【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 具有效率高、功耗低、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)?；陂_關(guān)模式的 D 類音頻功率放大器 ,在便攜式和大功率音視頻領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。因此 ,設(shè)計(jì)一種失真度小、輸出功率大、效率高、能檢測(cè)和抑制回嘯、具有過載保護(hù)功能的程控 D 類音頻功放具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 D 類音頻功率 放大器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 為了提高音頻功率放大器的效率，科技人員曾進(jìn)行了多年研究，做了大量的研究試驗(yàn)工作。早些時(shí)候人們已經(jīng)論證了 D 類音頻功率放大器的存在。但是，早些時(shí)候晶體管、集成電路的開關(guān)特性差，不能滿足 D 類音頻功率放大器的技術(shù)要求。因此，對(duì) D 類音頻功率放大器的研究開發(fā)遇到了相當(dāng)?shù)睦щy，研究開發(fā)一直停留在理論上。近幾年 D 類音頻功率放大器研究開發(fā)有了突破性進(jìn)展。 近幾年，國(guó)際上加緊了對(duì) D 類音頻功率放大器的研究與開發(fā)，并取得了一定進(jìn)展，幾家著名研究機(jī)構(gòu)及公司已試驗(yàn)性地向市場(chǎng)提供了 D 類音頻功率放大器評(píng)估模塊及技術(shù) 。這一技術(shù)一經(jīng)問世立即顯示出其高效、節(jié)能、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，引起了科研、教學(xué)、電子工業(yè)、商業(yè)界的特別關(guān)注。 國(guó)外幾家公司在 D 類音頻功率放大器的研究 及 開發(fā)方面取得了一定 的 進(jìn)展，他們?yōu)榱颂崆罢碱I(lǐng)數(shù)字音頻功率放大器的市場(chǎng)，用他們自己研制的專用 IC 及器件，采用專門技術(shù)做成“評(píng)估模塊”，如： LM465 LM4652 組合（ 170W） D 類音頻功率放大器；CS442 IRCS8001 組合（ 50W） D 類音頻功率放大器； Tripath Technology 公司推出的“ T 類音頻功率放大器”； Microsemi 公司推出 LXE1710 評(píng)估套件，且聲稱他們采用了不同于 D 類音頻功率放大器的技術(shù)，但經(jīng)分析研究，我們認(rèn)為，這些音頻功率放大器是 D 類音頻功率放大器的派生。 經(jīng)短暫幾年的發(fā)展， 目前國(guó)外以商業(yè)化 D 類音頻功率放大器產(chǎn)品 為主 。 國(guó)內(nèi)有幾家公司研究開發(fā) 了 D 類音頻功率放大器，但大多采用的是國(guó)外“評(píng)估件”、專用 IC，開發(fā)成本高，如：成都天奧集團(tuán)投資 45 萬人民幣在其博士后工作站研究 D 類音頻功率放大器，目前 國(guó)內(nèi) 研究的 D 類音頻功率放大器能適應(yīng)低、中、高壓電源供電，能輸出中功率、大功率及超大功率。 主要技術(shù)指標(biāo) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)基于 單片機(jī)的程控 D 類音頻功率放大器，它是一種通過單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)并抑制回嘯的程控 D 類音頻功率放大器，具有基本的雙路音頻功率放大功能，具有回嘯抑制等功能。要求 達(dá)到的 主要技術(shù)參數(shù)表 如下表 所示。 表 主要技術(shù)參數(shù)表 技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)參數(shù) 整體電路供電電源市電 220V177。10%/50Hz 直流電源 12V（ 9~） 工作溫度 045℃ 頻率范圍 45Hz~18kHz 輸出正弦波失真 177。5% 輸出功率 20W2 具有輸出功率過載保護(hù)功能 回嘯抑制 3dB 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 本章小 結(jié) 本章開始先描述了基于單片機(jī)的程控 D 類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)背景， 功率放大器是對(duì)音頻放大的設(shè)備，是高保真音頻放大處理的核心部分 。