基于单片机的d类功放设计
基于单片机的D类射频功率放大器研究
它 的时 域波形 和频 谱如 图 ２ 示． 所
ｋ （
ｋ ∞ （）
＋ｌ
０ １
开关 是 ＮＰ 型 高 频 开关 管 ， 接 负 电 源 的 开关 是 Ｎ 连
Ｐ Ｐ型 高频 开关 管口 ． Ｎ ］ 激励 电压 用 脉 冲 信 号 ， 必 但 须 足够大 ， 晶体管 迅速进 入饱 和状 态． 系统 用到 使 本
了双 电源 ， 这是 对 基 本 Ｄ类 放 大器 的 改进 ， 够 提 能
一
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图 ２ 双 向 开关 函 数 波 形 与 频 谱
［ 摘
要 ］为 了进 一 步 提 高 高 频 功 率放 大 器 的输 出 功 率 和 效 率 ， 出 了 借 助 单 片 机 及 Ｃ Ｌ 分 频 产 生 射 频 载 提 ＰＤ
波 信 号 ， 用 双 电源 Ｄ 类 高 频 功 率放 大 器作 为 功放 的 方 法 ． Ｄ类 放 大 器 的基 本 原 理 出 发 ， 系 统 的 工 作 原 并 从 对 理进行了分析 ， 对系统进行仿真实验． 验表 明， 并 实 该方 法 提 高 了 信 号 的传 输 效 率 ， 低 了 信 号 失 真 并 且 避 免 降 了信 号 的 相 互 干 扰． Ｄ类 功放 进 行 的 改进 ， 以极 大 地 提 高 高 频 功 率放 大 器 的 输 出功 率 和 效 率 ， 时 高 频 对 可 同
肖俊 武 等 基 于 单 片机 的 Ｄ类 射 频 功 率 放 大 器研 究
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高频 功 率放 大器 的主要 问题 是如 何尽 可能 地提 高它 的输 出功率 与效 率． 只要将 效率 稍许 提高 一点 ， 就能在 同样 的器 件 耗散 功 率 条 件 下 ， 大 提 高输 出 大
用STC单片机制作D类功放
用STC单片机制作D类功放众所周知在各类功放中D类功放以其极高的效率著称，因此更符合绿色革命的潮流，也因此D类功放越来越引起各方面的重视。
笔者在参考了相关资料后决定尝试用一单片机和功率三极管来DIY一简单有趣的D类功放。
因为这个DIY既有模拟电路方面的知识，也有数字电路方面的知识，特别是PCB出图时AD采样中地的处理、双声道采样最佳时序处理和PWM 输出对笔者来说是种锻炼和提高。
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0或1的信号让晶体管进入饱和或截至状态，晶体管相当于一个开关，把电源与负载直接接通或截止。
理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。
这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。
在理想情况下，D类功放的效率为100%。
图1.是笔者DIY的D类功放的方案，可分为三个部分：图１. 原理框图第一部分为AD转换，是利用单片机的AD转换功能将输入的模拟信号转换为占空比随模拟信号电压变化而变化的PWM信号。
这里选用价格低廉的深圳宏晶科技的STC12C5202AD 单片机。
该单片机运行速度是普通8051单片机的数倍，并且可以使用高达40MHz的外部晶振。
AD采样速率可达250kHz。
同使用运放+三角波形做基准信号源产生PWM的方法比较，该方案更容易产生形状、频率稳定准确的PWM波形。
由于一般音源的输出信号较为微弱，在AD采样前要加预放（笔者在第一版中没有设计预放引起输出功率偏低）；并且为适应单片机正5伏的工作模式，需要在模拟信号上叠加正2.5V直流电压。
若音频输入信号为零、直流偏置为单片机AD采样基准电压的1/2，则单片机输出的方波高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。
当有音频信号输入时，正半周期间，单片机输出方波高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以单片机采样脚的电平还是大于零，方波占空比小于1：1。
D类功放的设计原理
D类功放的设计原理D类功放，全称为“数字功率放大器”，是一种电子功率放大器的类型，它的设计原理基于数字信号的处理和模拟功率放大电路的协同工作。
