畢業(yè)論文涂俊華

1、 20112011 屆畢業(yè)設計（論文）屆畢業(yè)設計（論文） 材材 料料 系 、 部： 電氣與信息工程系 學生姓名： 涂 俊 華 指導教師： 王 韌 職 稱： 副教授 專 業(yè)： 電子信息工程技術 班 級： 電信 0802 學 號： 08400230247 2 0 1 1 年 5 月 材料清單材料清單 1、畢業(yè)設計（論文）課題任務書 2、指導教師評閱表 3、答辯及最終成績評定表 4、畢業(yè)設計說明書 5、附錄材料 2011 屆屆畢業(yè)設計畢業(yè)設計（ （論論文）文）課題課題任任務書務書 系：電氣與信息工程系 專業(yè)：電子信息工程技術 指導教師王 韌學生姓名涂俊華 課題名稱t 類功率放大器 內(nèi) 容 及 任 務

2、 1、設計任務 設計一個 t 類功率放大器，采用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)音量、低音、高音、平 衡音，并用液晶顯示屏顯示相對值。 2、設計內(nèi)容 （1）單片機最小系統(tǒng)模塊 （2）下載接口模塊 （4）lcd（12864）模塊 （5）行列式鍵盤模塊 （6）功放前級模塊 （7）功放后級模塊 （8）電源模塊 設計制作以上模塊電路，并編程實現(xiàn)模塊功能。 擬 達 到 的 要 求 或 技 術 指 標 （1）失真度小，在 20hz20khz 有平坦的幅頻特性和很好的相頻特性（音質(zhì)好） 。 （2）可以有調(diào)節(jié)音量大小,可以調(diào)節(jié)音質(zhì)品質(zhì)（包括高音、低音、平衡音） 。 （3）電位器采用數(shù)字電位器，要求通單片機能對進行讀寫

3、操作，并顯示相對值。 （4）當由于輸入信號過大時，而引起的信號放大失真，單片機通過掃描 ta2020 的 overload 端，從而自動降低放大倍數(shù)。 起止日期工作內(nèi)容備注 進 度 安 排 2011/4/42011/4/6 2011/4/72011/4/10 2011/4/112011/4/17 2011/4/182011/5/1 2011/5/22011/5/15 2011/5/162011/5/22 2011/5/232011/5/26 2011/5/272011/5/29 學生收集資料、熟悉畢業(yè)設計（論文）課題 總體方案設計 硬件系統(tǒng)設計及電路制作 軟件系統(tǒng)設計 系統(tǒng)調(diào)試 編寫畢業(yè)設計（

4、論文）說明書 教師評閱設計（論文） ，學生進行總結、準備答辯 畢業(yè)設計（論文）答辯 0.5 周 0.5 周 1 周 2 周 2 周 1 周 0.5 周 0.5 周 主 要 參 考 資 料 1何立民編著.mcs-51 系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術m.北京：北京 航空航天大學出版社，1990.1； 2張毅剛主編.mcs-51 單片機應用設計m.哈爾濱：哈爾濱工大學出版社，1990.8； 3李華主編，mcs-51 系列單片機實用接口技術m.北京：北京航空航天大學出版社， 1993.8； 4馬忠梅，單片機的 c 語言 windows 環(huán)境編程寶典m.北京：北京航空航天大學出版 社，2003

5、.6； 5謝自美.電子線路設計實驗測試.m.北京：華中科技大學出社,2006.08； 6李光飛,單片機 c 程序設計指導m.北京:北京航空航天大學出版社，2003.01； 7閻石. .數(shù)字電子技術基礎（第三版）m.北京：高等教育出版社，1989； 8康華光.電子技術基礎.m北京:高教出版社,2008.01。 教研室 意見 年 月 日 系主管領導 意見 年 月 日 湖南工學院 2011 屆畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表 系： 電氣與信息工程系 學生姓名涂俊華學 號08400230247班 級電信 0802 專 業(yè)電子信息工程技術指導教師姓名王 韌 課題名稱t 類功率放大器 評語：（包括以下方面，

6、學習態(tài)度、工作量完成情況、材料的完整性和規(guī)范性；檢索和利用文獻能力、 計算機應用能力；學術水平或設計水平、綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力；） 該生畢業(yè)設計態(tài)度端正，能很好地領會畢業(yè)設計任務書的具體要求和任務， 具備一定的搜集資料的能力，能夠按時、按質(zhì)、按量完成指導教師下達的畢業(yè)設 計任務，具有較強的計算機應用能力，畢業(yè)設計文檔資料齊全，文檔格式符合規(guī) 范要求。畢業(yè)設計達到了一定的水平，同意該生參加畢業(yè)答辯！ 是否同意參加答辯：是 否 指導教師評定成績分值： 指導教師簽字： 年 月 日 湖南工學院 2011 屆畢業(yè)設計（論文）答辯及最終成績 評 定 表 系（公章）： 電氣與信息工程系 說明：最終評定

7、成績a+b，兩個成績的百分比由各系自己確定，但應控制在給定標準的 10左右。 學生姓名涂俊華學號 08400230247 班級電信 0802 答辯 日期 課題名稱t 類功率放大器 指導 教師 王 韌 評 定 成 績 評 定 分 值 教師 1教師 2教師 3教師 4教師 5 小計 課 題 介 紹 思路清晰，語言表 達準確，概念清楚， 論點正確，實驗方法 科學，分析歸納合理， 結論嚴謹，設計（論 文）有應用價值。 30 必 答 題 40 答 辯 表 現(xiàn) 思維敏捷, 回答問題有理 論根據(jù)，基本 概念清楚，主 要問題回答準 確大、深入,知 識面寬。 自 由 提 問 30 合 計 100 答 辯 評 分

