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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： 010113304650 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
2013 年 10 月 25 日
桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸
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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
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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
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目 录
1 绪论 ........................................................ 1
1.1 课题背景 .............................................................. 1 1.1.1 D类功放发展历程 .................................................... 1 1.1.2 D类功放的目前现状 .................................................. 2 1.2 本设计主要研究工作 .................................................... 2 1.3 本设计的结构 .......................................................... 3
2 音频功放与STC12C5410AD单片机简介 ........................... 3
2.1 音箱的特征及性能 ...................................................... 3 2.1.1 声音的特征 .......................................................... 3 2.1.2 音响的结构及参数 .................................................... 3 2.1.3 放大器的技术指标 .................................................... 3 2.2 功率放大器简介 ....................................................... 4 2.2.1 A类功率放大器 ...................................................... 4 2.2.2 B类功率放大器 ...................................................... 5 2.2.3 AB类功率放大器 ..................................................... 6 2.2.4 D类功率放大器 ...................................................... 7 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 .............................................. 10
3 基于单片机D类功率放大器系统总体设计 ........................ 11
3.1 系统总体设计方案 ..................................................... 11 3.2 硬件系统部分 ......................................................... 11 3.5 D类功放 ............................................................. 14 3.3 软件系统部分 ......................................................... 15
4 整体系统优点和存在问题及改进 ............................... 18
4.1 整体设计优点 ......................................................... 18 4.2 存在问题及改进 ....................................................... 18 4.3 硬件安装和调试 ....................................................... 18
5 总结 ....................................................... 18
致谢 ............................................................................................................................................................... 21 附录 ............................................................................................................................................................... 22
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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和要求和成本要求，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，理论上能达到100%，而实际上也能达到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，因而达到了减小体积的效果，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发展。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发达也不能实现某个机器能将效率达到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类功放的发展史做一下简要介绍。 1.1.1 D类功放发展历程
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在价格上均已不成问题。而且近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