相比于传统的A类、B类、AB类功放，D类功放具有更高的功率效率，更小的尺寸和重量，更好的线性度，以及更低的功率损耗。
下面将详细介绍D类功放的设计原理。
1.PWM调制原理D类功放的核心设计原理是采用脉宽调制（PWM）技术。
PWM是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制平均输出功率的方法。
D类功放通过将原始的模拟音频信号转换为数字信号，并通过比较器产生一个与模拟信号频率相同的矩形波，然后根据输入音频信号的幅值调整矩形波的脉宽，最后通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
2.数字信号处理D类功放的设计中需要进行数字信号处理。
首先，输入的模拟音频信号需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号，然后通过数字信号处理器（DSP）进行数字信号的滤波、均衡、增益控制等处理，最后再经过数字模数转换器（DAC）转换回模拟信号。
3.比较器比较器是D类功放中的一个关键组件，用于将模拟音频信号与产生的PWM矩形波进行比较。
比较器的作用是根据输入信号的幅值调整PWM信号的脉宽，从而控制输出功率。
比较器通常由操作放大器和参考电压产生器组成。
4.滤波器在PWM调制之后，需要通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
滤波器的作用是去除PWM信号中的高频分量，保留音频信号的低频成分。
常见的滤波器类型包括低通滤波器和带通滤波器。
5.输出级D类功放的输出级通常采用开关管（如MOSFET）构成。
开关管的特点是具有较低的开通电阻和较高的关断电阻，从而实现更小的功率损耗和更高的功率效率。
输出级通常由多个开关管组成，根据功率需求可以并联或串联排列。
输出级的设计需要考虑电压和电流的控制，包括过电压和过电流的保护。
6.反馈控制为了提高D类功放的线性度和稳定性，通常需要采用反馈控制。
通过对输出信号与输入信号进行比较，调整PWM信号的脉宽和幅值，以使输出信号尽可能接近输入信号。
D类功放电路设计小结
D类功放电路设计小结设计原理：D类功放电路的设计原理基于PWM（脉冲宽度调制）技术。
其基本原理是将音频信号进行高频脉冲调制，然后通过开关管迅速切换，实现功率放大。
由于开关管处于两种状态（导通和关断）的时间比例决定了输出功率，故称为“D”类功放。
主要部件：信号源：可以是音频输入信号，也可以是数字信号。
音频输入信号需要经过电压放大电路进行预处理，而数字信号可以直接通过数字调制器提供。
PWM调制电路：将输入的音频信号进行高频脉冲调制，生成并控制开关管的导通和关断。
功率开关：根据PWM调制的结果，控制开关管的导通和关断状态。
开关管一般使用MOSFET或IGBT作为功率开关，具有低导通电阻和高开关速度的特点。
输出滤波电路：将开关管输出的脉冲信号进行滤波，恢复为平滑的模拟音频信号。
输出滤波电路主要由电感和滤波电容构成。
保护电路：用于对功放电路进行过流、过温、过压等保护，保证电路和设备的安全可靠运行。
关键技术：PWM调制技术：合理选择PWM调制频率和调制深度，可以提高功放电路的保真度和效率。
频率选择应考虑开关管的开关速度和滤波电路的截止频率，调制深度的选择应在保证低失真度的前提下尽可能提高效率。
功率开关选择：功率开关的选择应根据输出功率和负载特性进行匹配，要考虑到导通电阻、开关速度、最大耗散功率等因素，并确保可靠性和寿命。
输出滤波设计：输出滤波电路的设计应根据输出功率和频率响应要求来确定电感和滤波电容的数值。
合理的设计可以降低输出失真度。
保护电路设计：保护电路应包括过流保护、过温保护和过压保护等功能，以保护功放电路和负载设备的安全。
保护电路设计应考虑速度快、可靠性高。
总结：D类功放电路的设计涵盖了信号源、PWM调制电路、功率开关、输出滤波电路和保护电路等方面，其中关键技术包括PWM调制技术、功率开关选择、输出滤波设计和保护电路设计。
合理选择和设计这些部件和技术，可以实现高效率的功率放大和优质音质输出。
在实际设计中，还需考虑功放电路的功率和频率响应等具体需求，并进行仿真和实验验证，以进一步优化设计。
TPA3116D2的D类数字功放设计与制作
[9]倪磊.D类音频功率放大器的分析和设计要素[J].电子与封装,2008(06):21-25+29.
