全遙控?cái)?shù)字音量控制的D 類功率放大器

全遙控?cái)?shù)字音量控制的D 類功率放大器,遙控,數(shù)字,音量,控制,節(jié)制,功率放大器 更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 1 頁(yè) 共 35 頁(yè)引言幾十年來(lái)在音頻領(lǐng)域中，A 類、B 類、AB 類音頻功率放大器一直占據(jù)“統(tǒng)治”地位，其發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)過(guò)程：所用器件從電子管、晶體管到集成電路過(guò)程；電路組成從單管到推挽過(guò)程；電路形成從變壓器輸出到 OTL、OCL、BTL 形式過(guò)程。其基本類型是模擬音頻功率放大器，它的最大缺點(diǎn)是效率太低。全球音視頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮以及人們對(duì)音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、數(shù)字化的音頻功率放大器，它應(yīng)該具有工作效率高，便于與其他數(shù)字化設(shè)備相連接的特點(diǎn)。D 類音頻功率放大器是 PWM 型功率放大器，它符合上述要求。近幾年來(lái)，國(guó)際上加緊了對(duì) D 類音頻功率放大器的研究與開(kāi)發(fā)，并取得了一定的進(jìn)展，幾家著名的研究機(jī)構(gòu)及公司已經(jīng)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(wèn)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，現(xiàn)在這一前沿的技術(shù)正迅猛發(fā)展，前景一片光明。單片機(jī)有著體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝置、智能儀器儀表、過(guò)程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在許多基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遙控功能，而紅外遙控則是被采用較多的一種方法。紅外遙控是通過(guò)紅外管發(fā)送紅外遙控編碼對(duì)其設(shè)備進(jìn)行控制的,不同設(shè)備的遙控發(fā)送的紅外遙控編碼都是不同的。由于紅外無(wú)線解決了有線連接的許多不便，因而受到了家電設(shè)備廠商、電腦外圍設(shè)備商、以及通信設(shè)備廠商的高度重視。如果將遙控技術(shù)、單片機(jī)與 D 類音頻功率放大器結(jié)合起來(lái)，那么得到的產(chǎn)品將是非常前沿的。本次設(shè)計(jì)就是全遙控?cái)?shù)字音量控制的 D 類功率放大器。1 功放的基本知識(shí)1.1 功放的分類傳統(tǒng)的功率放大器主要有A 類(甲類) 、B 類(乙類) 和AB (甲乙類)，除此之外，還有工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的D類（丁類）功放。1.2 功放的工作原理及特點(diǎn)概述A 類功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都有電流連續(xù)流過(guò)功率放大器件,其晶體管總是工作在放大區(qū)，并且在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)晶體管始終工作在線性放大區(qū)域，它的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的失真比較小,缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍小、效率低，理想情況下其效率為50 % ,考慮到晶體管的飽和壓降及穿透電流造成的損耗,A 類功率放大器的最高效率僅為45 %左右。B 類功率放大器在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間為50 % ,因?yàn)槠渚w管只在輸入信號(hào)的正半周工作在放大區(qū)，在輸入信號(hào)的負(fù)半周是截止的。它的優(yōu)點(diǎn)是效率理想情況下可達(dá)78. 5 % ,比A類的提高了很多，其缺點(diǎn)是非線性失真卻比甲類功更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 2 頁(yè) 共 35 頁(yè)放大，而且會(huì)產(chǎn)生交越失真,增加噪聲。 AB類(甲乙類) 功率放大器是以上兩種放大器的結(jié)合,使每個(gè)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間在50 %～100 %。此類放大器目前最為流行,它兼顧了效率和失真兩方面的性能指標(biāo),在設(shè)計(jì)該功率放大器時(shí)要設(shè)置功率晶體管的靜態(tài)偏置電路,使其工作在甲乙類狀態(tài)。這類功放失真小于乙類功放，但其效率比乙類功放要低一些。D類功率放大器又叫開(kāi)關(guān)型功率放大器，現(xiàn)在又有人稱之為數(shù)字功率放大器。它利用晶體管的高速開(kāi)關(guān)特性和低的飽和壓降的特點(diǎn)，效率很高，理論上可以達(dá)到100%，實(shí)際上可以達(dá)到90%。此電路不需要嚴(yán)格的對(duì)稱，也不需要復(fù)雜的直流偏置和負(fù)反饋，使穩(wěn)定性大大提高。用同樣的功耗的管子可得到比AB類放大器高4倍功率的輸出。D類功放的功率器件受一高頻脈寬調(diào)制( PWM) 脈沖信號(hào)的控制,使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài), 理論上其效率可達(dá)100 %。因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積，在體積、效率和功耗上要求較高的場(chǎng)合具有很大的優(yōu)勢(shì)。另外，現(xiàn)代保真音響系統(tǒng)常采用數(shù)字音頻設(shè)備如CD、DAT（digital audio tape），近年發(fā)展起來(lái)的DVD、計(jì)算機(jī)多媒體設(shè)備、MP3等也都是數(shù)字音頻信號(hào)源。數(shù)字音頻信號(hào)采用脈沖編碼調(diào)制技術(shù)（PCM），信號(hào)分辨率通常為12位或16位，采樣頻率為44.1KHZ（CD）或48KHZ（DAT）。由于數(shù)字信號(hào)在存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)出來(lái)上的優(yōu)點(diǎn)，使人們開(kāi)始追求數(shù)字式功放代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬功放，這也使得D類功率放大器受到更大的關(guān)注。D類放大器雖然具有很高的效率,但由于功率晶體管的開(kāi)關(guān)工作方式,D 類放大器引入的失真通常大于線性放大器,這是目前D 類放大器在音頻放大領(lǐng)域并未得到廣泛應(yīng)用的主要原因。隨著半導(dǎo)體及微電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展,高速、大功率器件已越來(lái)越多,人們對(duì)音頻功率放大器的要求更加趨向高效、節(jié)能和小型化,所以D 類(丁類) 音頻功率放大器越來(lái)越受到人們的重視。1.3 D類功率放大器的特點(diǎn)（1） 效率高，產(chǎn)生的熱量少 圖1-1 D類功放與AB類功放的效率比較（2） 節(jié)能、數(shù)字化、體積小、重量輕（3） D類功放與AB類功放的效率比較比較條件：電源電壓24V，負(fù)載4歐，1000HZ，連續(xù)輸出，整機(jī)效率（4） 失真較大D類功放的失真比較起其他幾類功放來(lái)說(shuō)，其失真較大，這也是D類功放一直以來(lái)都未投入市場(chǎng)的主要原因之一。但由于近年來(lái)對(duì)該類功放的保真度的大力研究，使得D類功放成為最近幾年內(nèi)的熱門研究重點(diǎn)。