8、 分值： 答辯小組長簽名： 答辯成績 a： 40 指導教師評分分值： 指導教師評定成績 b： 60 最終評定成績： 分數(shù)： 等級： 答辯委員會主任簽名： 年 月 日 2011 屆屆畢業(yè)設計說畢業(yè)設計說明明書書 t 類功率放大器 系 、 部： 電氣與信息工程系 學生姓名： 涂 俊 華 指導教師： 王 韌 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣與信息工程系 班 級： 電信 0802 完成時間： 2011/5/20 摘 要 近年來，有一種新技術，它利用功率晶體管工作在開關狀態(tài)，在音響領域的應 用就是數(shù)字功率放大器，也稱 t 類功率放大器。與傳統(tǒng)模擬功率放大器相比，數(shù)字 功率放大器有著非常鮮明的特點：1、采用最

9、先進數(shù)字處理技術 20bit 的字長，可精 確還原音頻信號，使得無論聲音細節(jié)還是輪廓都得以完美再現(xiàn)。2、具有極高的效 率，功率轉(zhuǎn)換效率高達 90，具有傳統(tǒng)模擬功率放大器無法比擬的高效節(jié)能性，從 此改變在人們心目中音頻功率放大器笨重、耗電、體積大的印象。3、壽命長，在 高效、低功耗、數(shù)字化電路的共同作用下，使功率放大器可靠性、安全性大幅度提 高。4、瞬態(tài)響應好，它不需傳統(tǒng)功率放大器的靜態(tài)電流消耗，能量幾乎都是為音 頻輸出而儲備，加之無模擬放大、無負反饋的牽制，故具有更好的“瞬態(tài)響應”特性， 令聲音細節(jié)重放更豐富。5、整個頻段內(nèi)無相移，聲場定位準確，采用數(shù)字濾波器 等技術，將輸出濾波器的截止頻率設

10、計得較高，從而保證在 20hz20khz 內(nèi)得到 平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。6、抗干擾能力強，數(shù)字功率放大器是工作在 開關狀態(tài)，具有更好的抗干擾能力，使音質(zhì)更純凈透徹。 關鍵詞： t 類功率放大器；高效率；數(shù)字濾波器； abstract in recent years, there is a new technology, using power transistors work in switch state, in the areas of application are digital audio power amplifier, also called t class ampli

11、fiers. compared with the traditional analog power amplifier, digital power amplifier has a very distinctive characteristics: 1,adopt the most advanced digital processing technology 20bit word long, can accurate reduction audio signal, make neither sound details or contour all be able to perfect repr

12、oduction. 2, high efficiency and power conversion efficiency over 90%, with traditional analog power amplifier and incomparable energy-saving sex, changed in the eyes of people audio amplifier heavy, power consumption, big volume impression. 3, long service life, high efficiency, low power consumpti

13、on, under the common function of digital circuit, make the power amplifier reliability, safety increased greatly. 4, the transient response well, it does not need the traditional amplifier static current consumption, energy is almost as audio output and reserves, coupled with no analog amplifier, no

14、 negative feedback of traction, it has better transient character, make sound details replay more abundant. 5, the band without phase shift, acoustic field in accurate location, adopting digital filter technology etc, will output filter cutoff frequency design, thus ensuring the higher in 20hz 20khz

15、 inside get even amplitude frequency characteristics and good phase frequency characteristics. 6, strong anti-jamming capability, digital power amplifier is working in switch state and has better anti-interference ability to make sound more pure thoroughly. key words t class amplifiers；high efficien

16、cy；transient response；digital filter； 目 錄 1 緒論.10 1.1 課題研究背景.10 1.2 課題研究的目的和意義.11 1.3 系統(tǒng)概述.12 2 設計方案論證.13 2.1 功放模塊論證.13 2.2 顯示方案論證.15 2.3 電源模塊論證.16 3 工作原理.17 3.1 數(shù)字功率技術.17 3.2 iic 通信原理.18 3.3 數(shù)字濾波技術.19 4 單元電路.20 4.1 單片機控制系統(tǒng).20 4.2 功放模塊.23 4.3電源模塊.25 5 軟件設計與電路調(diào)試.28 5.1 軟件設計流程.28 5.2 安裝與調(diào)試.30 5.3 調(diào)試中故

17、障分析及改進措施.31 5.4 調(diào)試成功后的功放效果.32 5.4 設計總結.33 參考文獻.35 致 謝.36 附 錄.37 1 緒論 1.1 課題研究背景 隨著人民生活水平的提高，許多人特別是音響發(fā)燒友們對音頻功率放大器能否 完美不失真的還原聲音的要求近乎于苛刻。模擬的功率放大器經(jīng)過了幾十年發(fā)展， 在這方面的技術已經(jīng)相當成熟，可以說是達到了登峰造極的地步。環(huán)保與能量的利 用率已漸漸成為人們所關注的問題，正因為這樣，廣大消費者對功放的效率要求越 來越高。但是模擬功率放大器在這方面幾乎達到了極限。另外模擬磁帶播放機如錄 音機逐步被淘汰，數(shù)字光碟播放機如 cd、vcd、dvd 等已占據(jù)主流。針對

18、這一現(xiàn) 實數(shù)字功放應運而生。音響中用的功率放大器，常用的是 a 類或者 ab 類功放，近 年來，利用脈寬調(diào)制原理設計的 d 類功放也進入音響領域。 功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。即 a 類、ab 類、b 類、c 類、d 類。在音頻功放領域中，前四類均可直接采用模擬音頻信號直接輸入，放大后將此 信號用以推動揚聲器發(fā)聲。d 類放大器比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，不是通就是斷。 因此，它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要某種變換后再放大。人們把此種具 有開關方式的放大，稱為數(shù)字放大器。 國外在數(shù)字音頻功率放大器領域進行了二、三十年的研究，六十年代中期，日 本研制出 8bit 數(shù)字音頻功率放大器。