[10] 曾宝国,曾妍.D类功率放大器的原理及应用[J].科技资讯,2008(03):18-19.
西安交通工程学院
毕业设计（论文）中期检查表
学院
电气工程学院
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
周杰
学号
14033030150
班级
电气1401
导师姓名
聂怡波
职称
高级工程师
单位
题目名称
基于TPA3116D2的D类数字功放设计制作
检查内容
检查结果
题目是否更换及更换原因
学生出勤情况
进度评价
（完成总工作量的百分比）
本文档中的功率器件D类音频放大器通过高频PWM信号，使其在一个开关处工作，从理论上讲，它的效率可达到100％，但它的缺点是产生高频干扰和噪声，但如果精心设计低通滤波器件的参数，其音质和噪声能够充分满足人们的需求。
第二章 功率放大器
2.1简介
把音源器材输出的信号扩大是功率放大器存在的意义, 使信号有充足的功率让音响发声同时又具有满意的性能。功率放大器在状态高电流和高电压下运行, 因此在制造、安装和调试功率放大器的过程中, 每一步直接影响到功放的正常运行和回放质量的声音工作等上。前置放大器接管基于多种来源的控制, 并加强微弱信号的 0.5～1 V, 各种质量控制过程信号, 以提高声音。功率放大器,这是音频信号前置放大器输出的功率放大器, 以驱动扬声器发出声音。
[2] 张杰,张兢,徐勤,王玉菡.“模拟电子技术基础”入门教学方法探讨[J].中国电力教育,2010(01):103-104.
TPA36D2的D类数字功放设计与制作
TPA36D2的D类数字功放设计与制作
1.设计电路原理图：根据TPA3116D2的数据手册，设计出合适的电路原理图。
主要包括电源电路、输入接口、TPA3116D2芯片和输出电路。
2.PCB设计：根据电路原理图进行PCB设计，将各个元件的布局和连接线路进行布局和打板。
3.制作PCB板：可以使用PCB软件进行打板，然后通过电路板厂商进行制作。
4.元件安装：将打板完成的PCB板上的元件进行安装，包括
TPA3116D2芯片、电容、电阻等。
5.调试：完成元件安装后，将电路连接好，接入电源，用示波器和信号发生器测试电路的工作状态，调试电路参数。
6.输出电平和音质调节：根据需要，可以根据TPA3116D2的数据手册进行调节输出电平和音质。
7.外壳制作和装配：根据实际需求，设计制作适合的外壳，将电路装入外壳中。
8.接口和连接：设计合适的输入输出接口，连接扬声器和音源。
9.测试：对制作完成的数字功放进行测试，例如测试输出功率、音质等指标。
10.最后调整：根据测试结果对电路进行最后的调整和优化。
以上是一个简单的TPA3116D2的D类数字功放设计和制作的流程，需要具备电路设计和制作的基础知识和技术，以及相关测试设备和工具。
同
时，还需要熟悉TPA3116D2的技术规格和参数，以确保设计和制作的功放具备良好的性能和音质。
基于st89c51单片机和DA的数控音频功率放大器设计
课程设计报告数控音频功率放大器一．设计要求（1）输入信号为30mv峰峰值的正弦波，频率范围 20HZ~20KHZ，输入阻抗Ri ≥20KΩ，前级程控放大器增益通过单片机键盘输入控制，增益可预置为10db，20db，30db，40db。
（2）后级功率放大器输出功率≥3W（8Ω负载）。
（3）液晶显示。
二．原理框图三．方案对比选择用DAC0832控制前级放大out前级放大100倍后用单片机控制DAC0832进行衰减。
Vi经对比选择用DAC0832控制前级放大比较简单，而且较精确。
四．电路图设计五．主要元件选择及参数设计（1） 运放LF353out前级放大分别放大10倍，总共放大100倍。
LF353的工作电压是+15v ，各引脚的接法见上图。
将7号输出脚的信号作为DAC0832的输入。
（2）功率放大器TDA2030TDA2030的工作电压是+15v。
它将输入的电流进行放大，然后驱动喇叭响。
具体接法见上图。
利用TDA2030进行功率放大。
TDA2030具有体积小，输出功率大，失真小等特点。
功率放大器内含多种保护电路，工作安全可靠性高，主要保护电路有：短路保护，热保护，地线偶然开路，电源极性反接，以及负载泄放电压反冲等。
其中，热保护电路能够容易承受输出的过载，甚至是长时间的，或者环境温度超过时均起到保护作用。
与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。
结温超过时，也不会对器件有所损害。
(3)单片机STC89S52STC89S52是比较常用的52系列单片机。
它的工作电压是+5v。
外围电路加上12M的晶振，使其正常工作。
P2口控制DAC0832。
通过对P2口赋值来改变输出增益的大小。
(4)1602液晶（5）DAC0832DI0~DI7：数据输入线，TLL电平。
ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。
