基于单片机的程控d类音频功率放大器毕业设计(论文

基于单片机的程控d类音频功率放大器毕业设计(论文内容摘要：

具有效率高、功耗低、体积小等显著优点。 基于开关模式的 D 类音频功率放大器 ,在便携式和大功率音视频领域中具有广阔的发展前景。 因此 ,设计一种失真度小、输出功率大、效率高、能检测和抑制回啸、具有过载保护功能的程控 D 类音频功放具有很重要的现实意义。 本科生毕业设计（论文） 2 D 类音频功率 放大器国内外发展现状 为了提高音频功率放大器的效率，科技人员曾进行了多年研究，做了大量的研究试验工作。 早些时候人们已经论证了 D 类音频功率放大器的存在。 但是，早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足 D 类音频功率放大器的技术要求。 因此，对 D 类音频功率放大器的研究开发遇到了相当的困难，研究开发一直停留在理论上。 近几年 D 类音频功率放大器研究开发有了突破性进展。 近几年，国际上加紧了对 D 类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及公司已试验性地向市场提供了 D 类音频功率放大器评估模块及技术。 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、教学、电子工业、商业界的特别关注。 国外几家公司在 D 类音频功率放大器的研究 及 开发方面取得了一定 的 进展，他们为了提前占领数字音频功率放大器的市场，用他们自己研制的专用 IC 及器件，采用专门技术做成“评估模块”，如： LM465 LM4652 组合（ 170W） D 类音频功率放大器；CS442 IRCS8001 组合（ 50W） D 类音频功率放大器； Tripath Technology 公司推出的“ T 类音频功率放大器”； Microsemi 公司推出 LXE1710 评估套件，且声称他们采用了不同于 D 类音频功率放大器的技术，但经分析研究，我们认为，这些音频功率放大器是 D 类音频功率放大器的派生。 经短暂几年的发展， 目前国外以商业化 D 类音频功率放大器产品 为主。 国内有几家公司研究开发 了 D 类音频功率放大器，但大多采用的是国外“评估件”、专用 IC，开发成本高，如：成都天奥集团投资 45 万人民币在其博士后工作站研究 D 类音频功率放大器，目前 国内 研究的 D 类音频功率放大器能适应低、中、高压电源供电，能输出中功率、大功率及超大功率。 主要技术指标 本毕业设计主要设计基于 单片机的程控 D 类音频功率放大器，它是一种通过单片机实时检测并抑制回啸的程控 D 类音频功率放大器，具有基本的双路音频功率放大功能，具有回啸抑制等功能。 要求 达到的 主要技术参数表 如下表 所示。 表 主要技术参数表 技术指标 技术参数 整体电路供电电源市电 220V177。 10%/50Hz 直流电源 12V（ 9~） 工作温度 045℃ 频率范围 45Hz~18kHz 输出正弦波失真 177。 5% 输出功率 20W2 具有输出功率过载保护功能 回啸抑制 3dB 本科生毕业设计（论文） 3 本章小 结 本章开始先描述了基于单片机的程控 D 类音频功率放大器的设计背景， 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。 接下来介绍了它的用途以及设计的意义， 程控 D 类音频功率放大器现已成为一种流行趋势 ， 具有很重要的现实意义 ，而且 在便携式和大功率音视频领域中具有广阔的发展前景。 通过国内外形势的对比介绍当前世界对该放大器的的需求状态以及发展状况，最后阐述了整个设计的具体内容和设计的要求与指标，明确了设计的具体方向。 本科生毕业设计（论文） 4 第 2 章 系统整体设计 及各单元 方案 论证 系统整体设计框图 程控 D 类音频功率放大器设计 是基于 MSP430 单片机及其外围的控制电路来实现的。 本设计 主要由七大部分组成：拾音电路、程控电路、 D 类音频功率放大器、主控单元，啸叫检测，回啸抑制以及开关稳压电源电路。 由单片机程控音频功率放大器、检测并抑制啸叫。 D 类音频功率放大器采用 D 类音频功率放大器专用芯片，由 H 桥作为功率输出级，使得其输出没有传统的 LC 滤波器的情况下可直接驱动感性负载，它的输出功率较大，失真小，且具有过载保护功能。 