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1 引言 數字功放由于其效率高､易與數字音源對接等優點而在現實生活中具有越來越廣泛的應用｡它主要包含兩部分,圖1為數字功放的基本框圖｡其中PWM變換大致有兩種,一是模擬PWM,即將輸入的模擬信號或數字信號經D/A后與三角波進行比較,這種變換必須要有頻率上百kHz､線性度好､滿幅的三角波,而且還要有高速模擬比較器,否則將影響PWM波形在解調后的波形,這些都將增加成本和設計復雜度(使用集成D類功放或D類控制芯片另當別論)｡二是數字式PWM,即將輸入數字信號或模擬信號經A/D后與計數器相比較,即用計數的方法代替三角波,從而避免了三角波非線性所引起的失真｡同傳統的模擬方式相比,數字方式具有設計簡單,效率更高,抗干擾性更強等優點｡而Atmega8單片機中的定時器1可以工作在PWM模式,它只要將其AD中的值移到PWM的輸出比較寄存器中即可完成PWM調制,實現起來相當簡便｡ 為了提高輸出功率,大多數D類功放都以BTL方式來驅動｡ 而無論是模擬式還是數字式PWM,BTL兩路輸出信號的選擇也都有兩種方案,即同相驅動和反相驅動｡前者在零信號時,其兩路信號的疊加效果幾乎為零,而后者在零信號時,疊加在濾波器上的電壓會變大,當然可以通過修改濾波器參數來降低其在負載上的壓降,但這樣會增加系統功耗,而且不便于整體實現｡因此,本文選用數字式PWM,并采取同相驅動方式實現數字功放功能,從而進一步降低了靜態功耗,提高了效率｡ 2 硬件設計 該設計的硬件電路分為三部分,包括前置放大､A/D與PWM轉換､功率放大及濾波等,其硬件電路原理如圖2所示｡本系統的PWM頻率至少要調制到信號最高頻率(20kHz)的5倍以上,才能保證音頻信號很好的還原｡若工作頻率為16MHz,則PWM的計數最大值(以下簡稱TOP)將為: fCLK-I/O/fpwm=16MHz/100kHz=160｡此外,A/D的采樣值(最大255)也必須除以一定的數值才能作為PWM輸出比較寄存器(以下簡稱OCR1A/OCR1B)的值,這顯然會降低AD的等效精度｡而要保證AD原有的精度和PWM頻率,則應提高晶振｡經測試:mega8在32MHz下還可正常工作,此時AD采樣值可直接作為OCR1A/OCR1B值,此時的PWM頻率為32MHz/255=125.5kHz｡ 2.1 前置放大 前置放大部分主要由AD公司的低功耗､低噪聲､單電源､軌對軌輸入輸出放大器AD8605和數字電位器組成｡AD8605的靜態電流只有0.9mA(5V),電源范圍為2.7V~5.5V,帶寬為10MHz｡數字電位器采用的X9C102有100個臺階,大小為1kΩ最小可達40Ω,它和AD8605可組成同相放大器｡圖2中的R2選為1kΩ,放大倍數可在2到250之間調整｡ 2.2 A/D及PWM部分 本設計中的A/D和PWM都是通過mega8來完成的｡在AVR家族中,Atmega8是一個非常特殊的單片機,它內部集成了較大容量的存儲器和豐富的硬件接口電路,具有AVR高檔單片機MEGA系列的全部性能和特點,但由于采用了小引腳封裝(DIP 28),所以其價格與低檔單片機相當,因而性價比極高,而且有ISP功能,下載極其方便｡ Atmega8單片機功能齊全､接口豐富｡它有6通道A/D,包括4路10位A/D和2路8位A/D｡而片中的3個PWM通道可實現任意小于16位,以及相位和頻率可調的脈寬調制輸出｡此外,Atmega8中的每個I/O引腳均采用推挽式驅動,因此不僅能提供大電流驅動,而且還可以吸收20mA的電流｡Atmega8的PWM有3種工作模式:快速PWM模式､相位可調PWM模式和相位頻率可調PWM模式｡其中后兩者都采用雙程計數器,所以其PWM頻率只有快速模式的一半｡本文選用第一種工作模式｡該模式是利用定時器/計數器1來完成的,而且計數器為單程向上加1,從0x0000一直加到TOP,在下一計數脈沖到來時清零,然后再從0x0000開始加1計數｡在設置正向比較匹配輸出時,當計數值與OCR1A/OCR1B的值相同時,對輸出比較匹配位(以下簡稱OC1A/OC1B)進行置位操作?當計數器的值從TOP返回0x00時則清零OC1A/OC1B｡而在設置反向比較輸出時,其輸出正好與同向比較時相反｡從兩路PWM的產生過程來看,兩路的變化是同時的,因而避免了由于兩路延時不同所引起的額外損耗｡ 2.3 功率放大部分 功率放大部分采用兩片IRF7389,每一片中內置一對VMOS管,N溝道和P溝道的導通電阻分別為46､98mΩ VGS=4.5V時 ,最大輸出功率為30W｡此外,IRF7389還內置高速恢復二極管,能降低諧波失真｡圖2中的C17 ､C16是加速電容,可用來改善激勵波形,以使VMOS管迅速由截止轉換為導通,或由導通迅速轉為截止,以達到減少死區時間,改善輸出波形之目的｡圖2中的 R7､R8主要起保護作用｡ 3 軟件設計及系統實驗 本系統軟件由AD中斷服務程序､定時中斷服務程序､  WM程序､按鍵中斷服務程序組成｡系統上電后, AD中斷程序､時鐘中斷程序､ PWM程序首先進行初始化,然后在程序運行初始階段進行音量的AGC控制｡考慮到人耳對接收聲音強度的對數關系,放大器的增益從2倍到20倍間設計成對數增加方式,而無須手動調整放大倍數,從而使輸出能保證在一定范圍內,以使放大器工作在線性區｡具體過程見圖3所示｡在播放過程中,可以通過按鍵調用中斷子程序來調節音量｡ Atmega8的AD轉換在轉換精度要求低于 10位時,ADC的采樣時鐘可以高于200kHz,因而可獲得更高的采樣率｡另外設置SFIOR寄存器中的ADHSM 位可提高ADC的時鐘頻率｡本系統采用ADC內部參考電源和連續轉換模式,并選用ADC4通道(精度為8位),實驗測得的轉換速度可達40kHz｡ PWM的A､B通道初始化采用相同的工作方式,零輸入時,A､B同相輸出｡而當正信號輸入時,A通道的脈寬增加,此時由于B通道的比較值與A通道互補,所以B通道脈寬減少;當有負信號輸入時,A通道的脈寬減少,B通道的脈寬增加｡ 通過測試本系統在5V電源下,負載為8Ω時的最大輸出不失真正弦波峰峰值為8.4V(即4.2×2),輸出功率為1.1W,16MHz時的電源電流為278mA,效率為80%｡而在32MHz時,AD的等效精度會提高,音質更好,但系統靜態功耗電流將增加,然而,由于該損耗基本固定,因此用Atmega8來設計數字功放更適合在較大功率的場合使用｡此外,加大IRF7389源極間電壓可增大輸出PWM電平,從而增大輸出功率,進一步提高效率｡ 4 結束語 選用Atmega8單片機設計功放非常簡單,而且靈活性好,可擴展性強,通過調整程序還可滿足不同需求｡通過修改數字濾波程序即可改變功放頻響,若再加一片存儲器,即可實現錄音､復讀､設定播放時間和顯示音量等｡而這些功能僅僅通過集成D類功放是無法完成的｡ |