更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 3 頁(yè) 共 35 頁(yè)輸出功率（W） D類音頻功率放大器 模擬音頻功率放大器表1-1 D類功放與AB類功放的比較2 電路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思本設(shè)計(jì)是利用 Ti 公司全 D 類音頻功放芯片 TPA3004D2 和 MCS51 系列微處理器設(shè)計(jì)紅外線遙控的數(shù)字音量控制立體聲音頻功率放大器。TPA3004D2 是 D 類立體聲音頻功率放大芯片，具有每通道 12W 的功率輸出，本方案將使立體聲音量由直流電壓實(shí)現(xiàn)–40 dB 到 36 dB 增益范圍調(diào)節(jié)。我們知道要很好地設(shè)計(jì)一個(gè)電路，必須在設(shè)計(jì)之前對(duì)此電路中所用到的器件的功能特性能夠有一個(gè)全面的了解。在下面的介紹中將會(huì)先對(duì)兩大模塊進(jìn)行說(shuō)明，然后對(duì)模塊中用到了 8051 單片機(jī)、EEPROM24C04、紅外一體接收頭、D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX541 及 D 類功放芯片 TPA3004D2 的功能特性、工作原理及電路連接進(jìn)行闡述。由于部分器件某些功能特性不常用或本電路沒(méi)用到，在此就不多介紹。因?yàn)槲覀冏鍪虑榫蛻?yīng)該統(tǒng)領(lǐng)全局、抓住重點(diǎn)。2.2 電路總體框圖電路總體框圖如下圖:效率（%） 熱功耗（W） 效率（%） 熱功耗（W）72 97 2 72 2636 96 1.5 50 36更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 4 頁(yè) 共 35 頁(yè)紅外遙控接收接收遙控器編碼 參數(shù)存儲(chǔ)輸出為可變電壓的DAC（MAX541）用可調(diào)電壓控制功放音量D 類功放芯片（TPA3004D2）圖 2-1 電路設(shè)計(jì)總體框圖3 電路原理圖介紹由于本課題涉及內(nèi)容較多，并且為了讓讀者能更明了設(shè)計(jì)的流程，本電路原理圖分兩大模塊介紹，分別為單片機(jī)模塊與 D 類功放模塊。3.1 單片機(jī)模塊介紹單片機(jī)是為了實(shí)現(xiàn)控制功能而設(shè)計(jì)的一種微型計(jì)算機(jī)，是計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步微型化。它的應(yīng)用首先是控制功能，即在于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。其實(shí)現(xiàn)手段采用嵌入方式，即嵌入到對(duì)象環(huán)境中作為一個(gè)智能化控制單元。由于被控對(duì)象種類繁多，其應(yīng)用也非常廣泛，比如工業(yè)控制領(lǐng)域、家用電器領(lǐng)域、辦公自動(dòng)化領(lǐng)域、商業(yè)流通領(lǐng)域、汽車電子及航空航天電子等等。它的應(yīng)用也從根本上改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，取代以微控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)全新的概念。隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的推廣普及，微控制技術(shù)必將不斷發(fā)展、完善。此部分電路實(shí)現(xiàn)的功能是由一體化紅外接收頭接收 5 米外遙控器的遙控代碼，然后把遙控編碼傳送到單片機(jī)的中斷輸入口。3.1.1 模塊原理圖8051 單片機(jī) 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeCDate: 7-Jun-2005 Sheet of File: C:\Documents and Settings\Administrator\位位\位位位位\D位位位.ddbDrawn By:OUT 1GND 2VDD 3REDRED-INFRAINT1C_R2104 C_R1100UFR_RST1200R_RST21KRSTC_RST20uf位位位位CZ120pf CZ220pf位位位CRY111.0592Mp1.01 p1.12p1.23 p1.34p1.45 p1.56p1.67 p1.78RST/VPD9RXD10 TXD11INT012 INT113T014 T115WR16 RD17XTAL218 XTAL119VSS20 P2.021P2.1 22P2.2 23P2.324P2.4 25P2.5 26P2.627P2.7 28PSEN 29ALE/PROG30EA/VPP 31P0.7 32P0.633P0.5 34P0.4 35P0.336P0.2 37P0.1 38P0.03989C51VCC 40IC3ATML89C51DGNDP1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RXDTXDINT1T1 p2.7p2.6p2.5WRBEEP_IORDSW1SW2SW3SW4T0R1610K R1510KR1410K R1310KDGNDDGNDDGNDDGND DVCCDVCCDVCCDVCCDVCCDVCCA01A12A23GND4 SDA 5SCL 6WP 7VCC 8IC224C04 DVCCP1.6P1.7SDTPASDHPABLCTRDVCCR_RED1KQRED9018EEPROM24C02更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 5 頁(yè) 共 35 頁(yè)圖 3-1 單片機(jī)模塊原理圖3.1.2 紅外一體接收頭的功能特性及電路連接（1）紅外遙控的概念及特點(diǎn)所謂遙控，就是指對(duì)被控對(duì)象，按照所預(yù)定的意圖對(duì)其內(nèi)部參數(shù)、工作狀態(tài)等進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱。遙控技術(shù)公現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、國(guó)防等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，它們的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。現(xiàn)代遙控技術(shù)也十分普遍地應(yīng)用于各類家電中，例如電視遙控、電燈遙控、電風(fēng)扇遙控、空調(diào)遙控等。這類應(yīng)用提高了家電的功能和檔次，更重要的是給使用者帶來(lái)極大的方便。設(shè)有遙控的電視，使用者不必離開(kāi)座位，只需要使用手持紅外遙控器就可以進(jìn)行節(jié)目切換，以及對(duì)音量、對(duì)比度、亮度等的調(diào)節(jié)。遙控的種類很多，若以遙控信息傳送方式來(lái)區(qū)分，可以分為：有線遙控和無(wú)線遙控兩大類，而無(wú)線遙控又包含了紅外遙控、超聲波遙控和無(wú)線電遙控三類。有線遙控和無(wú)線遙控可以達(dá)到很遠(yuǎn)的距離，而紅外遙控和超聲波遙控只能在十幾米之內(nèi)，因此多用于家電方面。紅外遙控是以紅外線作為載體來(lái)傳送遙控命令的。紅外線的波長(zhǎng)介于紅光和微波之間，0.77—3UM 為近紅外區(qū)，3—30UM 為中紅外區(qū)，30—1000UM 為遠(yuǎn)紅外區(qū)。紅外線在通過(guò)云霧塵埃等充滿懸浮粒子的物質(zhì)時(shí)不易發(fā)生散射，有較強(qiáng)的穿透力，還具有不易受干擾，易于產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用語(yǔ)遙控裝置。相比較前面兩種遙控裝置來(lái)看，紅外遙控具有以下優(yōu)點(diǎn)：它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無(wú)線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持：·通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線的數(shù)據(jù)收發(fā)；·主要是用來(lái)取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線纜連接；·新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)；·小角度，短距離，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)；·傳輸速率較高，目前 4M 速率的 FIR 技術(shù)已被廣泛使用，16M 速率的 VFIR 技術(shù)已經(jīng)發(fā)布；·不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備。