开关稳压电源提供 12V 直流电源为 D 类音频功率放大器、拾音电路、程控电路以及带阻滤波器供电，再经降压为单片机提供 的直流电。 信息源先通过拾音电路，然后通过单片机控制检测回啸并用带阻滤波器程控抑制回啸，最后将音频输入程控 D 类音频功率放大器。 回啸的检测是通过 A/D 检测，检测电压最高峰值，据此检测对应的频率作为中心频率，回啸的抑制是用带通滤波器，滤除以中心频率为中心的一定范围内的音频信号。 系统方案结构框图如图 所示。 图 基于单片机的程控 D 类音频功率放大器系统方案结构图 系统总体方案分析 本设计 主要由七大部分组成：拾音电路、程控电路、 D 类音频功率放 大器、主控单元 、 啸叫检测 、 回啸抑制以及开关稳压电源电路。 主控单元电路设计 主控 单元 主要是通过单片机程控音频功放，对音频功放输出的音频进行 A/D 检测以检测 啸叫 ，控制带阻滤波器的中心频率以更高效地抑制回啸。 主控单元作为整个系统的核心单元具有稳定、结构简单可靠，成本较低等优点。 系统采用 的 单片机，具有功耗超220V 交流电 MSP430G2553 单片机 开关 电源 检测 回啸 信号源 拾音 电路 程控 电路 抑制 回啸 D 类 音频 功放 本科生毕业设计（论文） 5 低、处理能力强大、系统工作稳定、开发环境方便 容易 高效等特点。 D 类音频功率放大器电路设计 D 类音频功率放大器 是本系统的核心芯片，用于 放大音频功率驱动扬声器。 本设计的音频功率放大器 具有 20W 单声道、无需外加滤波 器的 D 类音频放大器 ， 供电范围为 8V~26V；采用 H 桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的 LC 滤波器的情况下直接驱动感性负载；输出功率较大，失真小，且具有过载保护功能。 拾音电路设计 拾音电路 采用 传统的模拟拾音头 ， 达到声音拾取、放大及降噪功能。 该电路 包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 运放的两个输出端接入降低噪声的芯片输入通道，放大倍数满足要求，电路简单且性能可靠，能达到题目要求。 另外，系统 为之提供 +12V的直流电。 程控电路设计 程控电路用于数字控制音频功率放大器，数字控 制便于对放大器的音量及啸叫抑制的控制，使用简便，提高系统效率。 本设计采用 CD4067 芯片， CD4067 是 16 选 1 模拟开关，数字控制，具有低导通阻抗、低截止漏电流和内部地址译码的特征，在整个输入信号范围内导通电阻保持相对稳定。 啸叫检测及抑制电路设计 啸叫的检测与抑制是本音频功率放大器的显著特点，使用过程中实时检测并抑制，以有利于提高系统的工作稳定性和音频质量，防止放大功率后出现啸叫影响用户的使用。 啸 叫检测 是通过 A/D 检测，检测电压最高峰值，据此检测对应的频率作为中心频率。 回啸抑制 是用带通滤波器，滤除以中心频 率为中心的一定范围内的音频。 开关稳压电源电路设计 开关稳压电源电路 用于为各部分提供直流电源 ， 本设计采用 的芯片 自带小散热片 ，是典型的三端集成器件 ， 其内部功率 MOSFET 器件的耐压值高达 700V， 可设计成 40W以上仪器仪表的多路 隔离式内置控制电源。 其中调压稳压部分 通过 可调节 3 端正电压稳压器 将 12V直流电降压为 ， 为单片机提供。 各部分单元方案论证 本设计选择芯片是先提出 几种方案，然后主要根据课题技术要求，结合成本，运行环境以及芯片质量等性能特点进行比较，选择出了最佳方案。 主控单元电路设计 主控单元主要是通过单片机程控音频功放， 对音频功放输出的音频进行 A/D 检测以检测回啸，控制带阻滤波器的中心频率。 确定单片机控制系统方案 ， 是进行系统总体设计最重要、最关键的一步。 总体方案的好坏 ,直接影响整个控制系统的性能及实施细则。 本科生毕业设计（论文） 6 总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。 方案一：采用 89C51 单片机。 89C51 单片机是 8 位单片机，虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。 