数控D类功率放大器设计【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 数控 D 类功率放大器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 1 - - 摘 要 随着音响技术的高度发展 ,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提高，迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音 频功率放大器，它应该具有工作效率高，便于与其他数字化设备相连接的特点。 本设计研究的是关于 D类功率放大器的数字控制实现。为实现 D类功率放大器的数字控制，文章详细分析了以 TPA2008D2芯片和 SPCE061A单片机为核心的数字控制方案，提出了通过 DAC控制电压的设计思想及其实现方法。音量大

2、小的控制，采用改变音量控制电压的方法，通过单片机自带的 DAC调节电压的大小，从而控制扬声器的声音大小，并用 LCD液晶显示音量的大小。实验结果表明，通过 DAC改变电压的方法，使整个设计的数字控制响应速度快 ,稳定性好 ,并能很好 的显示音量的大小。 关键词： D 类功率放大器； TPA2008D2； SPCE061A - - 2 - - Abstract With the audio technology of a high degree of development, the global audio field digital wave and people on the audio

3、equipment energy saving requirements increase, forcing people to quickly develop efficient, energy saving, digital audio power amplifier, it should have high efficiency, ease and other digital connected device characteristics. The design of the class D audio power amplifier on the digital control im

4、plementation. Class D audio power amplifier for the realization of digital control, the article analyzes in detail the TPA2008D2 SPCE061A MCU as the core chip and a digital control scheme, proposed by DAC converter voltage control design and its implementation. Volume control, by changing the voltag

5、e of the method, the DAC through the MCU comes with the size of the voltage regulator to control the size of the speakers voice, and with the LCD liquid crystal display volume. Finally proved by changing the voltage of the DAC conversion methods to make the whole design of digital control response s

6、peed, good stability, and can well display the volume size. KeyWords: Class D Power Amplifier; TPA2008D2; SPCE061A - - 3 - - 目 录 第一章 引言 . 1 第二章 总体设计方案 . 2 2.1 D 类功率放大器的基本结构 . 2 2.2 D 类功率放大器的实现方法 . 3 2.2.1 全桥 D类功率放大器 . 3 2.2.2 半桥 D类功率放大器 . 4 2.2.3 基于 -调制的闭环 D 类 放大器 . 4 2.2.4 基于二阶 -2调制的闭环 D 类 放大器 . 5

7、2.2.5 互补对称式 D类放大器 . 5 2.3 总体设计方案 . 6 第三章 硬件设计 . 7 3.1TPA2008D2 芯片 . 7 3.2 TPA2008D2 功率放大器电路 . 9 3.3 凌阳实验仪 . 10 3.3.1 实验仪功能介绍 . 10 3.3.2 实验仪的布局 . 11 3.3.3 SPCE061A 单片机 . 11 3.3.5 DAC 转换 . 13 3.3.5 LCD 液晶显示 . 15 第四章 软件设计 . 16 4.1 程序设计 . 16 4.2 主要程序模块 . 17 4.2.1 DAC 转换 . 17 4.2.2 LCD 液晶显示 . 17 第五章 硬件调试

8、 . 19 5.1 放大器部分调试 . 19 5.2 显示 部分调试 . 20 第六章 结论 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 23 - 1 - 第 一章 引言 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 1，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。近年来数字音响技术的发展，人们

9、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 。 最近几年 ,电子产品正在向薄 型化、便携式迅速发展 2。音质好、电源效率高、发热少的 D类放大器成为市场的需求。并且由于 D类放大器的耗电低、发热少等诸多特点 ,越来越得到日益强调环保的市场的认同 3。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和公司已试验性地向市场提供了 D类音频功率放大器的评估模块和技术。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、教学、电子工业、商业界的特别关注。不久的将来， D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。

10、 本文主要详细介绍数控 D类音频功 率放大器的工作原理和了解TPA2008音频功率放大器芯片的应用。 本课题要求以 凌阳 SPCE061A 单片机 为核心，辅以 TPA2008D2 全 D类音频功率放大器 芯片，实现 通过凌阳 SPCE061A 单片机控制 TPA2008D2 芯片最终驱动扬声器，调节 输出电压值从而达到控制 D类功放音量，并显示扬声器的音量大小。 本文分为六个章节，各章节安排及内容如下： 第一章：简要的介绍音频放大器的发展背景。 第二章：介绍 D类放大器的实现方法和数控 D类功率放大器的总体设计。 第三章：硬件的各个模块的功能分析。 第四章：介绍软件设计 的思路流程。 第五章