由于其無(wú)法穿透墻壁，所以不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會(huì)產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡(jiǎn)單，只要按給定電路連接無(wú)誤，一般不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控。（2） 紅外一體接收頭的功能特性紅外接收電路選用 Vishay 公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊 TSOP1738 或者更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 6 頁(yè) 共 35 頁(yè)TSOP4838。該接收模塊是一個(gè)三端元件，使用單電源+5V 電源，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其它波長(zhǎng)（950nm 以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)，其引腳功能介紹如下：VCC 接系統(tǒng)的電源正極（+5V） ；GND 接系統(tǒng)的地線（0V） ；OUT 脈沖信號(hào)輸出 通常接 CPU 的中斷輸入引腳（例如 8051 的 13 腳 INT1） 。采取這種連接方法，軟件解碼既可以工作于查詢方式，也可以工作于中斷方式。為保證紅外接收模塊 TSOP4838 接收的準(zhǔn)確性，要求發(fā)送端載波信號(hào)的頻率應(yīng)盡可能接近 38kHz，因此在設(shè)計(jì)脈沖振蕩器時(shí)，要選用精密元件并保證電源電壓穩(wěn)定。再有，發(fā)送的數(shù)位“0”至少要對(duì)應(yīng) 14 個(gè)載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過(guò) 2400bps。利用上述紅外收發(fā)電路構(gòu)成的紅外信道最大通信距離為 8m。TSOP4838 的工作原理為：首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為 38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過(guò)帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。 （1）紅外接收頭在電路中有效地抑制了電源干擾。（2）當(dāng)電壓低于 3.3V 時(shí)輸出電壓不能連續(xù)地支持外圍電路。圖 3-2 紅外接收電路的典型應(yīng)用（3） 紅外接收部分的電路連接紅外接收頭的輸出管腳 OUT 接到三極管 9018 的 B 極，目的是把接收信號(hào)放大，再把放大后的信號(hào)輸入到單片機(jī)的中斷口 INT1。電阻 R-RED 對(duì)紅外接收頭起保護(hù)作用，最右邊兩個(gè)電容起到濾波的作用。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeCDate: 7-Jun-2005 Sheet of File: C:\Documents and Settings\Administrator\位位\位位位位\D位位位.ddbDrawn By:OUT 1GND 2VDD 3REDRED-INFRAINT1C_R2104C_R1100UFR_RST1200R_RST21KRSTC_RST20uf位位位位CZ120pfCZ220pf位位位CRY111.0592Mp1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78RST/VPD9RXD10TXD11INT012INT113T014T115WR16RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28PSEN 29ALE/PROG 30EA/VPP 31P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 3989C51VCC 40IC3ATML89C51DGNDP1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RXDTXDINT1T1p2.7p2.6p2.5WRBEEP_IORDSW1SW2SW3SW4T0R1610KR1510KR1410KR1310KDGNDDGNDDGNDDGND DVCCDVCCDVCCDVCCDVCCDVCCA01A12A23GND4 SDA 5SCL 6WP 7VCC 8IC224C04 DVCCP1.6P1.7SDTPASDHPABLCTRDVCCR_RED1KQRED9018更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 7 頁(yè) 共 35 頁(yè)圖 3-3 紅外接收部分的電路連接3.1.3 單片機(jī) 8051 的功能特性及電路連接近些年來(lái)，單片機(jī)的發(fā)展速度很快，從有關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，單片機(jī)的產(chǎn)量已占整個(gè)微機(jī)(包括一般的微處理器)產(chǎn)量的 80%以上，在 1987 年達(dá) 90％。曾經(jīng)占據(jù) 8位微處理器產(chǎn)量約 1/3 的 Z80CPU，1985 年產(chǎn)量下降到 1800 萬(wàn)片，而 8 位單片機(jī)，1985 年上升到 2.1 億片，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的發(fā)展及對(duì)單片機(jī)的需求和它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用將得到進(jìn)一步擴(kuò)大。本課題用到的 8051 單片機(jī)是 MCS-51 系列單片機(jī)的一種型號(hào)，MCS-51 系列單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司在 1980 年推出的一種高性能 8 位單片微型計(jì)算機(jī)。在 MCS-51 系列中，有兩個(gè)子系列即 51 子系列和 52 子系列。在 5l 子系列中，主要有803l、8051、8751 三種同檔次機(jī)型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM)大小有所不同。52 子系列是 51 系列的增強(qiáng)型，主要有 8032、8052 兩種機(jī)型。與 51 子系列不同在于，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器增至 256 個(gè)字節(jié)：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器增至 8KB（8032 無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器） ；有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；有 6 個(gè)中斷源。其它性能均與 51 子系列相同。它們可通過(guò)接口電路與外圍設(shè)備相連構(gòu)成可以完成各種控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)。下面將會(huì)介紹此系列單片機(jī)的功能特性以及用到的 8051 單片機(jī)在設(shè)計(jì)中的電路連接。