19、1983 年，m.b.sandler 等學者提出 d 類（數(shù)字） pcm 功率放大器的基本結構。主要是圍繞如何將 pcm 信號轉(zhuǎn)化為 pwm 信號。把 信號的幅度信號用不同的脈沖寬度來表示。此后，研究的焦點是降低其時鐘頻率， 提高音質(zhì)。隨著數(shù)字信號處理（dsp）技術和新型功率器件及應用的發(fā)展，開發(fā)實 用化的 16 位數(shù)字音頻功放成為可能。一個音響系統(tǒng)必須具備音源、功放和音箱三 大部分。音源部分目前已數(shù)字化了，如 cd、vcd、dvd、dab 和數(shù)字電視等。但 的功放和音箱仍然是模擬統(tǒng)治的天下。在人們進入數(shù)字化、信息化的開發(fā)過程中自 然想到了功放的數(shù)字化這一問題。 模擬功放始終無法解決效率、成本

20、、音質(zhì)這三者。國外這幾家公司研制的數(shù)字 功放價格均在一萬美元以上，遠遠超過了普通大眾的承受能力，因此，從世界水平 來看，現(xiàn)有功放仍停留在模擬放大的水平上，而數(shù)字功放技術尚未大規(guī)模商業(yè)應用。 國內(nèi)市場也開始出現(xiàn) av 數(shù)碼功放，但所謂的數(shù)字功放實質(zhì)上僅僅是指音頻處 理部分采用了數(shù)字處理，其功率放大器 則仍然采用模擬放大，這與真正意義的數(shù) 字功放相差甚遠。 音響產(chǎn)品的數(shù)字化是必然趨勢。由于數(shù)字功放有很多優(yōu)點，如體積小、功率大、 高、與數(shù)字音源的無縫結合、能有效降低信號間傳遞干擾、實現(xiàn)高保真等。在數(shù) 字音源已經(jīng)大量普及的時代，數(shù)字功放將會取代現(xiàn)有的模擬功放。 1.2 課題研究的目的和意義 數(shù)字功放與

21、模擬功放相比有如下一些明顯優(yōu)勢。 （1）整個頻段內(nèi)無相對相移，聲場定位準確。 由于采用無負反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術，可以將輸出濾波器的 截止頻率設計得較高，從而保證在 20hz-20khz 內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相 頻特性。 （2）瞬態(tài)相應好，即動態(tài)特性好。 由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備， 加之無模擬放大、無負反饋的牽制，故具有更好的動力特征。 （3）無過零失真 傳統(tǒng)功放都在由于對管配對及各級調(diào)整不佳產(chǎn)生的過鈴、交越失真。 （4）效率高、可靠性高、體積小。 理論上 d 類功放的效率可達 100%，而 b 類放大器效率僅為 78%（理論值）

22、 ，a 類功放的效率就非常低?？煽啃灾R告訴我們：半導體器件的溫度每升高 10c，失 真率就提高一倍。 （5）適合于大批量生產(chǎn)。 產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無需調(diào)試，只保證元器件正確安裝即可。 d 類功放中的功率晶體管工作在開關狀態(tài)，又稱作數(shù)字功放。a 類功放的保真 度好，但效率甚低，不到 10 %，用於高檔的專業(yè)音響；ab 類功放的保真度略為遜 色，但效率可以達到 20 %至 40 %，主要用於汽車、家庭音響以及電腦上；d 類功 放的效率高達 80 %至 90 %以上，使用時不需要散熱器，或者只需要一只很小的散 熱器，但是它的保真度和 a 類及 ab 類功放相比則大為遜色。理想的功放是保真度 高

23、，同時效率也高。tripath technology 公司提供一種保真度好、效率高的音頻功率 放大器，其中的功率晶體管也是工作在關關狀態(tài)，即 d 類，為了區(qū)別於用脈寬調(diào)制 原理設計的 d 類功率放大器，tripath 把這種音頻功率放大器稱作 t 類功率放大器。 t 類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制 d 類功放相同，功率晶體管也是工 作在開關狀態(tài)，效率和 d 類功放相當。它和 d 類功放不同的是，它不是使用脈沖 調(diào)寬的方法。tripath 公司發(fā)明了一種稱作digital power processing (tm) (dpp(tm) 的數(shù)字功率處理技術，它是 t 類功放的核心。它把通信技術

24、中處理小信號的適應算 法及預測算法用到這里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經(jīng)過 dpp(tm)數(shù)字處 理后用于控制功率晶體管的導通關閉，因而不存在脈寬調(diào)制 d 類功放的那些缺陷。 音頻功率放大器的失真用兩個指標衡量：一個是 thd+n（總諧波失真加噪音）指 標，另一個是 imd（互調(diào)制失真）指標。如果在 20 hz 至 20 khz 頻帶上的 thd+n 指標低於 0.2 %，imd 指標低於 0.4%，就算是低畸變的了。ta1101 是輸出 10 瓦的 雙聲道 t 類功率放大器，它在音頻頻帶上的 thd+n 為 0.02 %，imd 指標為 0.04 %，效率高於 80 %。此外，t 類功