其指令是采用的被称为“ CISC”的复 杂指令集，共具有 111 条指令。 89C51 单片机本身的电源电压是 5 伏，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。 正常情况下消耗的电流为 24mA ，在掉电状态下，其耗电电流仍为 3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到 2V，但是为了保存内部 RAM 中的数据，还需要提供约 50uA 的电流。 方案二：采用 MSP430 单片机。 MSP430 是德州仪器（ TI）一款性能卓越的超低功耗 16 位单片机，自问世以来MSP430 单片机一直是业内公认的功耗最低的单片机。 MSP430 的内核 CPU 结构是按照精简指令集和高透明 的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。 这样可以提高指令执行速度和效率，增强了 MSP430 的实时处理能力。 MSP430 系列其基本架构是 16 位的，使扩展模数转换或数模转换这类的功能模块很方便。 除采用先进的制造工艺使芯片的静态电流尽可能降低外， MSP430 的独立可配置的时钟系统是其低功耗的基石之一。 在追求绿色能源的今天， MSP430 超低功耗微控制器正以其超低功耗的特性，以及丰富多样化的外设受到越来越多设计者们的青睐。 同时，MSP430 有着开发简单，容易上手的优势，这为新 手进行单片机学习提供了很大的便利于帮助。 综合以上两个方案，选择方案二。 因为处理器主要是对信号进行实时检测处理，完成各种保护和辅助功能，考虑到控制器的功能和要求，结合对单片机管脚，功能，速度，存储器等各个方面的考虑，本设计选择 MSP430 系列的 MSP430G2553 单片机 作为主控制器。 MSP430G2553 单片机具有功耗超低、处理能力强大、系统工作稳定、开发环境方便高效等特点，符合课题的技术要求、成本低、使用简便 ，因此方案二更加可靠适用。 D 类音频功率放大器 电路 方案一：采用 NS4158 D 类音 频功率放大器。 NS4158 是一款 5W 高效率的单声道 D 类音频功率放大器， NS4158 输出无需滤波器的 PWM 调制结构及反馈电阻内置方式减少了外部元件、 PCB 面积和系统成本。 NS4158 带防破音（ NCN）功能。 可以通过软件或者硬件设置放大器工作在两种工作模式：不防破音 (NCNOFF)模式和防破音 (NCN)模式。 软件是通过一线脉冲控制，硬件是通过电平控制。 应用非常灵活。 NS4158 内置过流保护、过热保护及欠压保护功能，有效地保护芯片在异常工作状况下不被损坏。 并且利用扩频技术充分优化全新电路设计，高达 90%以上的效率更加适合低电压，高功率输出的音频系统。 ，额定的工作温度范围为 40℃至 85℃ 本科生毕业设计（论文） 7 方案二：采用 TPA3112D1 类音频功率放大器。 TPA3112D1 是一款具有 Speaker Guard TM 的 25W 单声道、无需外加滤波器的 D 类音频放大器，运用在电视和消费类音频设备中。 该芯片供电范围为 8V~26V，有四个可选、固定增益设置，差动输入；采用 H 桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的 LC 滤波器的情况下直接驱动感性负载；输入的音频信号可以是差分形式，其中在 12V供电情况下，满负载驱动 8Ω的桥接式扬声器，声音失真率仅为 %。 TPA311D1采用差分信号输入，经调制后得到两路驱动信号分别为 DRVP 和 DRVN,这两路信号事实上为两路占空比随输入信号变化的 PWM，它们和它们的反向信号一起控制 H 桥的开关实现功率放大，在音频输入端接入电容与输入引脚。 综合以上两个方案，选择方案二。 因为 TPA3112D1 是 25W 单声道、无需外加滤波器的 D 类音频放大器 ， 采用 H 桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的 LC 滤波器的情况下直接驱动感性负载， 而且 芯片供电范围为 8V~26V，刚好可以使用开关 电源提供的 12V直流电，然而 NS4158 是一款。