（1）MCS-51 系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖如下圖示：更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 8 頁(yè) 共 35 頁(yè)圖 3-4 MCS-51 系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖（2）51 系列系統(tǒng)主要功能特性：① 1 個(gè)由運(yùn)算器和控制器組成的 8 位微處理器(CPU)；② 128KB 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，用來(lái)存放運(yùn)算的中間結(jié)果和最終結(jié)果；4KB 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM)，可用來(lái)存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；③ 21B 專用寄存器，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部功能部件的控制和數(shù)據(jù)運(yùn)算；擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍可達(dá)到 64KB；擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器的尋址范圍可達(dá) 64KB；④ 4 個(gè) 8 位并行 I/O 接口 P0、P1、P2 、P3，既可用作輸入，也可用作輸出； ⑤ 1 個(gè)全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器)串行 I/O 接口，可用于單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；⑥ 2 個(gè) 16 位定時(shí)器材數(shù)器，可用于根據(jù)確定的時(shí)間間隔或?qū)ν獠渴录?jì)數(shù)的多少發(fā)出控制信號(hào)；中斷系統(tǒng)有 5 個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)；⑦ 111 條指令，含有乘法指令和除法指令；⑧ 有很強(qiáng)的位尋址、位處理能力；片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；⑨ 片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率的范圍為 1.2—12MHz，可有輸出；⑩ 用單+5v 電源。（3）MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部各基本部件之間通過(guò)總線交換信息。所謂總線是信息流通的公共通道，總線上的信息可以同時(shí)輸送給幾個(gè)部件，但不允許幾個(gè)信息同時(shí)輸送給總線，否則將產(chǎn)生信息沖突?？偩€按傳送信息不同來(lái)分，可分為數(shù)據(jù)總線(DB)、控制總線(CB)、地址總線(AB) 。數(shù)據(jù)總線用于 CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)，如從存儲(chǔ)器取數(shù)到 CPU，把運(yùn)算結(jié)果從 CPU 送到外部設(shè)備等。數(shù)據(jù)總線是雙向的，控制總線是傳送 CPU 發(fā)出的控制信號(hào)，也可以是其它部件輸入到微處理器的信息，對(duì)于每一條控制線，其傳送方向是固定的。地址總線用來(lái)傳輸 CPU 發(fā)出的地址信息，以選擇需要訪問(wèn)的存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路。地址總線是單向的，只能是 CPU 向外傳送地址信息。單片機(jī)采用上述三組總線的連接方式，常被稱為三總線結(jié)構(gòu)。MCS-51 內(nèi)部各部分的功能簡(jiǎn)更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 9 頁(yè) 共 35 頁(yè)述如下：① 微處理器(CPU)微處理器又稱 CPU，是單片機(jī)的控制和指揮中心，由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。? 運(yùn)算器運(yùn)算器以算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU 為核心，含累加器 A、暫存器 1、暫存器 2、程序狀態(tài)字 PSW、寄存器等許多部件。? 控制器控制器包括程序計(jì)數(shù)器 PC、指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID、振蕩器、定時(shí)電路及控制電路等部件，能根據(jù)不同的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作時(shí)序和控制信號(hào)。② 存儲(chǔ)器配置概述MCS-51 單片機(jī)，片內(nèi)除了 CPU 之外，還有存儲(chǔ)器。其中，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)據(jù)(ROM)用作程序存儲(chǔ)器，在計(jì)算機(jī)工作時(shí)，事先存入已編好的各種程序、常數(shù)等信息；片內(nèi)讀寫存儲(chǔ)器(RAM)又稱隨機(jī)存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容根據(jù)需要既可隨時(shí)讀出也可寫入，用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放輸入、輸出數(shù)據(jù)和中間計(jì)算結(jié)果．或與外存交換信息，以及作為堆棧，在必要時(shí)可保存斷點(diǎn)、保存現(xiàn)場(chǎng)。MCS-51 系列單片機(jī)內(nèi)含有的存儲(chǔ)器容量(以字節(jié)為單位) 不夠時(shí)，可以另外擴(kuò)片外程序存儲(chǔ)器或片外存儲(chǔ)器。（4）MCS-51 系列單片機(jī)引腳功能及一些簡(jiǎn)單電路介紹：下圖 2-3 為 MC-51 系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)，各引腳功能如下：圖 3-5 MCS-51 系列單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)① 電源引腳 Vcc 和 VssVcc(40 腳)：電源端，接 +5V。Vss(20 腳) ：接地端。通常 Vcc 和 Vss 之間應(yīng)接高頻和低頻濾波電容。② 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1(19 腳)：接外部石英晶體和微調(diào)電容一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入。若使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。XTAL2(18 腳)；接外部石英晶體和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。若使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳作為外部時(shí)鐘的輸入端。圖 2-4 為利用石英晶振作為時(shí)鐘輸入的電路圖。石英晶振起振后要能在 XTAL2 線上輸出一個(gè) 3V 左右的正弦波，使 MCS-51 片內(nèi)的 OSC 電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，OSC 的輸出時(shí)鐘頻率 fosc 為 0.5—16MHz，典型值為 12MHz 或11.0592MHz。電容 C01 和 C02 可以幫助起振，典型值為 30pf，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)fosc 的目的。更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 10 頁(yè) 共 35 頁(yè)圖 3-6 MCS—51OSC 晶振連接圖③ 控制信號(hào)引腳 ALE、PSEN、EA 和 RSTALE／PROG(ADDRESS LATCH ENABLE／PROGRAMMING ，30 腳) ；地址鎖存信號(hào)輸出端。在存取片外存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存低 8 位地址。當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE 端就周期性地以時(shí)鐘振蕩頻率的 1／6 的固定頻率向外輸出正脈沖信號(hào)。此引腳的第二功能 PROG 是對(duì)片內(nèi)帶有 4K 字節(jié) EPROM 的 8751 固化程序時(shí)，作為編程脈沖輸入端。 