25、放的動態(tài)范圍更寬，響率響應平坦，群延遲小。 ddp(tm)的出現(xiàn)，把數(shù)字時代的功率放大器推到一個新的高度。 在 t 類功率放大器中，功率晶體管的切換頻率不是固定的（d 類功率放大器中 調(diào)寬脈沖的頻率是固定的） ，無用分量的功率譜不是像 d 類功率放大器那樣是集中 在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上，例如從 1.5 mhz 至 2.5 mhz 的頻帶上，它的波形和擴譜技術的波形相似，因此，功率密度并不高，從而降低了 對輸出低通濾波器的要求，同時它產(chǎn)生的 emi 也不像 d 類功率放大器那么嚴重。 雖說 d 類功放和 t 類功放所處理的是音頻信號，但會產(chǎn)生 emi，這是因為這兩種 功放

26、中的功率晶體管的切換頻率比音頻信號的最高頻率高很多。在 a 類或者 ab 音 頻功放則不存在這種問題。所以，使用 d 類功放和 t 類功放的設計師需要有一點 rf 設計的知識，并針對 emi 下點功夫，例如，合理布置輸出低通濾波器的元件， 使自已設計的產(chǎn)品符合電磁兼容性的要求。 對于當今社會，能源已成為一個刻不容緩的問題，而節(jié)能問題成為各個行業(yè)作 為提高效率，提倡環(huán)保的重要措施。對于許多音樂發(fā)燒友，和一些音質(zhì)要求高的場 所，雖然 a 類放大器具有很高的線性度，尤其是對于膽機來說，音質(zhì)當然無可厚非， 但是他的能源利用率無法讓人承受。對于那些既愛環(huán)保，從經(jīng)濟、節(jié)能角度出發(fā)， 同時又追求高品質(zhì)音質(zhì)的

27、發(fā)燒友來說，t 類功放無疑成為他們明智的選擇。 1.3 系統(tǒng)概述 本次畢業(yè)設計我所設計的是 t 類功率放大器，它可以調(diào)節(jié)音量、低音、高音、 平衡音。電位器采用數(shù)字電位器 x9241,內(nèi)含四個數(shù)字電位器,與單片機進行 iic 通 信，開機后，單片機從 x9241 里讀取數(shù)據(jù)，再將所讀得的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上。 音頻信號首先通過前級放大，可以根據(jù)不同場景，設置成自已音效，而一旦往 x9241 里面寫入數(shù)據(jù)后，上電之后，會保存上次掉電時的數(shù)據(jù)。t 類功放芯片采用 tripath 公司的 ta2020 芯片，由于 ta2020 芯片的管子工作在開關狀態(tài)，需要對其 進行濾波，本設計中采用無源濾波 lc

28、 濾波器。同時為了保護喇叭，還會在輸出端 接上穩(wěn)壓二極管，防止輸出電壓超過 12v。由于電路工作在開關狀態(tài)，輸出功率較 大，故對電源要求較高，最大輸出電流達 5a。如果不需要調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，單片 機系統(tǒng)可以不用。 2 設計方案論證 為了達到發(fā)燒音效，電路必須要有較強的搞干擾能力，同時電路盡可能簡單， 布局有致，大小信號隔離，減少分布電容，目前的模擬功放按放大器的工作狀態(tài)可 分為：a 類放大器、b 類推挽放大器、ab 類推挽放大器等形式。下面簡要論述幾個 關鍵部位的設計方案： 2.1 功放模塊論證 方案一：采用電子管做功放 (又稱膽機功放) 電子管是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電流

29、傳導，利用電場 對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。電子管功放，也就是 常說的膽機功放。電子管負載能力強，線性 度高，電子管所發(fā)出的聲音高音比較 亮麗、中頻飽滿、低音醇厚且富有彈性，聲音“偏暖”，在回放純音樂或人聲、等音 樂時最為人所喜愛，但是電子管功放最大的弊端就在于其聲音“速度感”不強，在播 放節(jié)奏較快的音樂時并不能讓人十分滿意；在高保真音頻功放中有著不可替代的 位置。 但同時電子管功放也存在著不容忽視的問題： （1）電子管電路工作時需要多種電源（如燈絲電源、簾柵極電源和陽極電源等）， 供電，供電電路復雜、產(chǎn)生的干擾不易完全消除，效率和信噪比較晶體管機低。 （2）電子管壽

30、命受陰極材料的限制，使用幾千小時后開始趨于老化。 （3）電子管發(fā)熱量大，必須有很好的散熱措施。 （4）膽機必須通過輸出變壓器才能驅(qū)動場聲器。而決定音質(zhì)的輸出變壓器無論選 材如何優(yōu)質(zhì)、制作工藝如何考究，都無法避免分布電容與漏感分量的存在，從而產(chǎn) 生相位失真； （5）電子管的價格也相對比較昂貴，制作成本很高。 由于以上原因，電子管功放（膽機功放）一般只用于比較高檔的場所，及一些 音樂發(fā)燒友。 方案二：采用 a 類功放（又稱甲類功放） a 類功放是指晶體管的輸出級中兩個（或兩組）晶體管永遠處于導電狀態(tài)，也 就是說不管有無訊號輸入它們都保持傳導電流，并使這兩個電流等于交流電的峰值， 這時交流在最大訊號

31、情況下流入負載。當無訊號時，兩個晶體管各流通等量的電流， 因此在輸出中心點上沒有不平衡的電流或電壓，故無電流輸入揚聲器。當訊號趨向 正極，線路上方的輸出晶體管容許流入較多的電流，下方的輸出晶體管則相對減少 電流，由于電流開始不平衡，于是流入揚聲器而且推動揚聲器發(fā)聲。 a 類功放的 工作方式具有最佳的線性，每個輸出晶體管均放大訊號全波，完全不存在交越失真， 即使不施用負反饋，它的開環(huán)路失真仍十分低，因此被稱為是聲音最理想的放大線 路設計。 a 類功放是重播音樂的理想選擇，它能提供非常平滑的音質(zhì)，音色圓潤溫暖， 高音透明開揚，因為無訊號時仍有滿電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。當訊號電平 增加時，有些

