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STM32-音频播放

news 2025/10/31 8:41:45

前言：

在使用IOT设备进行音频播放的时候有多种解决方案，简单可以归纳为三类:

技术方案	核心原理	音质表现	系统复杂度	典型应用场景
PWM/定时器直驱	利用STM32的PWM或定时器生成不同频率的方波，直接驱动蜂鸣器或通过简单功放驱动喇叭。	较差，仅能播放简单音阶或单音，有数码感。	低（硬件和软件都最简单）	电子琴、八音盒、简单报警提示音。
外接专用音频解码芯片	STM32作为主控，通过SPI等接口将压缩音频数据（如MP3）发送给专业解码芯片（如VS1053），芯片完成高质量解码后输出模拟音频。	优秀，支持高保真立体声，可播放MP3、WAV等多种格式。	高（需配置解码芯片及文件系统）	高品质MP3播放器、网络音乐播放器、语音播报设备。
片内DAC输出	利用STM32自带的DAC，将数字音频数据（如WAV格式的PCM数据）直接转换为模拟电压波形输出。	较好，音质受限于DAC性能（通常12位），优于PWM，但不如专业解码芯片。	中（需处理未压缩音频数据）	对音质有一定要求但不需要复杂格式解码的场合，如播放简短的提示音或特定音效。

PWM/定时器直驱方案:

这个方案的核心是让STM32直接产生音频信号。

工作原理：STM32通过其定时器产生高频PWM波，或者直接控制GPIO口模拟出音频信号的频率。这个PWM波的本质是一串方波，经过简单的RC低通滤波器后，可以还原出大致的模拟电压波形。但这个信号非常微弱且质量一般，所以必须外接LM386或LM4871这类音频功率放大器进行放大，才能驱动喇叭。
优点：成本最低，电路简单，适合播放简单的提示音或对音质要求极低的场合。
缺点：音质差（底噪大、失真明显），无法处理复杂的音乐文件（如MP3），需要STM32的CPU持续参与信号生成，占用资源多。

片内DAC输出方案:

这个方案利用了STM32内部的一个专用硬件模块。

工作原理：STM32将数字音频数据（如WAV格式的PCM数据）发送给其内部的DAC模块。DAC会将数字值直接转换成对应电压的平滑模拟波形输出。同样，这个线路电平的信号也需要外接功放才能驱动喇叭。
优点：音质优于PWM方案，电路仍然相对简单。
缺点：音质受限于STM32片内DAC的性能（通常是12位），无法直接解码MP3等压缩格式（需要CPU先软件解码），同样需要外接功放。在你的组合中，这可以看作是一个介于PWM和外接Codec之间的选项。

外接专用音频解码芯片方案：

这是追求音质和功能完整性的方案，核心是引入了一颗专业的音频编解码芯片。

工作原理：STM32通过I2S数字音频接口，将压缩的（如MP3）或未压缩的（如WAV）数字音频数据流发送给ES8311。ES8311是一颗专业的音频Codec，它内部集成了高性能的DAC和ADC。它的DAC将数字信号高质量地转换为模拟信号后，再输出给后级的功放芯片（如LM4871）进行功率放大，最终驱动喇叭。
优点：
- 高音质：专用Codec的DAC性能远超STM32片内DAC。
- 功能全面：ES8311通常也包含ADC，因此可以实现录音功能。
- 减轻CPU负担：STM32只需传输数据，复杂的音频编解码由ES8311硬件完成。
缺点：电路最复杂，成本最高，软件配置也更繁琐。