PSEN(PROGRAM STORE ENABLE，29 腳)：程序存儲(chǔ)允許輸出端。是片外程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。EA／V pp（ENABLE ADDRSS／VOLTAGE PUL OF PROGRAMMING，3l 腳)；程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端。當(dāng) EA 為高電平時(shí)，CPU 執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng) PC 中的值超過(guò) 0FFFH 時(shí)．將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng) EA 為低電平時(shí)，CPU 只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。在 8051 中，當(dāng)對(duì)片內(nèi) EPROM 編程時(shí)，該端接12V 的編程電壓。RST／VPD(9 腳) ：復(fù)位信號(hào)輸入端。高電平有效，在此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。復(fù)位以后，P0 —P3 口均為高電平，SP 指針重新賦值為 07H，PC 被賦值為 0000H。復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鈕復(fù)位兩種，電路如圖2-5 所示。此外，該引腳還有掉電保護(hù)功能，若在該端接十 5V 備用電源，一旦在使用中 Vcc 突然消失 (掉電)，則可以保護(hù)片內(nèi) RAM 中信息不丟失。A 自動(dòng)上電復(fù)位 B 人工復(fù)位圖 3-7 MCS-51 復(fù)位電路圖（5）MCS-51 單片機(jī) I/O 口概述MCS-51 單片機(jī)有 4 個(gè) 8 位并行輸入/輸出口，分別稱為 P0、P1、P2 和 P3 口，每個(gè)口都是 8 位準(zhǔn)雙向口，這 4 個(gè)接口可以并行輸入或輸出 8 位數(shù)據(jù)，也可按位使用，即每一根輸人/輸出線都能獨(dú)立作為輸入或輸出；每個(gè)端口都包括一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器(即特殊功能寄存器 P0--P3)，—個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。作輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖，但這四個(gè)通道的功能并不完全相同。在無(wú)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這 4 個(gè)端口都可以作為準(zhǔn)雙向通用 I/O 口使用，但在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，P2 口可用作輸出高 8 位地址，P0 口作為雙向總線，分時(shí)輸出低 8 位地址和輸入/輸出數(shù)據(jù)。圖 3-8 P0 口的一位結(jié)構(gòu)圖① P0 口(P0.0—P0.7 ，39—32 腳)：更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 11 頁(yè) 共 35 頁(yè)P(yáng)0 口是一個(gè)漏極開(kāi)路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載，在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，它分時(shí)作為 8 位地址線和 8 位雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng) P0 口作為普通輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器寫“1” 。從圖 2-6 可以看出，P0 口的輸出驅(qū)動(dòng)器中有兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，上面的管子導(dǎo)通，下面的管子截止，輸出為高電平；上面的管截止，下面的管導(dǎo)通，輸出為低電平；上、下管均截止時(shí)輸出浮空。P0 口的輸出驅(qū)動(dòng)器中含有一個(gè)多路電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)其接至口鎖存器-Q 端時(shí)，作為雙向 I/O 口使用。將“1”寫至口鎖存器時(shí)，上、下管均為截止，輸出浮空。一般這時(shí)應(yīng)外上拉電阻，將口線拉至高電平．否則，P0 口輸出的信號(hào)不確定。將“0”寫至鎖存器時(shí)，下管導(dǎo)通，輸出低電平。作輸入時(shí)，口鎖存器應(yīng)置“1” ，保證從引腳讀人的數(shù)據(jù)正確。當(dāng)多路開(kāi)關(guān)接至地址/數(shù)據(jù)端時(shí)，P0 口作為地址/數(shù)據(jù)端口使用，分時(shí)輸出外部存儲(chǔ)器的低 8 位地址(A0—A7)和傳送數(shù)據(jù)(D0 —D7)。由于存儲(chǔ)器在被訪問(wèn)期間要求地址信號(hào)一直有效，而 P0 口是分時(shí)傳輸?shù)刂?、?shù)據(jù)信號(hào)，地址信號(hào)只在某個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)，并非一直有效，所以需要由地址鎖存允許信號(hào) ALE 將低 8 位的地址鎖存到外部地址鎖存器中，接著 P0 口便輸入 /輸出數(shù)據(jù)。P0 口輸出的低 8 位地址來(lái)源于程序計(jì)數(shù)器 PC低 8 位、數(shù)據(jù)指針 DPTR8 位、R1 或 R0。圖 3-9 P1 口的一位結(jié)構(gòu)圖② P1 口(P1.0—P1. 7，1—8 腳)：P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位淮雙向 I/O 口． P1 口的每一位能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)LSTTL 負(fù)載， P1 口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器寫“1” 。輸出時(shí)，將“1”寫入 P1 口的某一位鎖存器，則對(duì)應(yīng)連接在-Q 上的場(chǎng)效應(yīng)管截止，該位的輸出由內(nèi)部的上拉電阻將引腳拉成高電乎，輸出“1” 。將“0”寫入鎖存器，則對(duì)應(yīng)連接在-Q 上的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，該位的引腳輸出低電平，即輸出 “0”。輸入時(shí)，口鎖存器必須置“1” ，使輸出場(chǎng)效應(yīng)管截止，這時(shí)該位引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平，也可以由外部電路拉成低電平。此時(shí)，引腳的狀態(tài)由外接的輸出設(shè)備的輸出狀態(tài)決定。CPU 讀 Pl 引腳的狀態(tài)時(shí)，實(shí)際就是讀外部輸出設(shè)備的輸出信息。P1 口作為輸入線時(shí)，可以被任何 TTL 電路或 MOS 電路驅(qū)動(dòng)。由于內(nèi)部有上拉電阻，也可以被集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路的電路驅(qū)動(dòng)。圖 3-10 P2 口的一位結(jié)構(gòu)圖③ P2 口(P2.0—P2.7 ，21—28 腳)：P2 口為準(zhǔn)雙向 I/O 口，有兩種功能，對(duì)于內(nèi)部擁有程序存儲(chǔ)器，無(wú)須擴(kuò)展外部ROM 且無(wú)外部 ROM 的應(yīng)用場(chǎng)合(無(wú)高 8 位地址需求)，P2 口可作為輸入/ 輸出口使用，直接與外部設(shè)備相連。P2 口也可用于系統(tǒng)擴(kuò)展的地址總線口，輸出地址總線的高 8 位更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 12 頁(yè) 共 35 頁(yè)A8—A15。