采用Atmega8的數(shù)字功放設(shè)計(jì)

摘要：Mega8是一款高性能、低功耗，采用先進(jìn)RISC精簡(jiǎn)指令，內(nèi)置PWM和A／D的8位單片機(jī)，用它設(shè)計(jì)數(shù)字功放不僅成本低、硬件簡(jiǎn)單，而且易實(shí)現(xiàn)各種擴(kuò)展功能。文中介紹了如何利用ＡＶＲ系列單片機(jī)mega8及新型VMOS管IRF7389來(lái)設(shè)計(jì)高效數(shù)字功放的方法，同時(shí)給出了相應(yīng)的電路原理圖、程序流程和測(cè)試結(jié)果。

１　引言

數(shù)字功放由于其效率高、易與數(shù)字音源對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)實(shí)生活中具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它主要包含兩部分，圖１為數(shù)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(hào)或數(shù)字信號(hào)經(jīng)Ｄ／Ａ后與三角波進(jìn)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(diào)后的波形，這些都將增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度（使用集成Ｄ類功放或Ｄ類控制芯片另當(dāng)別論）。二是數(shù)字式ＰＷＭ，即將輸入數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)經(jīng)Ａ／Ｄ后與計(jì)數(shù)器相比較，即用計(jì)數(shù)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(tǒng)的模擬方式相比，數(shù)字方式具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，效率更高，抗干擾性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而Ａｔｍｅｇａ８單片機(jī)中的定時(shí)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(diào)制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)便。

為了提高輸出功率，大多數(shù)Ｄ類功放都以ＢＴＬ方式來(lái)驅(qū)動(dòng)。而無(wú)論是模擬式還是數(shù)字式ＰＷＭ，ＢＴＬ兩路輸出信號(hào)的選擇也都有兩種方案，即同相驅(qū)動(dòng)和反相驅(qū)動(dòng)。前者在零信號(hào)時(shí)，其兩路信號(hào)的疊加效果幾乎為零，而后者在零信號(hào)時(shí)，疊加在濾波器上的電壓會(huì)變大，當(dāng)然可以通過(guò)修改濾波器參數(shù)來(lái)降低其在負(fù)載上的壓降，但這樣會(huì)增加系統(tǒng)功耗，而且不便于整體實(shí)現(xiàn)。因此，本文選用數(shù)字式ＰＷＭ，并采取同相驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字功放功能，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)功耗，提高了效率。 

２　硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的硬件電路分為三部分，包括前置放大、Ａ／Ｄ與ＰＷＭ轉(zhuǎn)換、功率放大及濾波等，其硬件電路原理如圖２所示。本系統(tǒng)的ＰＷＭ頻率至少要調(diào)制到信號(hào)最高頻率（２０ｋＨｚ）的５倍以上，才能保證音頻信號(hào)很好的還原。若工作頻率為１６ＭＨｚ，則ＰＷＭ的計(jì)數(shù)最大值（以下簡(jiǎn)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(shù)值才能作為ＰＷＭ輸出比較寄存器（以下簡(jiǎn)稱ＯＣＲ１Ａ／ＯＣＲ１Ｂ）的值，這顯然會(huì)降低ＡＤ的等效精度。而要保證ＡＤ原有的精度和ＰＷＭ頻率，則應(yīng)提高晶振。經(jīng)測(cè)試：ｍｅｇａ８在３２ＭＨｚ下還可正常工作，此時(shí)ＡＤ采樣值可直接作為ＯＣＲ１Ａ／ＯＣＲ１Ｂ值，此時(shí)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(duì)軌輸入輸出放大器ＡＤ８６０５和數(shù)字電位器組成。ＡＤ８６０５的靜態(tài)電流只有０．９ｍＡ（５Ｖ），電源范圍為２．７Ｖ～５．５Ｖ，帶寬為１０ＭＨｚ。數(shù)字電位器采用的Ｘ９Ｃ１０２有１００個(gè)臺(tái)階，大小為１ｋΩ?最小可達(dá)４０Ω，它和ＡＤ８６０５可組成同相放大器。圖２中的Ｒ２選為１ｋΩ，放大倍數(shù)可在２到２５０之間調(diào)整。

２．２ Ａ／Ｄ及ＰＷＭ部分

本設(shè)計(jì)中的Ａ／Ｄ和ＰＷＭ都是通過(guò)ｍｅｇａ８來(lái)完成的。在ＡＶＲ家族中，Ａｔｍｅｇａ８是一個(gè)非常特殊的單片機(jī)，它內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路，具有ＡＶＲ高檔單片機(jī)ＭＥＧＡ系列的全部性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳封裝（ＤＩＰ ２８），所以其價(jià)格與低檔單片機(jī)相當(dāng)，因而性價(jià)比極高，而且有ＩＳＰ功能，下載極其方便。

