基于单片机的程控D类音频功率放大器.docx

基于单片机的程控D类音频功率放大器.docx

《基于单片机的程控D类音频功率放大器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的程控D类音频功率放大器.docx（59页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于单片机的程控D类音频功率放大器

编号

毕业设计（论文）

基于单片机的程控D类音频功率放大器

ProgrammableClass-DAudioPowerAmplifierBasedonMCU

学院名称

专业名称

学生姓名

学号

指导教师

2015年6月28日

摘要

基于单片机的程控D类音频功率放大器主要运用基本电子技术基础、单片机控制技术、D类音频功率放大技术、功率变换技术等专业知识，设计由通用型单片机控制实现的程控D类音频功率放大器，具有基本的双路音频功率放大功能、单片机程控音频回啸检测抑制等功能。

本设计是基于MSP430单片机及其外围的控制电路来实现的。

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类音频功率放大器供电，再经降压为单片机提供3.3V的直流电。

拾音电路通过单片机控制检测回啸并用带阻滤波器程控抑制回啸，将音频输入程控D类音频功率放大器。

该系统具有效率高、功耗低、体积小，专业性强等显著优点，可以满足各类用户的音频功放和高保真的要求，主要在汽车音响、教育教学、便携式音响系统和大功率音频视频等领域有广泛的应用。

关键词：

D类功率放大器；功率放大器;啸叫检测；回啸抑制

Abstract

ProgrammableClass-DaudiopoweramplifierbasedonMCUmainlyusesprofessionalknowledgelikebasicelectronictechnology,MCUcontroltechnology,Class-DaudiopoweramplifiertechnologyandpowerconversiontechnologyThisgraduationprojectmainlydesignsprogrammableClass-DaudiopoweramplifierbasedonMUC,itisaprogrammableClass-Daudiopoweramplifierofreal-timedetectingandsuppressingthehowlingbyMUC,withabasictwo-wayaudiopoweramplificationfunctionandhowlingsuppressionfunction.

Theprogrammableclass-DaudiopoweramplifierdesignisachievedonthebasisofMSP430MCUandperipheralcontrolcircuits.Itismainlydividedintosevenparts:

pickupcircuit,programmablecircuit,andClass-Daudioamplifier,themaincontrolunit,howlingdetection,howlingsuppressionandswitchingmodepowersupply.ThesystemadoptsMCUtocontrolClass-Daudiopoweramplifier,andtodetectandsuppressthehowling.Class-DaudiopoweramplifieradoptsClass-DaudiopoweramplifierASIC,whichusesH-bridgeasapoweroutputstagesothatitcandirectlydriveinductiveload，itsoutputpowerislarger,distortionislow.Thesystemadoptsswitchingpowersupplytoprovidea12VDCpowerto,Class-Daudiopoweramplifierandthenreducepressuretoprovide3.3VDCpowertoMCU.Pickupcircuit,detectthehowlingbyMCUandsuppressthehowlingbyband-stopfilter,finallyinputtheaudiototheprogrammableclass-Daudiopoweramplifier.

Thissystemhashighefficiency,lowpowerconsumption,smallsizeandothersignificantadvantages.Itmeetsusers’requirementsofaudiopoweramplifyingandhighdefinition,anditismainlyusedinthefieldofcaraudio,education,portablesoundsystemandpoweraudiovideo.

Keywords:

Class-Dpoweramplifier;poweramplifier;howlingdetection;howlingsuppression

第1章绪论

1.1音频功率放大器的设计背景

随着人们生活水平的提高，人们对电子产品质的要求越来越高，音频质量的好坏也就成为了人们关注的焦点，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。

而功率放大器是放大音频功率的设备，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要求和成本要求，但线性功率放大器已不能适应如今消费者的生活需求，D类音频功放的效率远比那些线性功放高得多，理论上能达到100%，而实际上也能达到85%以上，如今已经开发出无需输出滤波的D类功率放大器的集成芯片，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。

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，要么工作在截至态，因此可以减少开关管晶体管的功耗损失，从而增强放大器的功率。

正是其开关特性，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。

在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。

认为A类功放声音最为清晰，具有很高的保真度。

但是，A类功放的低效率和高损耗却是其无法克服的缺点。

B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为50%左右，由于其效率偏低，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。

依据今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多相同之处，进一步显示出D类功放的发展优势。

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。

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。

总之，程控D类音频功率放大器现已成为一种流行趋势，相比于传统的线性音频功放具有效率高、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。