對(duì)于內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)(如 8031)，一般情況下只能作為系統(tǒng)擴(kuò)展的高 8 位地址總線輸出口．而不能作為與外部設(shè)備相連接的輸入/輸出口。P2 口的輸出驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)多路電子開(kāi)關(guān)(MUX)，當(dāng) MUX 開(kāi)關(guān)接至輸出鎖存器 Q輸出端時(shí)，P2 口作為第一功能輸出線，與 P1 口的功能相似；當(dāng) MUX 開(kāi)關(guān)接至地址端時(shí)，P2 口的狀態(tài)由 CPU 送出的地址確定：訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)，地址來(lái)源于程序計(jì)數(shù)器PC 的高 8 位，輸出地址 A8—A15；訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備時(shí)，地址來(lái)源于數(shù)據(jù)指針 DPTR 的高 8 位 DPH，特殊的采用間址寄存器 R1 或 R0 時(shí)，則 P2 口保持原有的地址信息不變。圖 3-11 P3 口的一位結(jié)構(gòu)圖④ P3 口(P3.0—P3.7 ，10—17 腳)：P3 口為準(zhǔn)雙向多功能 I/O 口，可以分別定義為第一功能輸入 /輸出線或第二功能輸入/ 輸出線。當(dāng) P3 口定義為第一功能輸入/輸出出線時(shí)，第二功能翰出線總是高電平。此引腳輸出電平取決于口鎖存器的狀態(tài)，當(dāng)輸出“1”時(shí)，寫人口鎖存器的數(shù)據(jù)從 Q 端輸出，使輸出場(chǎng)效應(yīng)管截止，引腳由上拉電路拉成高電平；當(dāng)輸出“0”時(shí)，寫人口鎖存器的數(shù)據(jù)從 Q 端輸出，使輸入場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，引腳輸出低電平。同樣， P3 口的某一位作為輸入線時(shí)，該位口鎖存器應(yīng)保持“1” ，使輸出場(chǎng)效應(yīng)管截止，引腳狀態(tài)由外部輸入電平所確定。當(dāng) P3 口定義為第二功能輸入輸出線時(shí)，該位的口鎖存器必須保持“1” ，輸出場(chǎng)效應(yīng)管的狀態(tài)由第二功能輸出確定。P3 口的第二功能定義如下：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INT0(外部中斷 0 輸入口)P3.2 INT1(外部中斷 1 輸入口)P3.4 T0(定時(shí)器 0 外部輸入口)P3.5 T1(定時(shí)器 1 外部輸入口)P3.6 WR(寫選通輸出口)P3.7 RD(讀選通輸出口)3.1.4 EEPROM24C02 的功能特性及 電路連接（1）EEPROM 概述EEPROM 是一種可用電氣方法在線擦除和再編程的只讀存儲(chǔ)器。它既有 RAM 在連機(jī)操作中可讀可改寫的特性，又具有非易失性存儲(chǔ) ROM 在掉電后仍然能夠保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。寫入的數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保持 10 年。EEPROM 芯片有兩類接口：并行接口和串行接口芯片。并行接口 EEPROM 一般相對(duì)容量大、速度快、功耗大和價(jià)格貴，但讀寫方法簡(jiǎn)單。串行 EEPROM 芯片的特點(diǎn)是體積小、更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 13 頁(yè) 共 35 頁(yè)功耗低、價(jià)格便宜，使用中占用系統(tǒng)的信號(hào)線較少；但相對(duì)工作速度慢，讀寫方法稍許復(fù)雜些。對(duì)于那些需要存放有時(shí)需要改變特征代碼或參數(shù)的系統(tǒng)，通常所需要的字節(jié)和寫入的次數(shù)不會(huì)很多，寫入速度也沒(méi)太高要求，這種情況下采用串行 EEPROM 是非常合適的。（2）24C02 的特點(diǎn)簡(jiǎn)介24C02（A）是一種采用 CMOS 工藝制成的 128/256/512/1K/2K/4K/8K*8 位/14 位引腳的串行的可用電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。自定時(shí)寫周期包括自動(dòng)擦除時(shí)間不超過(guò)10MS，典型時(shí)間為 5MS。而 MICROCHIP 公司的串行 EEPROM 的擦除和寫入 1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)間可縮短為 1 毫秒以下。串行 EEPROM 一般具有兩種寫入方式，一種是字節(jié)寫入，一種是頁(yè)寫入，允許在一個(gè)寫周期內(nèi)同時(shí)對(duì) 1 個(gè)字節(jié)到一頁(yè)的若干字節(jié)進(jìn)行編程寫入，一頁(yè)的大小取決于芯片內(nèi)頁(yè)寄存器的大小，不同公司的同種型號(hào)存儲(chǔ)器的頁(yè)寄存器可能不一樣。例如 ATMEL 的 AT24C01/01A/02A 的頁(yè)寄存器為 4B/8B/8B，而 MICROCHIP 的24C01/01A/02A 頁(yè)寄存器都為 2B，24AA01 頁(yè)寄存器為 8B。擦除/寫入周期壽命一般都已經(jīng)達(dá)到 10 萬(wàn)次以上，有的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到 1000 萬(wàn)次。采用單一電源+5V+/-0.1V，低功耗工作電流 1 毫安，備用狀態(tài)時(shí)只有 10 微安；三態(tài)輸出，與 TTL 電平兼容。一般商業(yè)品工作溫度范圍為 0 度—70 度，工業(yè)品為-40 度—85 度。這個(gè)系列的芯片有 8 引腳 DIP 封裝、8 引腳 SOIC 封裝形式，一部分型號(hào)還有14 引腳 SOIC 封裝形式。該系列芯片是二線制 串行 EEPROM 芯片，有硬件寫保護(hù)引腳 WP。（3）引腳說(shuō)明用于基本總線操作的引腳只有 SCL 和 SDA。其管腳定義如下：SCL 串行時(shí)鐘端。這個(gè)信號(hào)用于對(duì)輸入和輸出數(shù)據(jù)的同步，寫入串行 EEPROM的數(shù)據(jù)用其上升沿同步，輸出數(shù)據(jù)用其下降沿同步。SDA 串行數(shù)據(jù)（/地址）輸入/輸出端。這是串行雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出線。這個(gè)引腳是漏極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)，可以與任何數(shù)目的其他漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路的器件“線或”連接。WP 寫保護(hù)。這個(gè)引腳用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，當(dāng)其接地時(shí)，可以對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行正常的讀/寫操作；當(dāng)其接電源時(shí)，芯片就具有數(shù)據(jù)保護(hù)功能，被保護(hù)部分因不同型號(hào)芯片而異。被保護(hù)的部分的讀操作不受影響，實(shí)際少年宮這時(shí)被保護(hù)部分就可以作為串行只讀存儲(chǔ)器使用。A0、A1、A2 片選或頁(yè)面選擇地址輸入。VCC 電源電壓接 5VVSS 接地端（3）內(nèi)部框圖以及功能描述更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 14 頁(yè) 共 35 頁(yè)24C02 的內(nèi)部框圖如下：圖 3-12 24C02 的內(nèi)部框圖結(jié)構(gòu)24C02（A）/04A/08A/16A 支持 雙向二線制串行總線及其傳輸規(guī)約，一般把傳送數(shù)據(jù)到總線上的器件定義為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。