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日摘要本文基于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AbstractThispaperpresentsapracticalandportableclassDpoweramplifierofaudioelectronics,basingonSTC12C5410ADsingle-chipdesign.Withlowprices,easytouse,simpieconstructionadvantages.Onthebasisoflearningmoreabouttheadvantagesanddisadvantagesofthevariouspoweramplifiers,wecombinethecharacteristicsofefficiency,power,performanceandotheraspectsofeachcircuit,andmakeadetailedanalysisanddesignofeachcircuitmodule.Intheend,completeallaspectsoftheclassDamplifierfeatures.Keywords:ClassDPowerAmplifier,Preamplification,PWM,Efficiency目录1绪论............................................................................................................................61.1设计的背景.......................................................................................................11.2设计的目的和意义...........................................................................................12系统总体设计方案....................................................................................................12.1系统总体设计框图...........................................................................................12.2D类功放的工作原理.......................................................................................23系统硬件电路设计....................................................................................................23.1前置放大电路...................................................................................................23.1.1前置放大电路工作器件的选择.............................................................23.1.2前置放大电路原理.................................................................................33.2单片机电路.......................................................................................................33.2.1STC12C5410AD单片机简介................................................................33.2.2STC12C5410AD功能引脚介绍............................................................43.2.3单片机外围电路.....................................................................................43.2.4单片机对前置放大信号的处理.............................................................53.2.5单片机内的A/D和PWM的实现........................................................63.3低通滤波电路...................................................................................................73.3.1低通滤波电路原理图.............................................................................73.3.2低通滤波电路的作用.............................................................................73.4功率放大电路...................................................................................................83.4.1功率放大器的输出功率及工作效率.....................................................83.4.2功率放大器的线性度.............................................................................83.4.3功率放大电路原理.................................................................................83.4.4影响功率放大电路效率的因素.............................................................93.5音量显示电路.................................................................................................103.6D类功放的优点.............................................................................................104软件系统部分..........................................................................................................115总结..........................................................................................................................12致谢................................................................................................错误!未定义书签。参考文献......................................................................................................................14附录..............................................................................................................................1511绪论1.1设计的背景近年来，D类功放受到众人的广泛关注，在诸多领域被应用。首先主要表现在市场需求的方面，随着D类功放的逐渐引用，它的一些突出优点推动了手机、平板电脑等终端设备前景的蓬勃发展。在手机上的应用，不仅可以使电池的使用时间变长，而且可以满足扬声器和PTT模式所需要的高效率的要求。电子器件在LCD平板显示器的应用中需满足“低温运行”，主要原因是工作温度的高低将对显示颜色的对比度有重要的决定作用。功耗低是高效电子设备D类功放突出的优点，同时LCD发热量更低，在图像，音质方面也有更好的效果。其次自身技术的发展，决定D类功放发展的第二个要素。结合现代技术的不断发展，市场需求的不断变化，研发者也在仔细斟酌D类功放需要不断改进的地方，达到D类功放在拥有合理的价格的同时，也具备了同其他AB类功放相近的质量的音频。1.2设计的目的和意义D类功放在实用放大器中效率是最高的，大约在80%-90%之间，由于D类功放在断电时电路中电器还存在少量的电流，而在通电时电路中仍有管子在工作会产生小部分的管子压降。正是由于这个原因D类功率放大器的工作效率才难以达到百分之百。但D类功放的实际效率已经很高了。本设计结合STC12C5410AD单片机具有的PCA模块在一定条件下都可用作PMW输出的功能，从而减少了其他复杂的电路，机身体积与重量显著减少，理论上失真低、线性佳。这不仅达到了放大原音频信号的目的，同时也简化了电路结构。2系统总体设计方案2.1系统总体设计框图在现实中单片机D类功率放大器以其效率高易与数字音源对接等显著的优点，因此被越来越多的人们广泛的使用。单片机D类功放结构的核心电路主要包含三部分PWM变换和功率放大及低通滤波电路。基本框图如下所示：音频信号输入图1单片机D类功放基本框图单片机前置放大PWM功率放大低通滤波扬声器音量显示22.2D类功放的工作原理D类功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，将20KHZ以下的音频信号送入到前置放大电路进行电压放大，经单片机内部A/D和PWM的处理后，将调制的PWM信号通过功放电路和LC低通滤波电路进行平滑的处理，得到不失真的原音频信号。经过脉宽调制后，原音频信号变成脉宽可调的宽度与原信号幅度一样的脉冲信号。用这些脉冲信号去推动功率放大器的常规晶体输出管。到达放大原音频信号的目的。因为受到脉宽数据流的作用，晶体输出管将立即时而饱和导通，时而截止断开。音频信息就包含在这些接通和断开的周期过程中。3系统硬件电路设计本设计硬件电路包含三大部分前置放大、单片机（A/D与PWM