32、功率可進入負載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊 類功率功放發(fā)熱量驚人， 為了有效處理散熱問題，a 類功放必須采用大型散熱器。因為它的效率低，供電器 一定要能提供充足的電流。 方案三：采用 ab 類功放（又稱甲乙類功放） 與前兩類功放相比，ab 類功放可以說在性能上的妥協(xié)。ab 類功放通常有兩個 偏壓，在無訊號時也有少量電流通過輸出晶體管。它在訊號小時用 a 類工作模式， 獲得最佳線性，當訊號提高到某一電平時自動轉(zhuǎn)為 b 類工作模式以獲得較高的效率。 普通機 10 瓦的 ab 類功放大約在 5 瓦以內(nèi)用 a 類工作，由于聆聽音樂時所需要的 功率只有幾瓦，因此 ab 類功放在大部分時間是用 a 類功放工作

33、模式，只在出現(xiàn)音 樂瞬態(tài)強音時才轉(zhuǎn)為 b 類。這種設計可以獲得優(yōu)良的音質(zhì)并提高效率減少熱量，是 一種頗為合乎邏輯的設計。有些 ab 類功放將偏流調(diào)得甚高，令其在更寬的功率范 圍內(nèi)以 a 類工作，使聲音接近純 a 類機，但產(chǎn)生的熱量亦相對增加。 ab 類功放既有 a 類功放較高的線性度，同時又有較高的效率，一般在 20%-40%左 右，得到了廣泛的使用。 方案四：采用 d 類功放 d 類功放指的是 d 類音頻功率放大器（有時也稱為數(shù)字功放）。通過控制開 關單元的 on/off，驅(qū)動揚聲器的放大器稱 d 類放大器。 d 類功放設計考慮的角度與 ab 類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太 大意義

34、，更重要的開關響應和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的 幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關響應要好。另外，整機的 效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的 散熱結構也能得到簡化?，F(xiàn)在小電流控制大電流的 mosfet 已普遍運用于工業(yè)領 域，特別是近年來 uhc mosfet 已在 hi-fi 功放上應用，器件的障礙已經(jīng)消除。 理論上，要把 20khz 以下的音頻調(diào)制成 pwm 信號，三角波的頻率至少要達到 200khz。同時，為了使波形更加接近原波形，thd 小，需要提高調(diào)制頻率，但但 此時晶體管的開關損耗會隨頻率上升而上升，無源器件

35、中的高頻損耗、謝頻的取膚 效應都會使整機效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不 能高于 1mhz。同時，三角波形的形狀、頻率的準確性和時鐘信號的抖晃都會影響 到以后復原的信號與原信號不同而產(chǎn)生失真。所以要實現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù) 字音響保真相同的考慮。 d 類功放理論上效率為 100%，即使在實際應用中，其效率也為 80%-90%，很 好地解決了效率問題，可以省去笨重的散熱片。但噪聲較大。 方案五：t 類功率放大器 t 類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制 d 類功率放大器相同，功率晶體管 也是工作在開關狀態(tài)，效率和 d 類功率放大器相當（80%-90%） 。但它和普通

36、d 類 功率放大器不同的是：1、它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，tripath 公司發(fā)明了一種稱 作數(shù)碼功率放大器處理器“digital power processing （dpp） ”的數(shù)字功率技術，它是 t 類功率放大器的核心。它把通信技術中處理小信號的適應算法及預測算法用到這 里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經(jīng)過 dpp 數(shù)字處理后，用于控制功率晶體 管的導通關閉。從而使音質(zhì)達到高保真線性放大。2、它的功率晶體管的切換頻率 不是固定的，無用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在 很寬的頻帶上。使聲音的細節(jié)在整個頻帶上都清晰可“聞”。3、此外，t 類功率放大 器的動態(tài)范圍更

37、寬，頻率響應平坦。ddp 的出現(xiàn)，把數(shù)字時代的功率放大器推到一 個新的高度。在高保真方面，線性度與傳統(tǒng) ab 類功放相比有過之而無不及。 在考慮保真度、能源利用率、工程實際應用、經(jīng)濟等各方面后，采用方案五， 即 t 類功率放大器，功放芯片采用性價比較高的 ta2020。 2.2 顯示方案論證 本設計的音量、低音、高音、平衡音的調(diào)節(jié)由按鍵輸入，并顯示其相對值。 方案一：led數(shù)碼管顯示。 該方案簡單，成本也比較低。顯示亮度有保證，但顯示信息有限，只局限一些 數(shù)值及一些字母。 方案二：液晶模塊顯示。 人們發(fā)現(xiàn)液晶這一呈液體狀的化學物質(zhì)，象磁場中的金屬一樣，當受到外界 電場影響時，其分子會產(chǎn)生精確的

38、有序排列。如果對分子的排列加以適當?shù)目刂疲?液晶分子將會允許光線穿越。 位于最后面的一層是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射 光線的背光層。背光層發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上 萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結構中，一 個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。當lcd 中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分 子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過 濾層的過濾在屏幕上顯示出來。 液晶模塊可以顯示比較豐富的數(shù)值、符號、文字及一些圖形。外觀比較新穎、 美觀。 由于要顯示音量、低音、高音、平衡音的相對值，顯示的數(shù)值相對較多，使用 方案二，即液晶模