1.2D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：

LM4651、LM4652组合（170W）D类音频功率放大器；CS44210、IRCS8001组合（50W）D类音频功率放大器；TripathTechnology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。

1.3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1.1所示。

表1.1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

220V±10%/50Hz

直流电源

12V（9~14.4V）

工作温度

0-45℃

频率范围

45Hz~18kHz

输出正弦波失真

<±5%

输出功率

20W×2

具有输出功率过载保护功能

回啸抑制

-3dB

1.4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。

第2章系统整体设计及各单元方案论证

2.1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3.3V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2.1所示。

图2.1基于单片机的程控D类音频功率放大器系统方案结构图

2.2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3.3V，为单片机提供3.3V的直流电。

2.3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。

2.3.1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。

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。

2.3.2D类音频功率放大器电路

方案一：

采用NS4158D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℃

方案二：

采用TPA3112D1类音频功率放大器。

TPA3112D1是一款具有SpeakerGuardTM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0.1%。

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5W高效率的单声道D类音频功率放大器，无法满足输出功率为20W×2的要求，因此通过比较选择方案二。

2.3.3拾音电路

拾音电路需要包括有两个独立的、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，放大倍数要满足要求。

方案一：

采用MAX9814。

MAX9814器件具有低噪声前端放大器、可变增益放大器、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路，电源电压范围在2.7V至5.5V之间，具有低功耗关断模式。

低噪声前置放大器具有12dB固定增益；VGA增益根据输出电压和AGC门限在20dB至0dB间自动调节。

输出输出放大器增益由一个三态数字输入编程。

低噪声麦克风偏置电压发生器可为绝大多数驻极体麦克风提供偏置。

但电路设计难度大且成本比较高。

方案二：

采用LM358。

LM358内部包括有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

运算放大器通过外接电阻电路构成一个能放大20多倍的拾音电路，运放的两个输出端接入降低噪声的芯片输入通道。

LM358具有直流电压增益高（约100dB）,电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V），低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，差模输入电压范围宽以及输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）等特性。

综合以上两个方案，选择方案二。

因为LM358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，开关电源提供12V直流单电源，LM358刚好适合于单电源使用，电压范围也合适，而MAX9814电路设计难度大且成本比较高，因此通过比较选择方案二。

2.3.4带阻滤波电路

方案一：

采用无源RLC网络组成的带阻滤波器。

这种电路存在的问题是：

电感所固有的非线性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大，这问题将影响电路的功能。

方案二：

采用运算放大器及RC组成BEF有源滤波电路。

电路中运用了同相输入运放因不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、等缺点。

BEF只允许特定的频率通过，并且可以使用多重反馈型的带阻滤波器BEF电路等优点。

带阻滤波电路由LM324运放外接电容电阻组成,由A2组成相加法器，实现了由输入信号U1和经由A1组成的带通滤波器处理过的带通信号UO1进行相减运算，因而在A2的输出端上得到了带阻信号。

综合以上两个方案，选择方案二。

因为电路中运用了同相输入运放因不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、等缺点。

而采用无源RLC网络组成的带阻滤波器有电感所固有的非线性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点，因此经过比较选择方案二。

2.3.5开关稳压电源电路

开关稳压电源电路用于为各部分提供直流电源,要想在较短的时间内获得较大的脉动电流，目前有两种方案可供选择，其一是采用电容器，契尔氏采用蓄电池，这两种方案均可获得较为满意的结果。

然而蓄电池作为电源需要考虑诸如过充电、过放电等问题，充电线路及保护电路较为复杂。

用电容器作为电源与可充电蓄电池电源相比，具有许多优点。

例如电容器的充电时间较短，可采用具有滤波或非滤波，稳压或非稳压的直流输出的任何一种常规电源装置对其充电。

具有体积小、效率高、稳压范围宽、精度高、误差小等优点。

方案一：

选用TOP224为开关电源。

TOP224是一个自编置、自保护的电流--占空比线性控制转换器。

由于采用CMOS工艺，转换效率与采用双集成电路和分立元件相比，偏置电流大大减少，省去了用于电流传导和提供启动偏置电流的外接电阻。

TOP224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。

在正常工作时，内部MOSFET输出脉冲的占空比随着CONTROL脚电流的增加而线性减少。

TOP224通过