數(shù)字功放的原理與制作

1、數(shù)字功放的原理與制作一、數(shù)字功放原理解析數(shù)字功放，顧名思義就是將數(shù)字信號進行功率放大。數(shù)字信號通常用0來代表低電平，1代表高電平，從而組成一連串的方波信號。由于數(shù)字信號只有高低電平之分，因此，當用功放管對其進行放大時，功放管完全可以工作在開關狀態(tài)，而不是放大狀態(tài)，這樣就大大減小了管子靜態(tài)功耗，提高了效率。為了實現(xiàn)數(shù)字功放，必須將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在這里通過m8l內(nèi)部自帶的十位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換即可，然后用m8l的ocr1a和ocr1b引腳產(chǎn)生占空可變的脈沖串，即pwm。pwm信號是以一個固定頻率為基礎的，為了產(chǎn)生不同的模擬電平，可以通過改變這個脈沖串的占空比實現(xiàn)。要輸出高的模擬電平，就增大占

2、空比，反之減小。這樣，通過pwm就將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將pwm信號通過功放管進行進一步放大，再通過低通濾波器就可以產(chǎn)生模擬電平了。50的占空比輸出電源電平的一半，75的占空比會產(chǎn)生75電源電平。模擬濾波器可以是一個簡單的無源的rc濾波器。濾波器濾除頻率比較高的pwm信號，留下模擬信號。在用作數(shù)字功放驅(qū)動揚聲器時，如果不是為了特殊的需要，為了最大限度地提高輸出功率，可以不用低通濾波器濾波，因為揚聲器就像個低通濾波器，它對高頻的pwm信號是不會響應的。通常揚聲器的響應頻率范圍為20hz20khz，遠小于pwm信號的頻率。二、電路工作原理電路原理圖如圖1所示，電路分為四個部分，包括前置放大、a

3、d與pwm轉(zhuǎn)換、功率放大及濾波等。1前置放大電路 lm358組成同向放大電路，音頻信號從lm358同向輸人端輸入，放大增益由r2和r1的阻值大小決定，電壓放大倍數(shù)：av=l+r2r1。r3、r4和r5組成分壓電路，當沒有信號輸入時，同向輸入端的電壓為25v，經(jīng)過c4、r2和r1組成的交流負反饋電路，輸出端電壓仍為25v。當有信號輸入時，同向輸入端的電壓隨著音頻信號的變化而變化，經(jīng)過c4、r2和r1組成的交流負反饋電路，輸出電壓vout=vin*av。輸出信號將以25v為軸，上下變動。由于工作電壓為+5v，為了保證波形不失真，輸入信號的峰值應小于25vav。lm358為單電源雙運放，增益頻帶寬為

4、1mhz，也可雙單源工作。lm358的引腳圖如圖2所示。2ad與pwm轉(zhuǎn)換這是電路的重要組成部分，由單片機m8l完成。m8l功能齊全、接口豐富。它有6通道ad，包括4路10位ad和2路8位ad。片中的2個pwm通道可實現(xiàn)任意小于16位相位和頻率可調(diào)的脈寬調(diào)制輸出。m8l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。本電路采用的是快速pwm模式。m8l內(nèi)部ad轉(zhuǎn)換是通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個10位的數(shù)字量。最小值代表gnd，最大值代表aref引腳上的電壓再減去1lsb。通過寫admux寄存器也可以把avcc或內(nèi)部256v的參考電壓連接到ar

5、ef引腳。在aref上外加電容可以對片內(nèi)參考電壓進行解耦以提高噪聲抑制性能。筆者采用的是8倍時鐘分頻，工作在連續(xù)ad轉(zhuǎn)換模式，每次ad轉(zhuǎn)換時間需要13個adc時鐘，此時的ad轉(zhuǎn)換速率為16mhz813=1538khz。為了提高adc的抗干擾能力，adc使用10位精度采樣，然后將得到的值除以4作為ocr1a的值，ocr1b則為ocr1a的補碼，即255-ocrla。快速pwm模式可用來產(chǎn)生高頻的pwm波形。快速pwm模式與其他pwm模式的不同之處是其單邊斜坡工作方式。計數(shù)器從bottom計到top，然后立即回到bottom重新開始。對于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳oc1x在tcnt1與ocr