39、塊可以顯示上述四個值。 2.3 電源模塊論證 由于電路的管子工作在開關狀態(tài)，對電流需求很大，同時電壓的穩(wěn)定也對功放 影響很大，所以對電源有兩點要求：1、有較大的輸出電流，至少 12v5a 以上的， 8a10a 的更好。2、要求電壓穩(wěn)定，紋波系數(shù)小。 方案一：采用普通變壓器 市電通過變壓器變壓后，再經(jīng)過二極管整流后，再經(jīng)過大電解電容濾波得到 12v 電壓，這種電路結構簡單，方便經(jīng)濟。 但是對于一般一變壓器，輸出電流有限，t 類功率放大器電流需要在 4a，但為 了保證富足，電流最大電流為 6a，但實際上才能滿足要求。 方案二：采用環(huán)形變壓器 針對一般的變壓器輸出電流有限，采用環(huán)形變壓器可以很好地解

40、決這一問題， 其輸出功率可上 100w。環(huán)形變壓器的鐵心是用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片（片厚一般為 0.35mm 以下） ，無縫地卷制而成，這就使得它的鐵心性能優(yōu)于傳統(tǒng)的疊片式鐵心。 環(huán)形變壓器的線圈均勻地繞在鐵心上，線圈產(chǎn)生的磁力線方向與鐵心磁路幾乎完全 重合，與疊片式相比激磁能量和鐵心損耗將減小 25，由此帶來了下述一系列的優(yōu) 點： 磁干擾較小環(huán)形變壓器鐵心沒有氣隙，繞組均勻地繞在環(huán)形的鐵心上，這種結 構導致了漏磁小，電磁輻射也小，無需另加屏蔽都可以用到高靈敏度的電子設備上， 例如應用在低電平放大器和醫(yī)療設備上。 方案三：開關電源 開關電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，主要的工作內(nèi)容是升壓和降壓，廣泛應用于現(xiàn)

41、代電子產(chǎn)品。因為開關三極管總是工作在 “開” 和“關” 的狀態(tài)，所以叫開關電源。 開關電源實質(zhì)就是一個振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應用在電源電路，開 關電源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點， 開關電源具有功率大，而且效率高。但一般的開關電源輸出濾波電容較小，一 般適用于電流比較恒定的電路，對于功放而言，瞬時功率大，波動明顯，如不經(jīng)處 理，噪聲將非常大。 而且本設計中要求高音質(zhì)，總功率為 50w 左右，選用環(huán)形變壓器，能夠滿足 設計要求。 3 工作原理 t 類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制 d 類功率放大器相同，功率晶體 管也是工作在開關狀態(tài)，效率和 d 類功率放大器相當。

42、但它和普通 d 類功率放大 器不同的是：它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，tripath 公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放 大器處理器“digital power processing （dpp）”的數(shù)字功率技術，同時采用數(shù)字濾 波技術，將輸出濾波器的截止頻率設計得較高，從而保證在 20hz20khz 內(nèi)得到平 坦的幅頻特性和很好的相頻特性。在調(diào)節(jié)音量、高音、低音、平衡音時，采用 iic 通信，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器阻值。 3.1 數(shù)字功率技術 籠統(tǒng)地講，數(shù)字功放就是采用數(shù)字技術的功放。所謂數(shù)字技術就是以 01011 等 形式，器件以開關工作狀態(tài)對應來處理信號的一種技術。但是我們在音響領域以至 自然界碰到的 99

43、%的信號均為連續(xù)變化的模擬量，直接是無法進行數(shù)字處理的。因 而就有一個先把模擬轉(zhuǎn)數(shù)字（a/d）的裝置，再用數(shù)字的方式處理，然后再用受罪 轉(zhuǎn)模擬（d/a）的裝置轉(zhuǎn)回模擬信號的過程。雖然數(shù)字功放采用的器件不同，但形 式大同小異。由于數(shù)字技術在小信號處理方面，器件、電路、技術已相當成熟，因 而與我們的實際生活還是比較密切的，我們對此也很不陌生，但數(shù)字功放由于處理 的是大信號，因此只有近來才應用到音響領域。 tripath 公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放大器處理器“digital power processing （dpp）”的數(shù)字功率技術，它是 t 類功率放大器的核心。它把通信技術中處理小 信號的適應

44、算法及預測算法用到這里。 自適應過程一般采用典型 lms 自適應算法，但當濾波器的輸入信號為有色隨 機過程時，特別是當輸入信號為高度相關時，這種算法收斂速度要下降許多，這主 要是因為輸入信號的自相關矩陣特征值的分散程度加劇將導致算法收斂性能的惡化 和穩(wěn)態(tài)誤差的增大。此時若采用變換域算法可以增加算法收斂速度。變換域算法的 基本思想是：先對輸入信號進行一次正交變換以去除或衰減其相關性，然后將變換 后的信號加到自適應濾波器以實現(xiàn)濾波處理，從而改善相關矩陣的條件數(shù)。 常見的預測算法有： 一，簡易平均法，是一種簡便的時間序列法。是以一定觀察期的數(shù)據(jù)求得平均 數(shù)，并以所求平均數(shù)為基礎，預測未來時期的預測值

45、。簡易平均法是最簡單的定量 預測方法。簡易平均法的運算過程簡單，不需要進行復雜的模型設計和數(shù)學運用， 常在市場的近期預測、短期預測中使用。 二，移動平均法，移動平均法是用一組最近的實際數(shù)據(jù)值來預測未來一期或幾 期內(nèi)公司產(chǎn)品的需求量、公司產(chǎn)能等的一種常用方法。移動平均法適用于即期預測。 當產(chǎn)品需求既不快速增長也不快速下降，且不存在季節(jié)性因素時，移動平均法能有 效地消除預測中的隨機波動，是非常有用的。 三，指數(shù)平均法，指數(shù)平滑法是生產(chǎn)預測中常用的一種方法。也用于中短期經(jīng) 濟發(fā)展趨勢預測，所有預測方法中，指數(shù)平滑是用得最多的一種。簡單的全期平均 法是對時間數(shù)列的過去數(shù)據(jù)一個不漏地全部加以同等利用；移