简单场景分类如下

DAC方案：

这里我们首先已DAC方案进行分析，PWM脉冲的这个过于简单，作为警报这类方案还可以，作为语音音质还是太差，因此低成本采用DAC方案

DAC（数字模拟转换器），主要将数字信号0，1转换为模拟信号，STM32芯片中存在对应的引脚支持DAC数模转换，但是较少

这里我们介绍LM386和LM4871

LM386引脚图：

手册提供的不同增益的电路图：

LM386电路图大概如下，由于选用的LM386型号和使用场景不同，对应的电容电阻会存在调整

其中INPUT为音频输入接口，OUTPUT为喇叭接口

LM4871引脚图：

手册电路图如下：

LM4871的正负输入（+IN和-IN）确实都连接到了MCU，但这并不意味着MCU提供了两个独立的DAC信号。实际上，这是一个非常经典的单端转差分输入的设计。MCU的DAC只提供了一个单一的正向信号，而负输入端的信号是通过一个电阻网络从这个正向信号“衍生”出来的参考地。

为了低成本考虑，典型应用电路中，用到了 10K 20K 1UF 0.39UF 等器件，为了让电路更简洁，将电阻统一改为 10K，电容改为常用的 100nF(0.1UF) 和 22UF。实测没有问题。
Shutdown 是芯片掉电控制引脚，为高电平时功放停止工作实现低功耗；为低电平时功放正常工作。
项目原理图中的 R7 和 R8 电阻跟声音大小成线性关系，两个电阻越大，声音越小；两个电阻越小，声音越大。但是声音的大小始终不会超过喇叭的实际可输出声音大小。毕竟该芯片只有 3W 的功放输出。 W 数越大，功率越高，耗电越大，声音越响。

对应的麦克风电路：

外接专用音频解码芯片：

这里使用的是ES8311+NS4150B方案：

ES8311是一款由Everest Semi（顺芯半导体）推出的高性能、低功耗的单声道音频编解码器（CODEC）芯片。它集成了高精度的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），专为需要高质量音频录制和播放的便携式及嵌入式设备而设计；

具体特性如下：

特性类别	具体规格与描述
核心架构	高性能、低功耗多位 Delta-Sigma ADC 和 DAC
ADC 性能	24位分辨率，采样率 8 - 96 kHz，信噪比 (SNR) 100 dB，总谐波失真+噪声 (THD+N) -93 dB
DAC 性能	24位分辨率，采样率 8 - 96 kHz，信噪比 (SNR) 110 dB，总谐波失真+噪声 (THD+N) -80 dB
接口特性	支持 I2S/PCM 主从模式数字音频接口；配置接口为 I2C
电源电压	1.8V - 3.3V，宽电压范围利于电池供电设计
功耗水平	播放和录制模式下功耗典型值仅为 14 mW，待机电流极低
封装形式	QFN-20，紧凑型封装节省电路板空间
工作温度	-40°C 至 +105°C，适应宽温工作环境

ES8311引脚如下：

手册推荐电路如下：

NS4150B引脚：

对应的手册推荐电路：

NS4150B和LM386都属于功放芯片，具体的区别如如下：

特性	NS4150B (D类功放)	LM386 (AB类功放)
工作原理	D类（开关型）	AB类（线性）
核心优势	高效率（通常85%-90%），低发热，功率密度高	电路简单经典，成本极低，电磁干扰(EMI)易处理
输出功率	较高（5V电压下，4Ω负载可达2.8W-3W）	较低（6V电压下，8Ω负载典型值约325mW）
效率	高（约88%-90%）	较低（约30%-40%）
静态电流	约4mA (3.6V, 空载)	约4mA (6V)
音质特点	理论THD+N较低，但可能有高频开关噪声	中规中矩，总谐波失真典型值0.2% (特定条件)
外围电路	简单，通常无需输出滤波电感（免滤波设计）	简单，但通常需要输出耦合电容
热管理	发热量小，可能无需散热片	发热量相对较大，可能需要考虑散热
EMI/噪声	需关注高频开关噪声和电磁兼容性(EMI)设计	电磁干扰较小，但易受电源噪声影响
成本	相对较高	极低
理想应用	对效率和体积要求高的便携设备（如蓝牙音箱、平板电脑）	成本敏感、功率要求低的应用（如简易玩具、报警器）