    Ａｔｍｅｇａ８單片機(jī)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(gè)ＰＷＭ通道可實(shí)現(xiàn)任意小于１６位，以及相位和頻率可調(diào)的脈寬調(diào)制輸出。此外，Ａｔｍｅｇａ８中的每個(gè)Ｉ／Ｏ引腳均采用推挽式驅(qū)動(dòng)，因此不僅能提供大電流驅(qū)動(dòng)，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(diào)ＰＷＭ模式和相位頻率可調(diào)ＰＷＭ模式。其中后兩者都采用雙程計(jì)數(shù)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(shí)器／計(jì)數(shù)器１來(lái)完成的，而且計(jì)數(shù)器為單程向上加１，從０ｘ００００一直加到ＴＯＰ，在下一計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)清零，然后再?gòu)模埃埃埃埃伴_(kāi)始加１計(jì)數(shù)。在設(shè)置正向比較匹配輸出時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與ＯＣＲ１Ａ／ＯＣＲ１Ｂ的值相同時(shí)，對(duì)輸出比較匹配位（以下簡(jiǎn)稱ＯＣ１Ａ／ＯＣ１Ｂ）進(jìn)行置位操作?當(dāng)計(jì)數(shù)器的值從ＴＯＰ返回０ｘ００時(shí)則清零ＯＣ１Ａ／ＯＣ１Ｂ。而在設(shè)置反向比較輸出時(shí)，其輸出正好與同向比較時(shí)相反。從兩路ＰＷＭ的產(chǎn)生過(guò)程來(lái)看，兩路的變化是同時(shí)的，因而避免了由于兩路延時(shí)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(nèi)置一對(duì)ＶＭＯＳ管，Ｎ溝道和Ｐ溝道的導(dǎo)通電阻分別為４６、９８ｍΩ?ＶＧＳ＝４．５Ｖ時(shí)?，最大輸出功率為３０Ｗ。此外，ＩＲＦ７３８９還內(nèi)置高速恢復(fù)二極管，能降低諧波失真。圖２中的Ｃ１７ 、Ｃ１６是加速電容，可用來(lái)改善激勵(lì)波形，以使ＶＭＯＳ管迅速由截止轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通，或由導(dǎo)通迅速轉(zhuǎn)為截止，以達(dá)到減少死區(qū)時(shí)間，改善輸出波形之目的。圖２中的 Ｒ７、Ｒ８主要起保護(hù)作用。

３　軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)軟件由ＡＤ中斷服務(wù)程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、ＰＷＭ程序、按鍵中斷服務(wù)程序組成。

系統(tǒng)上電后， ＡＤ中斷程序、時(shí)鐘中斷程序、ＰＷＭ程序首先進(jìn)行初始化，然后在程序運(yùn)行初始階段進(jìn)行音量的ＡＧＣ控制。考慮到人耳對(duì)接收聲音強(qiáng)度的對(duì)數(shù)關(guān)系，放大器的增益從２倍到２０倍間設(shè)計(jì)成對(duì)數(shù)增加方式，而無(wú)須手動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，從而使輸出能保證在一定范圍內(nèi)，以使放大器工作在線性區(qū)。具體過(guò)程見(jiàn)圖３所示。在播放過(guò)程中，可以通過(guò)按鍵調(diào)用中斷子程序來(lái)調(diào)節(jié)音量。

Ａｔｍｅｇａ８的ＡＤ轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換精度要求低于 １０位時(shí)，ＡＤＣ的采樣時(shí)鐘可以高于２００ｋＨｚ，因而可獲得更高的采樣率。另外設(shè)置ＳＦＩＯＲ寄存器中的ＡＤＨＳＭ 位可提高ＡＤＣ的時(shí)鐘頻率。本系統(tǒng)采用ＡＤＣ內(nèi)部參考電源和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，并選用ＡＤＣ４通道（精度為８位），實(shí)驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)４０ｋＨｚ。

ＰＷＭ的Ａ、Ｂ通道初始化采用相同的工作方式，零輸入時(shí)，Ａ、Ｂ同相輸出。而當(dāng)正信號(hào)輸入時(shí)，Ａ通道的脈寬增加，此時(shí)由于Ｂ通道的比較值與Ａ通道互補(bǔ)，所以Ｂ通道脈寬減少；當(dāng)有負(fù)信號(hào)輸入時(shí)，Ａ通道的脈寬減少，Ｂ通道的脈寬增加。

通過(guò)測(cè)試?本系統(tǒng)在５Ｖ電源下，負(fù)載為８Ω時(shí)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(shí)的電源電流為２７８ｍＡ，效率為８０％。而在３２ＭＨｚ時(shí)，ＡＤ的等效精度會(huì)提高，音質(zhì)更好，但系統(tǒng)靜態(tài)功耗電流將增加，然而，由于該損耗基本固定，因此用Ａｔｍｅｇａ８來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字功放更適合在較大功率的場(chǎng)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(jìn)一步提高效率。

４　結(jié)束語(yǔ)

選用Ａｔｍｅｇａ８單片機(jī)設(shè)計(jì)功放非常簡(jiǎn)單，而且靈活性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，通過(guò)調(diào)整程序還可滿足不同需求。通過(guò)修改數(shù)字濾波程序即可改變功放頻響，若再加一片存儲(chǔ)器，即可實(shí)現(xiàn)錄音、復(fù)讀、設(shè)定播放時(shí)間和顯示音量等。而這些功能僅僅通過(guò)集成Ｄ類功放是無(wú)法完成的。