接下來介紹了它的用途以及設(shè)計(jì)的意義， 程控 D 類音頻功率放大器現(xiàn)已成為一種流行趨勢(shì) ， 具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義 ，而且 在便攜式和大功率音視頻領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。 通過國(guó)內(nèi)外形勢(shì)的對(duì)比介紹當(dāng)前世界對(duì)該放大器的的需求狀態(tài)以及發(fā)展?fàn)顩r，最后闡述了整個(gè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容和設(shè)計(jì)的要求與指標(biāo)，明確了設(shè)計(jì)的具體方向。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 及各單元 方案 論證 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 程控 D 類音頻功率放大器設(shè)計(jì) 是基于 MSP430 單片機(jī)及其外圍的控制電路來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì) 主要由七大部分組成：拾音電路、程控電路、 D 類音頻功率放大器、主控單元，嘯叫檢測(cè)，回嘯抑制以及開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。由單片機(jī)程控音頻功率放大器、檢測(cè)并抑制嘯叫。 D 類音頻功率放大器采用 D 類音頻功率放大器專用芯片，由 H 橋作為功率輸出級(jí)，使得其輸出沒有傳統(tǒng)的 LC 濾波器的情況下可直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，它的輸出功率較大，失真小，且具有過載保護(hù)功能。開關(guān)穩(wěn)壓電源提供 12V 直流電源為 D 類音頻功率放大器、拾音電路、程控電路以及帶阻濾波器供電，再經(jīng)降壓為單片機(jī)提供 的直流電。信息源先通過拾音電路，然后通過單片機(jī)控制檢測(cè)回嘯并用帶阻濾波器程控抑制回嘯，最后將音頻輸入程控 D 類音頻功率放大器。 回嘯的檢測(cè)是通過 A/D 檢測(cè)，檢測(cè)電壓最高峰值，據(jù)此檢測(cè)對(duì)應(yīng)的頻率作為中心頻率，回嘯的抑制是用帶通濾波器，濾除以中心頻率為中心的一定范圍內(nèi)的音頻信號(hào)。系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 基于單片機(jī)的程控 D 類音頻功率放大器系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)總體方案分析 本設(shè)計(jì) 主要由七大部分組成：拾音電路、程控電路、 D 類音頻功率放 大器、主控單元 、 嘯叫檢測(cè) 、 回嘯抑制以及開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。 主控單元電路設(shè)計(jì) 主控 單元 主要是通過單片機(jī)程控音頻功放，對(duì)音頻功放輸出的音頻進(jìn)行 A/D 檢測(cè)以檢測(cè) 嘯叫 ，控制帶阻濾波器的中心頻率以更高效地抑制回嘯。 主控單元作為整個(gè)系統(tǒng)的核心單元具有穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本較低等優(yōu)點(diǎn) 。系統(tǒng)采用 的 單片機(jī)，具有功耗超220V 交流電 MSP430G2553 單片機(jī) 開關(guān) 電源 檢測(cè) 回嘯 信號(hào)源 拾音 電路 程控 電路 抑制 回嘯 D 類 音頻 功放 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 低、處理能力強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、開發(fā)環(huán)境方便 容易 高效等特點(diǎn) 。 D 類音頻功率放大器電路設(shè)計(jì) D 類音頻功率放大器 是本系統(tǒng)的核心芯片，用于 放大音頻功率驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。 本設(shè)計(jì)的音頻功率放大器 具有 20W 單聲道、無需外加濾波 器的 D 類音頻放大器 ， 供電范圍為 8V~26V；采用 H 橋作為功率輸出級(jí)，使得其可在輸出沒有傳統(tǒng)的 LC 濾波器的情況下直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載；輸出功率較大，失真小，且具有過載保護(hù)功能 。 