6）根据实际的电路布局和元件参数，进行实际的电路实现。

（7）测试和优化电路性能，确保其能够满足设计要求。

5.设计结果根据上述的设计步骤，设计了一个D类音频功率放大器。

采用了TDA7498E功放IC，输入电压为20V，输出功率为15W，负载阻抗为8Ω。

比较器和三角波发生器选用LM311和LM555、输出滤波器采用LC型，频率响应为20Hz-20kHz。

经过实际制作和测试，该D类音频功率放大器满足了设计要求。

输出功率稳定在15W，失真度低于1%，频率响应平坦度高于±0.5dB。

同时，该功放具有高效率和低功耗的特点，整体性能优良。

6.结论本次设计成功地实现了一个输出功率为15W的D类音频功率放大器。

其设计思路清晰，步骤明确，且实际测试结果良好。

该功放具有高效率、低功耗和优质的音质，适用于各种音频放大场景。

然而，设计中的元件选型、电路布局和参数调整等方面还有待进一步优化和改进。

同时，考虑到市场需求和技术发展，未来的设计可以进一步加入保护电路和调音控制等功能，以提高产品竞争力和用户体验。

基于Xilinx Zynq SoC器件的D类音频功率放大器系统设计

基于Xilinx Zynq SoC器件的D类音频功率放大器系
统设计
音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号，音频频率范围约为20Hz~20KHz，因
此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应，输出功率能力根据应用情况变化范围很宽，从数毫瓦（mW）的耳机，几瓦（W）的电视（TV）或个人计算机（PC）音频。

D类音频放大器首次诞生于1958年，是指通过控
制开关单元ON/OFF的方式来驱动扬声器的放大器。

之前产生过A类和B类音频放大器，但是都各有缺陷，比如A类音频功率放大器虽然声音清新透明，具有较高的保真度，但是功放效率低，损耗大；B类音频功率放大器虽然在A类的基础上效率有所提升，但是也仅为实际效率的50%左右。

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。

因此D类音频功率放大器功率损耗小，效率高，下面是D类音频放大器的详细介绍：
来自英国的Converter科技公司启动了一项基于Xilinx Zynq SoC器件的D类音频功率放大器系统，目前已经完成原型系统的设计，他们启动这个项目的一个关键因素就是优化音频失真问题，这主要是由于PWM信号的时序错误和线性度不精确造成的，也就是说目前普遍采用的微控制器软件来实现。