11、：介绍硬件调试的过程。 第六章：毕业设计的总结。 - 2 - 第二章 总体设计方案 2.1 D 类功率放大器的基本结构 D类放大器的电路 2一般分为三级 :输入开关级、功率 放大级及输出滤波级。D 类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制 ( PWM) 模式。利用 PWM 能将音频输入信号转换为高频开关信号。通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较 ,当反相端电压高于同相端电压时 ,输出为低电平 ;当反相端电压低于同相端电压时 ,输出为高电平。在 D 类放大器中 ,比较器的输出与功率放大电路相连 ,功放电路 采用金属氧化物场效应管 (MOSFET) 替代双极型晶体管 (BJT) ,这是因为

12、 : (1)功率 MOSFET 是一种高输入阻抗、电压控制型器件 ,BJT 则是一种低阻抗、电流控制型器件。 (2)从二者的驱动电路来看 ,功率 MOSFET 的驱动电路相对简单 ,BJT可能需要多达 20 %的额定集电极电流以保证饱和度 ,而 MOSFET 需要的驱动电流则小得多 ,而且通常可以直接由 CMOS 或者集电极开路 TTL 驱动电路驱动。 (3)MOSFET的开关速度比较迅速 ,他是一种多数载流子器件 ,没有电荷存储效应 ,能够以较高速度工作。 (4)MOSFET没有二次击穿失效机理 ,他在温度越高时往往耐力越强 ,发生热击穿的可能性越低。他还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能

13、。 (5)MOSFET具有并行工作能力 ,具有正的电阻温度系数。温度较高的器件往往把电流导向其他 MOSFET ,允许并行电路配置。而且 MOSFET 的漏极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管 ,在电感性负载开关中特别有用。 场效应管有两种工作模式 ,即开关模式或线性模式。所谓开关模式 ,就是器件充当一个简单的开关 ,在开与关两个状态之间切换。线性工作模式是指器件工作在某个特性曲线 中的线性部分 ,但也未必如此。此处的“线性”是指 MOSFET 保持连续性的工作状态 ,此时漏电流是所施加在栅极和源极之间电压的函数。他的线性工作模式与开关工作模式之间的区别是 ,在开关电中 ,MOSFE

14、T 的漏电流是由外部元件确定的 ,而在线性电路设计中却并非如此。 D类放大器需要两只 MOSFET ,他们在非常短的时间内可完全工作在导通或截止状态下。当一只 MOS2FET完全导- 3 - 通时 ,其管压降很低；而当 MOSFET 完全截止时 ,通过管子的电流为零。两只 MOSFET 交替工作在导通和截止状态的开关速度非常快 ,因而效率极高 ,产 生的热量很低 ,所以 D 类放大器不需要散热器。 2.2 D 类功率放大器的实现方法 D 类功率放大器的实现方法方法有多种多样。目前实现的基本方法有以下几种： 2.2.1 全桥 D类功率放大器 D类放大器的架构有对称与非对称两大类 ,在此讨论的 D

15、类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用 ,因此采用全电桥的对称型放大器 ,以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。全桥 D类放大器原理框图如图 2-1所示 电 压 放 大 器三 角 波 发 生 器驱 动 电 路驱 动 电 路开 关 放 大 电 路开 关 放 大 电 路滤 波 电 路滤 波 电 路音 频 输 入+图 2-1 全桥 D 类放大器原理图 全桥 D类放大器 2采用了由比较 器和三角波发生器组成的固定频率的 PWM电路 ,用输入的音频信号幅度对三角波进行调制 ,得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波 ,并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管 ,使功率管一个导通时另一个截止 ,再经输