46、動平均法則不考慮較 遠期的數(shù)據(jù)，并在加權移動平均法中給予近期資料更大的權重；而指數(shù)平滑法則兼 容了全期平均和移動平均所長，不舍棄過去的數(shù)據(jù)，但是僅給予逐漸減弱的影響程 度，即隨著數(shù)據(jù)的遠離，賦予逐漸收斂為零的權數(shù)。 也就是說指數(shù)平滑法是在移動平均法基礎上發(fā)展起來的一種時間序列分析預測 法，它是通過計算指數(shù)平滑值，配合一定的時間序列預測模型對現(xiàn)象的未來進行預 測。其原理是任一期的指數(shù)平滑值都是本期實際觀察值與前一期指數(shù)平滑值的加權 平均。 3.2 iic 通信原理 即 i2c，一種總線結構。iic 是作為英特爾 ic 的互補，這種總線類型是由菲利 浦半導體公司在八十年代初設計出來的，主要是用來連

47、接整體電路(ics) ，iic 是一 種多向控制總線，也就是說多個芯片可以連接到同一總線結構下，同時每個芯片都 可以作為實施數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。這種方式簡化了信號傳輸總線。 (1) i2c 總線的硬件結構 i2c 串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線 sda，另一根是時鐘線 scl。所有接到 i2c 總線設備上的串行數(shù)據(jù) sda 都接到總線的 sda 上，各設備的時 鐘線 scl 接到總線的 scl 上。 為了避免總線信號的混亂，要求各設備連接到總線的輸出端時必須是開漏輸出 或集電極開路輸出。設備上的串行數(shù)據(jù)線 sda 接口電路應該是雙向的，輸出電路用 于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接

48、收總線上的數(shù)據(jù)。而串行時鐘線也應是雙向 的，作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機，一方面要通過 scl 輸出電路發(fā)送時鐘信號，另 一方面還要檢測總線上的 scl 電平，總線空閑時，上拉電阻 rp 使 sda 和 scl 線都 保持高電平。 總線的運行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機控制。所謂主機是指啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟 動信號）、發(fā)出時鐘信號以及傳送結束時發(fā)出停止信號的設備，通常主機都是微處 理器。被主機尋訪的設備稱為從機。為了進行通訊，每個接到 i2c 總線的設備都有 一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù) 到從機，也可以由從機發(fā)到主機。 (2) i2c 數(shù)據(jù)傳輸 在 i2c 總

49、線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件（見圖 3）： 當 scl 保持“高”時，sda 由“高”變?yōu)椤暗汀睘殚_始條件；當 scl 保持“高”且 sda 由“低”變?yōu)椤案摺睍r為停止條件。開始和停止條件均由主控制器產(chǎn)生。使用 硬件接口可以很容易地檢測到開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘 周期至少兩次對 sda 取樣，以檢測這種變化。 sda 線上的數(shù)據(jù)在時鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，只有當 scl 線上的時鐘信號 為低時，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到 sda 線上的每個字節(jié) 必須是 8 位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，但每個字節(jié)必須要有一個應答 ack。如果 一

50、接收器件在完成其他功能（如一內(nèi)部中斷）前不能接收另一數(shù)據(jù)的完整字節(jié)時， 它可以保持時鐘線 scl 為低，以促使發(fā)送器進入等待狀態(tài)；當接收器準備好接受數(shù) 據(jù)的其它字節(jié)并釋放時鐘 scl 后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進行。 數(shù)據(jù)傳送具有應答是必須的。與應答對應的時鐘脈沖由主控制器產(chǎn)生，發(fā)送器 在應答期間必須下拉 sda 線。當尋址的被控器件不能應答時，數(shù)據(jù)保持為高并使主 控器產(chǎn)生停止條件而終止傳輸。在傳輸?shù)倪^程中，在用到主控接收器的情況下，主 控接收器必須發(fā)出一數(shù)據(jù)結束信號給被控發(fā)送器，從而使被控發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)線， 以允許主控器產(chǎn)生停止條件。 3.3 數(shù)字濾波技術 數(shù)字濾波器是一個離散時間系統(tǒng)（按預定的算法，

51、將輸入離散時間信號轉(zhuǎn)換為 要求的輸出離散時間信號的特定功能裝置）。應用數(shù)字濾波器處理模擬信號時，首 先須對輸入模擬信號進行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應 大于被處理信號帶寬的兩倍，其頻率響應具有以抽樣頻率為間隔的周期重復特性， 且以折疊頻率即 12 抽樣頻率點呈鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理 的輸出數(shù)字信號須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控 改變特性或復用、便于集成等優(yōu)點。 數(shù)字濾波器和普通濾波器（也可以叫模擬濾波器）不同，它不是一個器件（陶 瓷濾波器等就是一個器件）或一組器件（lc 濾波器、rc 濾波器就是一組器件）， 而是一個在計算機里

52、運行的軟件。 由于數(shù)字濾波器可以做成高階數(shù)，故能逼近理想低通濾波曲線，實現(xiàn)很好的濾 波效果，將輸出濾波器的截止頻率設計得較高，從而保證在 20hz20khz 內(nèi)得到平 坦的幅頻特性和很好的相頻特性。 4 單元電路 電路大致可以分為單片機控制模塊、功放模塊、電源模塊。單片機通過 i2c 與 數(shù)字電位器進行通信，從而控制阻值大小，語音信號通過功放前級進行適當處理后， 再進行功率放大。 4.1 單片機控制系統(tǒng) 單片機控制系統(tǒng)方要實現(xiàn)向數(shù)字電位器里讀、寫數(shù)據(jù)、并顯示在液晶屏上，同 時單片機還要不斷掃描功放芯片的 overload 端，以便判斷輸放信號是否過載。 當 mute=1 時，功放芯片處于靜音功