拾音電路設(shè)計(jì) 拾音電路 采用 傳統(tǒng)的模擬拾音頭 ， 達(dá)到聲音拾取、放大及降噪功能 。該電路 包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器， 運(yùn)放的兩個(gè)輸出端接入降低噪聲的芯片輸入通道，放大倍數(shù)滿足要求，電路簡(jiǎn)單且性能可靠，能達(dá)到題目要求。另外，系統(tǒng) 為之提供 +12V的直流電。 程控電路設(shè)計(jì) 程控電路用于數(shù)字控制音頻功率放大器，數(shù)字控 制便于對(duì)放大器的音量及嘯叫抑制的控制，使用簡(jiǎn)便，提高系統(tǒng)效率。本設(shè)計(jì)采用 CD4067 芯片， CD4067 是 16 選 1 模擬開關(guān)，數(shù)字控制，具有低導(dǎo)通阻抗、低截止漏電流和內(nèi)部地址譯碼的特征，在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻保持相對(duì)穩(wěn)定。 嘯叫檢測(cè)及抑制電路設(shè)計(jì) 嘯叫的檢測(cè)與抑制是本音頻功率放大器的顯著特點(diǎn)，使用過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)并抑制，以有利于提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和音頻質(zhì)量，防止放大功率后出現(xiàn)嘯叫影響用戶的使用。 嘯 叫檢測(cè) 是通過 A/D 檢測(cè)，檢測(cè)電壓最高峰值，據(jù)此檢測(cè)對(duì)應(yīng)的頻率作為中心頻率?；貒[抑制 是用帶通濾波器，濾除以中心頻 率為中心的一定范圍內(nèi)的音頻。 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路 用于為各部分提供直流電源 ， 本設(shè)計(jì)采用 的芯片 自帶小散熱片 ，是典型的三端集成器件 ， 其內(nèi)部功率 MOSFET 器件的耐壓值高達(dá) 700V， 可設(shè)計(jì)成 40W以上儀器儀表的多路 隔離式內(nèi)置控制電源。 其中調(diào)壓穩(wěn)壓部分 通過 可調(diào)節(jié) 3 端正電壓穩(wěn)壓器 將 12V直流電降壓為 ， 為單片機(jī)提供 。 各部分單元方案論證 本設(shè)計(jì)選擇芯片是先提出 幾種方案，然后主要根據(jù)課題技術(shù)要求，結(jié)合成本，運(yùn)行環(huán)境以及芯片質(zhì)量等性能特點(diǎn)進(jìn)行比較，選擇出了最佳方案。 主控單元電路設(shè)計(jì) 主控單元主要是通過單片機(jī)程控音頻功放， 對(duì)音頻功放輸出的音頻進(jìn)行 A/D 檢測(cè)以檢測(cè)回嘯，控制帶阻濾波器的中心頻率。 確定單片機(jī)控制系統(tǒng)方案 ， 是進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步。總體方案的好壞 ,直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能及實(shí)施細(xì)則。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 總體方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的任務(wù)及工藝要求而確定的。 方案一：采用 89C51 單片機(jī)。 89C51 單片機(jī)是 8 位單片機(jī)，雖然經(jīng)過各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。其指令是采用的被稱為“ CISC”的復(fù) 雜指令集，共具有 111 條指令。 89C51 單片機(jī)本身的電源電壓是 5 伏，有兩種低功耗方式：待機(jī)方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為 24mA ，在掉電狀態(tài)下，其耗電電流仍為 3mA；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到 2V，但是為了保存內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)，還需要提供約 50uA 的電流。 方案二：采用 MSP430 單片機(jī)。 MSP430 是德州儀器（ TI）一款性能卓越的超低功耗 16 位單片機(jī)，自問世以來MSP430 單片機(jī)一直是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的功耗最低的單片機(jī)。 