串行 EEPROM 在系統(tǒng)中總是作為從機(jī)工作，總線必須由一片可以產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）的住器件控制，通常這個(gè)住器件就是微處理器或者微控制器，控制總線訪問(wèn)和產(chǎn)生“啟動(dòng)”和“停止”信號(hào)。微處理器和 EEPROM 都可以作為發(fā)送器或者接收器，在對(duì) EEPROM 進(jìn)行寫操作時(shí)，更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 15 頁(yè) 共 35 頁(yè)微處理器是發(fā)送器，串行 EEPROM 是接收器，而在讀操作時(shí)，則剛好與之相反。（4）EEPROM24C02 的電路連接EEPROM24C02 的電路連接圖如下：它在本設(shè)計(jì)中起到的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電可存儲(chǔ)功能。其中串行時(shí)鐘端 SCL 和串行數(shù)據(jù)（/地址）輸入/輸出端 SDA 接到單片機(jī)的 P1 口。圖 3-13 EEPROM24C02 的電路連接3.2 D 類功放模塊介紹利用Ti公司全D類音頻功放芯片TPS3004和MCS51系列微處理器設(shè)計(jì)紅外線遙控的數(shù)字音量控制立體聲音頻功率放大器。TPS3004 D類立體聲音頻功率放大芯片具有每通道12W的功率輸出，立體聲音量由直流電壓實(shí)現(xiàn)–40 dB to 36 dB增益范圍調(diào)節(jié)，并能對(duì)用戶設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)。3.2.1 模塊原理圖此原理圖為設(shè)計(jì)電路的后半部分，此部分電路實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)調(diào)節(jié) DAC MAX541的輸出電壓值以及調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器的阻值使它們的電壓值為可調(diào)，從而達(dá)到控制 D 類功放音量的目的。更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 16 頁(yè) 共 35 頁(yè)模塊原理圖如下：更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 17 頁(yè) 共 35 頁(yè)圖 3-14 D 類功放模塊原理圖3.2.2 D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX541 的功能特性及電路連接（1）MAX541特點(diǎn)簡(jiǎn)介MAX541高精度DAC是美國(guó)MAXIN公司生產(chǎn)的串口輸入，電壓輸出的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)是采用三線串行接口，并且輸入采用施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，內(nèi)置上電復(fù)位功能，功耗為1.5mW。工作于+5伏單電源，工作電流為0.3mA其電壓輸出范圍是0V 到2.5V。由于具有很低的功耗，無(wú)須調(diào)整即可得到16位的精度，所以非常適合于工業(yè)控制及儀器儀表等應(yīng)用。（2）MAX541 的外觀及引腳說(shuō)明：如圖，MAX541是8腳DIP和SO封裝，圖3-15 MAX541的外觀引腳功能說(shuō)明如下：CS\ 片選信號(hào)輸入端；VDD 接+5V電源端；AGND 接模擬地端；DGND 數(shù)字地端；REF 參考電壓輸入端，接外部+2.5V電壓；SCLK 串行時(shí)鐘輸入端；DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端；更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 18 頁(yè) 共 35 頁(yè)OUT 數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓輸出端。（3）MAX541 的工作原理請(qǐng)看下表，此表很直觀明了地說(shuō)明了MAX541的工作原理。模擬輸出電壓VOUT的范圍可以由輸入不同的數(shù)字代碼來(lái)有規(guī)律地控制。當(dāng)輸入的16位數(shù)字代碼為全零時(shí)輸出電壓為0，當(dāng)輸入的16位數(shù)字代碼為全1時(shí)輸出電壓約為VREF即2.5V。VOUT變化的規(guī)律是：16位數(shù)字代碼由全0開(kāi)始，每次加1一直到全1變化，對(duì)應(yīng)的輸出電壓VOUT從0開(kāi)始，每次增加VREF*（1/65536） 。數(shù)字輸入代碼 模擬輸出電壓值 VOUT1111 1111 1111 1111 VREF*（65535/65536）1000 0000 0000 0000 VREF*（32768/65536）0000 0000 0000 0001 VREF*（1/65536）0000 0000 0000 0000 0V表 3-1 數(shù)字輸入代碼與輸出電壓值對(duì)應(yīng)表我們還關(guān)心一個(gè)原理，就是怎樣把 16 位的數(shù)字代碼輸入 MAX541 里面。請(qǐng)看下圖，當(dāng)片選端信號(hào) CS 選通后（低電平有效），串行時(shí)鐘輸入端的時(shí)鐘信號(hào)開(kāi)始生效，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿?cái)?shù)據(jù)會(huì)同步地傳輸并鎖存到 DAC 的數(shù)據(jù)輸入寄存器中。當(dāng) 16 位數(shù)據(jù)傳輸完后 CS 置 1，然后進(jìn)入下一輪的數(shù)據(jù)代碼傳輸。圖 3-16 （4）MAX541 的電路連接MAX541 在本設(shè)計(jì)中的電路連接見(jiàn)下圖，讓它外接+5V 電源，4、5 、6 腳接單片機(jī)的 P1 口實(shí)現(xiàn)串口通信。模擬地 DGND 和數(shù)字地 AGND 相接構(gòu)成地線系統(tǒng)，為了消更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 19 頁(yè) 共 35 頁(yè)除高頻和低頻干擾，必須在 REF 與地之間接入退耦電容。由圖可以看出，MAX541 的輸出電壓及兩個(gè)可調(diào)電位器分別接到了 D 類功放芯片的 11（VOLUME ）、10（VARMAX）和第 9（VARDIFF）腳，通過(guò)調(diào)節(jié)這三個(gè)管腳的輸入電壓就可以達(dá)到控制此 D 類功放音量的目的。至于是怎樣控制的在下面將會(huì)詳細(xì)介紹。圖 3-17 MAX541 的電路連接3.2.3 D 類功放芯片 TPA3004D2 的功能特性及電路連接（1）TPA3004D2 的特性此D類立體聲音頻功率放大芯片具有每通道12W的功率輸出，立體聲音量由直流電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)從–40 dB 到 36 dB增益范圍調(diào)節(jié)。（2）TPA3004D2 的主要管腳功能由于該芯片管腳較多，不可能也沒(méi)必要一一說(shuō)明其功能，下面就本設(shè)計(jì)所用到的管腳功能說(shuō)明如下：RINN（2） 右聲道音頻輸入的負(fù)極RINP（3） 右聲道音頻輸入的正極LINN（6） 左聲道音頻輸入的負(fù)極LINP（5） 左聲道音頻輸入的正極LOUTN（16、17） 左聲道音頻輸出的負(fù)極（兩管腳接在一起）LOUTP（20、21） 左聲道音頻輸出的正極（兩管腳接在一起）ROUTN（44、45） 右聲道音頻輸出的負(fù)極（兩管腳接在一起）更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 20 頁(yè) 共 35 頁(yè)ROUTP（40、41） 右聲道音頻輸出的正極（兩管腳接在一起）VARDIFF（9） 結(jié)合 VARMAX（10）與 VOLUME（11）對(duì)輸出設(shè)置增益VARMAX（10） 輸入直流電壓為 VAROUT 輸出設(shè)置最大增益， （假如 VAROUT 沒(méi)用到 VARMAX 就要接地線）VOLUME（11） 在此管腳輸入直流電壓為 VAROUT 輸出設(shè)置增益（3）TPA3004D2 的外觀圖 3-18 TPA3004D2 的外觀（4）TPA3004D2 的調(diào)制方案調(diào)制方案在確定所需濾波器類型方面起著重要作用。