53、能，sleep1 時，功放芯片進入低功耗模式。 scl、sda 為 iic 通信接口，以便控制 x9241 數(shù)字電位器里面電阻的大小。同時， 在通信時，必須保持功放板與單片機最小系統(tǒng)共地。 單片機最小系統(tǒng)板上，主要顯示 x9241 工作時的相對數(shù)值，顯示采用 lcd12864 液晶顯示。它一般串口、并口兩種方式顯示，本設計中采用并口顯示。 12864 的 4、5、6、15、17 腳分別與單片機的 p3.0 p3.4 相連。714 腳與單片機的 p0 口相連。1、20 號腳接地，2 號腳接電源，19 號腳背光燈正端串一個電阻與 電源相連，電阻起限流的作用，我們?nèi)?r=10k。3 號腳是對比度（亮

54、度）調(diào)整，這 里要用一個滑動變阻器來調(diào)整亮度，這里我們?nèi)‰娢黄鞔笮?10k。 帶中文字庫的 128x64 是一種具有 4 位/8 位并行、2 線或 3 線串行多種接口方 式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨 率為 12864, 內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字，和 128 個 16*8 點 ascii 字符集.利用該 模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。 可以顯示 84 行 1616 點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著 特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論

55、硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形 液晶模塊。管腳功能如表 4.1 所示： 表4.1 12864液晶模塊引腳說明 管腳號管腳名稱電平管腳功能描述 1vss0v 電源地 2vcc3.0+5v 電源正 3v0- 對比度（亮度）調(diào)整 4 rs(cs） h/l rs=“h”,表示db7db0為顯示數(shù)據(jù) rs=“l(fā)”,表示db7db0為顯示指令數(shù)據(jù) 5 r/w(sid)h/l r/w=“h”,e=“h”,數(shù)據(jù)被讀到db7db0 r/w=“l(fā)”,e=“hl”, db7db0的數(shù)據(jù)被寫 到ir或dr 6e(sclk)h/l 使能信號 7db0h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8db1

56、h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 9db2h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 10db3h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 11db4h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 12db5h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 13db6h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 14db7h/l 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15psbh/l h：8位或4位并口方式，l：串口方式（見注釋 1） 16nc- 空腳 17/reseth/l 復位端，低電平有效（見注釋2） 18vout- lcd驅(qū)動電壓輸出端 19avdd 背光源正端（+5v） （見注釋3） 20kvss 背光源負端（見注釋3） *注釋 1：如在實際應用中僅使用并口通訊模式，可將 psb 接固定高電平，也可以將模塊上 的 j8 和“vcc”用焊錫短接。 *注釋

57、 2：模塊內(nèi)部接有上電復位電路，因此在不需要經(jīng)常復位的場合可將該端懸空。 *注釋 3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的 ja、jk 用焊錫短接。 為了減少對 i/o 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，也稱為行列鍵盤，這 是一種常見的連接方式。它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。當鍵 被按下時，其交點的行線和列線接通，相應的行線或列線上的電平發(fā)生變化，mcu 通過檢測行或列線上的電平變化可以確定哪個按鍵被按下。矩陣式鍵盤接口見圖 4.2 所示， 12345678 a b c d 87654321 d c b a title numberrevisionsize a3 date

58、:21-may-2011sheet of file:i:、.dd bdrawn by: s1 sw-pb s2 sw-pb s3 sw-pb s4 sw-pb s5 sw-pb s6 sw-pb s7 sw-pb s8 sw-pb s9 sw-pb s10 sw-pb s11 sw-pb s12 sw-pb s13 sw-pb s14 sw-pb s15 sw-pb s16 sw-pb 、 1 2 3 4 5 6 7 8 jpp co n8 、 圖 4.1 行列式鍵盤 行列式鍵盤由行線盒列線組成，行線對應的接口為 p10p13，列線對應接口為 p14p17。利用單片機編程是否有鍵按下的時候，將

59、行線 p10p13 設為高電平 1， 列線 p14p17 設為 0。再讀回行線 p10p13 的數(shù)值，就可以知道是否有鍵按下，如 果有鍵按下，則行線輸入的信號就不全為 1。通常分為三個步驟來檢測、識別和處 理鍵盤的事件。 第一步:檢測是否有鍵按下，將列線輸出為 0000，讀入行線的值，如果讀入的 數(shù)值為 1111，則表示沒鍵按下，如不全為 1，就表示有鍵按下。 第二步：如有鍵按下，要識別哪個鍵按下。列線在同一時間只有一根線輸出為 低，其它三根為高電平，然后再根據(jù)行線讀入的數(shù)值就可以知道是哪個鍵按下。有 鍵按下時對應的 io 口的設定值中，高四位為列線，低四位為行線的狀態(tài)。 圖 4.2行列式鍵盤

60、鍵值表 第三步:識別出按鍵后，等按鍵釋放后就可根據(jù)按鍵的編號進行相應的處理。其按鍵 對應的值如上圖 4.3 所示： 4.2 功放模塊 功放模塊主要實現(xiàn)控制音量、低音、高音、平衡音、及功率放大。功放前級采 用的芯片為 lm4610，可以實現(xiàn)上述四個功能，簡化了電路，提高了穩(wěn)定性。功放 后級以類功放芯片 ta2020 為核心。 1234 a b c d 4321 d c b a t itle num berrevisionsize a4 date:21-m ay-2011sheet of file:i:、26.、-t 、t 、t 、.ddbdrawn by: vw 0 1 vl 0 2 vh 0