CS：片选信号输入线，低电平有效。
WR1：为输入寄存器的写选通信号。
XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。
D类音频功放设计
D类音频功放设计D类音频功放是一种数字化放大技术，其设计基于PWM（脉宽调制）模块。
它以高效能的方式将模拟音频信号转化为数字形式，并通过快速切换音频信号的输出级来近似模拟音频信号。
这种设计异于传统的A类、B 类和AB类功放设计，在功率效率上有着显著的优势。
D类音频功放由输入级、PWM模块、滤波器以及输出级组成。
输入级主要负责将输入的音频信号转化为数字表示形式。
这可以通过使用采样器和模数转换器（ADC）来实现。
ADC将输入音频信号转换为离散的数位形式，通过采样和量化的过程实现。
然后，进一步的数字处理可以应用于信号，以改善音频质量。
PWM模块接收数字信号，并将其转换为脉冲宽度。
脉宽调制技术可以通过改变电平的脉冲宽度来近似模拟输入信号。
PWM模块根据输入信号的幅度，产生相应脉冲宽度调制的输出信号。
滤波器用于平滑输出信号，以去除PWM调制过程中产生的高频噪音。
通常采用低通滤波器用于过滤高频成分。
滤波器必须具有足够的带宽，以确保在不损失音频质量的情况下滤除尽可能多的高频噪音。
最后，输出级通过将PWM信号转换为模拟信号，从而得到放大后的音频信号。
它可以使用滤波器和放大器来实现这一转换。
滤波器用于去除PWM信号中的高频噪音，而放大器用于将信号放大到适当的水平。
在D类音频功放设计中，需要考虑以下几个关键因素：1.输出功率：根据设计需求，选择合适的输出功率。
这涉及到放大器的电源，散热系统等设计。
2.音质：在设计中要考虑到音频质量的损失问题。
在PWM调制过程中，可能会产生失真和噪音。
因此，需要仔细选择PWM调制方法和滤波器设计，以减少音频质量损失。
3.功率效率：D类功放以其高效能而闻名。
设计中需要考虑如何提高功率效率，降低功耗和热量产生。
4.保护电路：由于D类功放通常用于高功率应用，因此需要考虑到保护电路的设计。
这可以包括过热保护、过电压保护和过流保护等。
5.PCB设计：确保电路布局合理，减少干扰和噪音。
同时，需要考虑散热和电源线等布线问题。
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编号：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：***学号：************指导教师：***职称：讲师题目类型：理论研究√工程设计软件开发2013 年10 月25 日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AbstractDigital 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)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多相通之处，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。
理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。
这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。
在理想情况下，D类功放的效率为100%，B类功放的效率为78.5%，A类功放的效率才50%或25%（按负载方式而定）。
D类功放实际上具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。
然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。
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。
1.1.2 D类功放的目前现状全球音频领域数字化的浪潮以及人们对音频设备节能环保的要求，迫使人们尽快的研究开发高效率、节能、数字化的D类功率放大器，其应该具工作效率高，便于和其他数字设备相连的特点，D类功放是PWM型功率放大器，它符合上述要求，今年来，国际上加紧了对D类功率放大器的研究与开发,并取得了一定的进展,几家著名的研究机构已经向市场提供D类功放评估模块和技术.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、数学、电子工业、商家的特别关注。
如今的趋势是D 类功率放大器必将取代传统的线性功率放大器。
科学技术人员做了大量的研究工作，早些时候人们就论证了D类功率放大器的存在。
高频功率放大器的主要问题是如和尽可能的提高其输出功率和效率，只要将效率稍稍提高一点点，就能在同样的器件消耗下，大大提高输出功率。