傳統(tǒng)的 D 類放大器需要 LC 濾波器，圖 X 顯示了采用的傳統(tǒng)調(diào)制類型。在該方案中，當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，差動(dòng) PWM 輸出信號(hào)的占空比為 50%，這 50%的占空比不生成可以聽(tīng)到的聲音，因?yàn)槠骄ㄐ螢榱?。但它?huì)從喇叭吸收并使用大量電流，產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的功率損耗?，F(xiàn)在，隨著輸入電壓的增加，正極 OUT+的占空比也隨之增加，負(fù)極 OUT-的占空比則會(huì)減少。就該類型的調(diào)制方案而言，應(yīng)當(dāng)采用二階 BUTTREWORTH 低通濾波器。如圖 X 所示，更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 21 頁(yè) 共 35 頁(yè)該濾波器用兩個(gè)電感和三個(gè)電容作為典型的橋接式負(fù)載輸出。該濾波器主要作為電感，在電壓變換時(shí)使輸出電流保持一致，這降低了少輸入信號(hào)或無(wú)輸入信號(hào)時(shí)的功耗。但是該類濾波器的主要缺陷是尺寸增加及額外的外部元件成本增加。由于揚(yáng)聲器既具有電阻性有具有電感性，而且 D 類放大器開(kāi)關(guān)波形通過(guò)揚(yáng)聲器產(chǎn)生高電壓，所以效率方面的提高將受到損失，從而導(dǎo)致較高的電源電流，也抵消了 D 類放大器帶來(lái)的效率優(yōu)勢(shì)。電感 L1 與 L2 以及電容 C1 構(gòu)成差動(dòng)濾波器使信號(hào)以 40DB /S 的斜率衰減。開(kāi)關(guān)電流主要通過(guò) C1、C2 及 C3，揚(yáng)聲器消耗的電流很小。在 TI 新一代 D 類放大器 TPA3004D2 產(chǎn)品系列中，調(diào)制方案經(jīng)過(guò)修改，只產(chǎn)生非常短的差動(dòng)功率脈沖，以避免無(wú)輸入信號(hào)時(shí)發(fā)生擊穿。新的調(diào)制方案不再需要二階BUTTREWORTH 低通濾波器，從而可以大大減少系統(tǒng)成本以及設(shè)計(jì)方案的尺寸。由于新的調(diào)制方案的正負(fù)輸出信號(hào)是同相的，因此負(fù)載的差動(dòng)電壓在大多數(shù)開(kāi)關(guān)周期均為 0V。這極大地降低了開(kāi)關(guān)電流，消除了負(fù)載中的功耗。（5）TPA3004D2 的工作原理實(shí)際上此芯片的音量控制是由 VOLUME（11） 、VARDIFF（9）以及 VARMAX（10）這三個(gè)管腳控制的。這三個(gè)管腳輸入的都是直流電壓。原理如下圖所示。當(dāng)電壓分別輸入這三個(gè)管腳后 11 腳的電壓 VOLUME 將會(huì)減去第九腳 VARDIFF 的電壓，然后跟第十腳VARMAX上的電壓做比較，假如第十腳 VARMAX 上的電壓比之大則控制電壓為 VOLUME（11）與VARDIFF（9）的電壓的差值：假如第十腳 VARMAX 上的電壓比之小則控制電壓為 VARMAX上的電壓，也就是說(shuō)第十腳上的電壓 VARMAX 是一個(gè)基準(zhǔn)電壓。圖 3-19 音量調(diào)節(jié)流程圖更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 22 頁(yè) 共 35 頁(yè)4 電路設(shè)計(jì)制作及調(diào)試4.1 電路的設(shè)計(jì)制作4.1.1 Protel 99se 簡(jiǎn)介Protel 99se是用于繪制電子制作的原理圖和PCB圖所用到的軟件，它具有全面的工具、文檔以及設(shè)計(jì)項(xiàng)目的組織功能，能夠使用戶輕松駕馭電子線路設(shè)計(jì)的全過(guò)程。它主要由兩大部分組成：原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Schematic99）與印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)（PCB99），前者主要用于電路原理圖的設(shè)計(jì)，為印制電路板的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)；，后者主要用于印制電路板的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生最終的PCB文件，直接關(guān)系到電路板的生產(chǎn)。4.1.2實(shí)際制作電路的步驟(1) 設(shè)計(jì)電路原理圖 利用 Protel 99SE 的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)繪制電路原理圖，要充分利用各種原理圖繪圖工具和編輯功能。比如大部分元件在庫(kù)里找得到，但是有些就必須自己新建庫(kù)文件再進(jìn)行編輯。(2) 校對(duì)電路圖 檢查和校對(duì)電路原理圖是很重要的，直接關(guān)系到下面的操作，只有保證所繪制的電路圖正確無(wú)誤或者盡量減少錯(cuò)誤的產(chǎn)生，后面的工作才得以順利進(jìn)行。(3) 生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)表 SPICE netlist SPICE netlist 是連接原理圖編輯器和 PCB 編輯器之間的橋梁和紐帶,是自動(dòng)布線的核心。將該網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入 PCB 編輯器過(guò)程中,原理圖沒(méi)有問(wèn)題最好，還存在問(wèn)題的話就要根據(jù)錯(cuò)誤提示一個(gè)個(gè)檢查直到所有錯(cuò)誤都消除掉，然后就可以把元件導(dǎo)入 PCB 編輯器了。(4) 對(duì) PCB 板布局 元件導(dǎo)入 PCB 編輯器后就可以開(kāi)始進(jìn)行布局了，其實(shí)布局是一門學(xué)問(wèn)，要靠平時(shí)的積累，生手跟熟手布出來(lái)的板在各方面比如可觀性、穩(wěn)定性上是完全不一樣的。因?yàn)樵季质艿胶芏喾矫娴挠绊?，必須從結(jié)構(gòu)、電磁干擾和將來(lái)布線的方便性等方面進(jìn)行綜合考慮.（5）PCB 板的實(shí)際制作 對(duì)繪制好的 PCB 板圖進(jìn)行各種設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，如安全、間距和干擾等，以及網(wǎng)絡(luò)檢查(對(duì)照 SPICE netlist)后就可以進(jìn)行實(shí)際的制作了。把圖紙打印出來(lái)后用電熨斗燙到覆銅的電路板上，然后腐蝕電路板,再鉆孔,焊接元器件.注意元器件不能虛焊，要焊牢固。元器件焊完后檢查各條線路是否導(dǎo)通就完成電路板的制作了。4.1.3 印制電路板設(shè)計(jì)原則和抗干擾措施 印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件．它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電于技術(shù)的飛速發(fā)展，PGB 的密度越來(lái)越高。PCB 設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大．因此，在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)．必須遵守 PCB 設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。（1）PCB 設(shè)計(jì)的一般原則更多資料下載 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 第 23 頁(yè) 共 35 頁(yè)要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布且及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的 PCB．應(yīng)遵循以下一般原則：首先，布局上要考慮 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定 PCB尺寸后．再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。根據(jù)電路的