6、1x匹配時置位，在top時清零；對于反向比較輸出模式，ocrlx的動作正好相反。由于使用了單邊斜坡模式，快速pwm模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正pwm模式高一倍。此高頻操作特性使得快速pwm模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和dac應用。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。寄存器配置如下：(comla1：com1a0=1：0)(com1b1：comlb0=1：0)。從兩路pwm的產(chǎn)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。m8l最高工作頻率為16mhz，pwm采用8位精度，此時的pwm頻率為16mttz255=627khz。pwm

7、的a、b通道初始化采用相同的工作方式，零輸入時，adc采樣電壓為電源電壓的一半，此時得到ocr1a和ocr1b的值都為128，a、b同相輸出。而當有信號輸人時，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。由于實現(xiàn)了互補對稱放大，此時信號強度將為單個的兩倍。3功率放大由6只常用的三極管組成同相驅(qū)動方式實現(xiàn)數(shù)字功放功能，從而進一步降低了靜態(tài)功耗，提高了效率。這種做法的好處就是：只有當pb1和pb2兩引腳的電平不相同時，才會引起兩只對管(vt3和vt6或vt4和vt5)的導通，相反，當電平相同時，兩只對管不導通，電流

8、幾乎為零。4濾波由于m8l內(nèi)部結(jié)構的原因，應在adc采樣前進行低通濾波，這里采用的是rc低通濾波器，由r6和c6組成。另外，最好在aref引腳與負極之間并接一個阻值較大的電容，用來濾除雜波。三、軟件設計及制作1軟件設計本系統(tǒng)軟件由ad中斷服務程序、pwm程序、按鍵操作程序組成。程序流程框圖如圖3所示。2制作與調(diào)試 筆者制作的數(shù)字功放板如圖4所示。從電路板上可以看出，筆者先將單片機和運放做在了兩塊獨立的板子上，然后拼合在一起。這樣做的好處就是：可以先測試運放工作是否正常。在這里，r3和r4的選擇很關鍵，阻值必須相等，這樣才會在輸出端得到以25v為軸線的輸出波形，也是整個電路的設計關鍵。如果手頭上

9、有示波器，分析波形再好不過了。本人使用的音源是電腦輸出的，幅度較小，因此對其進行了放大，放大倍數(shù)為av=1+r2r1=66倍。讀者可以根據(jù)情況，適當改變。 atmega8l后綴為l，屬于低功耗、寬電壓、低速的型號，無后綴的為高速型。通常市售的多為atmega8l。許多資料都稱atmega8l最大時鐘為8mhz，實際上，經(jīng)筆者測試，16mhz時，也能正常工作。如果用高于16mhz晶振，此時m8l將以低于16mhz的某個頻率工作。為了安全起見，如果你的串行下載線性能不是很好，最好不要外掛16mhz的晶振去寫程序，否則，將會導致串行編程失敗。筆者使用的下載界面見圖5，下載線制作方便，usb供電。改寫

10、時應先將熔絲位的低8位的cksel3-0全置為1，然后點擊寫入即可，如圖5所示。為了單片機工作的穩(wěn)定性，要在復位腳加-10k的上拉電阻。程序較為簡單，寫好程序后，方可通電測試。先斷開功率放大部分，在單片機的pb1和pb2腳上接上小功率的揚聲器，小于1w即可。測試時外部音源音量應調(diào)節(jié)適中，否則會產(chǎn)生噪聲。讀者也可用示波器觀察其波形。調(diào)節(jié)音量大小，如果能聽到正常的聲音，說明已成功。如果噪聲較大，可能是音量較大，或者是運放的增益太大，可適當減小增益。如果沒有輸出任何聲音，說明pwm沒有產(chǎn)生，應檢查一下程序，pwm的控制字是否設置正確，ad轉(zhuǎn)換是否打開。測試功率放大部分最好的辦法就是用隨聲聽里面的3v直流電機。先去掉輸出電容c7， 直接接上電機，用+5v供電。用手捏其中一輸入端，觀察電機的轉(zhuǎn)向，再用手捏另一輸入端，觀察電機的轉(zhuǎn)向。如果兩次轉(zhuǎn)向正好相反，說明工作正常。如果沒有或只有一路工作，應檢測對管是否損壞。 電源分為兩個部分，m8l和lm358采用+5v供電，功率放大部分電源vcc除了可以共用電源外，還可以使用高于+5v的獨立電源，這樣可以進一步提高輸出功率。sb為播放和停止開關。通過筆者測試，共用電源時，電流隨著音樂的節(jié)奏而變化，在音