16、出滤波器将方波转变为音频信号 ,推动扬声器发声 4。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出 ,易于改善放大器的输出滤波特性 ,并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的 2倍 ,可采用单电源供电。实现时 ,通常采取 2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的 ,经过低通滤波- 4 - 器后 ,仍存在较大的负载电流 ,特别当滤波器 设计不好时 ,流过负载的电流就会更大 ,从而导致负载损耗大 ,降低放大器效率。 2.2.2 半桥 D类功率放大器 半桥 D类功率放大器 5包括一个脉宽调制器，两个输出 MOSFET和外部低通滤波器 ( FL 和 FC )。如图 2-2所示， P沟道和

17、 N沟道 MOSFET用作电流导向开关，将其输出节点交替连接至 DDV 和地。 由于输出晶体管使输出端在 DDV 或地之间切换，所以 D类放 大器的最终输出是一个高频方波。大多数 D类放大器的开关频率 (swf)常在 250kHz 1 5MHz之间。音频输入信号对输出方波进行脉宽调制，音频输入信号与内部振荡器产生的三角波 (或锯齿波 )进行比较，可得到 PWM信号。这种调制方式通常被称作“自然采样”，其中三角波振荡器作为采样时钟。方波的占空比与输入信号电平成正比。没有输入信号时，输出波形的占空比为 50%。 图 2-2半桥 D类功率放大器 2.2.3 基于 -调制的闭环 D类 放大器 -调制技

18、术 6通过噪声成型可以对由粗略模数转换器引入的量化噪声的低频分量进行抑制 ,从而降低带内噪声能量 ,提高信噪比。因此 ,越来越多的开环 D类放大器的调制电路采用 -调制技术。将开环 D类放大器置于 -调制器的环内 , 取代其反馈回路中的 1位数模转换器 (如图 2-3所示 ) ,使 -调制对开环D类放大器产生的非线性和噪声起抑 制作用。 - 5 - 环 路 滤 波 器开 环 D 类 放 大 器低 通 滤 波 器扬 声器一 位 量 化器模 拟信 号 输 入+-图 2-3 基于 - 调制的闭环 D类 放大器 2.2.4 基于二阶 -2调制的闭环 D 类 放大器 一阶 -2调制 D类放大器虽然能衰减

19、噪声 ,提高信噪比、总谐波失真等参数 ,但是对于一些应用于高保真音响系统的 D类放大器 ,它对输出的噪声和非线性的抑制还是不够 。因此 ,文献 8在一阶 -2调制的基础上 ,设计了一种全新的二阶 -2调制 D类放大器 9,电路主要 由两个积分电路和两个反馈环路构成二阶 -2调制 ,结构框图如图 2-4所示。 + _ P W MN o n o v e rL a p C t r lHB r i d g eT r iG e n e r a t o rG a i n+ _a 1 a 2V mV 3图 2-4 二阶 -2调制的 D类放大器框图 与传统的一阶 -2调制相比 ,二阶 -2调制的优点是增强了对

20、噪声的抑制能力 ,提高了信噪比 ,使其满足高保真音响系统的应用。 2.2.5 互补对称式 D类放大器 互补对称式 D类放大器如图 2-5所示 7,抑制输出纹波作用明显 ,由于同样获得了单极性 PWM脉冲 ,转换效率与单极性脉冲控制相当 ,同时降低了对滤波电路的要求 ,即使采样频率较低仍能输出较理想的波形。应用时可灵活选用全桥或半桥电路 , 由于每个 D类放大器都可引入负反馈 ,因此总 体失真较小。 - 6 - 开关放大滤波电路滤波电路开关放大三 角 波发 生 器_+_+R 3R 1R 2C 1C 2R 4正弦波图 2-5 互补对称式 D类放大器 2.3 总体设计方案 根据设计要求，本文提出了由 SPCE061A单片机为核心系统、 LCD液晶显示器、按键、 TPA2008D2芯片等构成的数控 D类功率放大器方案， 如图 2-6所示。 图 2-6 总体设计 本设计主要是以 SPCE061A单片机控制模块为中心，通过片上 DAC转换电路输出直流控制电压， DAC输出端口与 TPA2008D2芯片的 VOLUME端口相 连，把直流控制电压通过此端口输入 TPA2008D2芯片，控制 TPA2008D2的增益，从而达到控制扬声器音量的目的。液晶显示器和按键组成人机控制界面，控制并显示音量的大小。 凌阳 SPCE061A单片机 键盘 显示 TPA2008D2 DAC转换