MSP430 的內(nèi)核 CPU 結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明 的宗旨而設(shè)計(jì)的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強(qiáng)了 MSP430 的實(shí)時(shí)處理能力。 MSP430 系列其基本架構(gòu)是 16 位的，使擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊很方便 。 除采用先進(jìn)的制造工藝使芯片的靜態(tài)電流盡可能降低外， MSP430 的獨(dú)立可配置的時(shí)鐘系統(tǒng)是其低功耗的基石之一。在追求綠色能源的今天， MSP430 超低功耗微控制器正以其超低功耗的特性，以及豐富多樣化的外設(shè)受到越來越多設(shè)計(jì)者們的青睞。同時(shí)，MSP430 有著開發(fā)簡(jiǎn)單，容易上手的優(yōu)勢(shì)，這為新 手進(jìn)行單片機(jī)學(xué)習(xí)提供了很大的便利于幫助。 綜合以上兩個(gè)方案，選擇方案二。因?yàn)樘幚砥髦饕菍?duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)處理，完成各種保護(hù)和輔助功能，考慮到控制器的功能和要求，結(jié)合對(duì)單片機(jī)管腳，功能，速度，存儲(chǔ)器等各個(gè)方面的考慮，本設(shè)計(jì)選擇 MSP430 系列的 MSP430G2553 單片機(jī) 作為主控制器。 MSP430G2553 單片機(jī)具有功耗超低、處理能力強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、開發(fā)環(huán)境方便高效等特點(diǎn)，符合課題的技術(shù)要求、成本低、使用簡(jiǎn)便 ，因此方案二更加可靠適用。 D 類音頻功率放大器 電路 方案一：采用 NS4158 D 類音 頻功率放大器。 NS4158 是一款 5W 高效率的單聲道 D 類音頻功率放大器， NS4158 輸出無需濾波器的 PWM 調(diào)制結(jié)構(gòu)及反饋電阻內(nèi)置方式減少了外部元件、 PCB 面積和系統(tǒng)成本。NS4158 帶防破音（ NCN）功能?？梢酝ㄟ^軟件或者硬件設(shè)置放大器工作在兩種工作模式：不防破音 (NCNOFF)模式和防破音 (NCN)模式。軟件是通過一線脈沖控制，硬件是通過電平控制。應(yīng)用非常靈活。 NS4158 內(nèi)置過流保護(hù)、過熱保護(hù)及欠壓保護(hù)功能，有效地保護(hù)芯片在異常工作狀況下不被損壞。并且利用擴(kuò)頻技術(shù)充分優(yōu)化全新電路設(shè)計(jì)，高達(dá) 90%以上的效率更加適合低電壓，高功率輸出的音頻系統(tǒng)。，額定的工作溫度范圍為 40℃至 85℃ 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 方案二：采用 TPA3112D1 類音頻功率放大器。 TPA3112D1 是一款具有 Speaker Guard TM 的 25W 單聲道、無需外加濾波器的 D 類音頻放大器，運(yùn)用在電視和消費(fèi)類音頻設(shè)備中。該芯片供電范圍為 8V~26V，有四個(gè)可選、固定增益設(shè)置，差動(dòng)輸入；采用 H 橋作為功率輸出級(jí)，使得其可在輸出沒有傳統(tǒng)的 LC 濾波器的情況下直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載；輸入的音頻信號(hào)可以是差分形式，其中在 12V供電情況下，滿負(fù)載驅(qū)動(dòng) 8Ω的橋接式揚(yáng)聲器，聲音失真率僅為 %。 TPA311D1采用差分信號(hào)輸入，經(jīng)調(diào)制后得到兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為 DRVP 和 DRVN,這兩路信號(hào)事實(shí)上為兩路占空比隨輸入信號(hào)變化的 PWM，它們和它們的反向信號(hào)一起控制 H 橋的開關(guān)實(shí)現(xiàn)功率放大，在音頻輸入端接入電容與輸入引腳。 綜合以上兩個(gè)方案，選擇方案二。因?yàn)?TPA3112D1 是 25W 單聲道、無需外加濾波器的 D 類音頻放大器 ， 采用 H 橋作為功率輸出級(jí)，使得其可在輸出沒有傳統(tǒng)的 LC 濾波器的情況下直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載， 而且 芯片供電范圍為 8V~26V，剛好可以使用開關(guān) 電源提供的 12V直流電，然而 NS4158 是一款