數(shù)字功放的原理與制作

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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(hào)進(jìn)行功率放大。數(shù)字信號(hào)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(hào)。由于數(shù)字信號(hào)只有高低電平之分，因此，當(dāng)用功放管對(duì)其進(jìn)行放大時(shí)，功放管完全可以工作在開關(guān)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(shí)現(xiàn)數(shù)字功放，必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(hào)是以一個(gè)固定頻率為基礎(chǔ)的，為了產(chǎn)生不同的模擬電平，可以通過改變

2、這個(gè)脈沖串的占空比實(shí)現(xiàn)。要輸出高的模擬電平，就增大占空比，反之減小。這樣，通過PWM就將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將PWM信號(hào)通過功放管進(jìn)行進(jìn)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(huì)產(chǎn)生75％電源電平。模擬濾波器可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的無源的RC濾波器。濾波器濾除頻率比較高的PWM信號(hào)，留下模擬信號(hào)。在用作數(shù)字功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器時(shí)，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?yàn)閾P(yáng)聲器就像個(gè)低通濾波器，它對(duì)高頻的PWM信號(hào)是不會(huì)響應(yīng)的。通常揚(yáng)聲器的響應(yīng)頻率范圍為20Hz～20

3、kHz，遠(yuǎn)小于PWM信號(hào)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(gè)部分，包括前置放大、A／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(hào)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+R2／R1。R3、R4和R5組成分壓電路，當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，同向輸入端的電壓為2．5V，經(jīng)過C4、R2和R1組成的交流負(fù)反饋電路，輸出端電壓仍為2．5V。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，同向輸入端的電壓隨著音頻信號(hào)的變化而變化，經(jīng)過C4、R2和R1組成的交流負(fù)反饋電路，輸出電壓Vout=Vi

4、n*Av。輸出信號(hào)將以2．5V為軸，上下變動(dòng)。由于工作電壓為+5V，為了保證波形不失真，輸入信號(hào)的峰值應(yīng)小于2．5V／Av。LM358為單電源雙運(yùn)放，增益頻帶寬為1MHz，也可雙單源工作。LM358的引腳圖如圖2所示。2．A／D與PWM轉(zhuǎn)換這是電路的重要組成部分，由單片機(jī)M8L完成。M8L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。片中的2個(gè)PWM通道可實(shí)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。

5、M8L內(nèi)部A／D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(gè)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2．56V的參考電壓連接到AREF引腳。在AREF上外加電容可以對(duì)片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦以提高噪聲抑制性能。筆者采用的是8倍時(shí)鐘分頻，工作在連續(xù)A／D轉(zhuǎn)換模式，每次A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間需要13個(gè)ADC時(shí)鐘，此時(shí)的A／D轉(zhuǎn)換速率為16MHz／8／13=153．8kHz。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

6、為OCR1A的補(bǔ)碼，即255-OCRlA?？焖貾WM模式可用來產(chǎn)生高頻的PWM波形?？焖貾WM模式與其他PWM模式的不同之處是其單邊斜坡工作方式。計(jì)數(shù)器從BOTTOM計(jì)到TOP，然后立即回到BOTTOM重新開始。對(duì)于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳OC1x在TCNT1與OCR1x匹配時(shí)置位，在TOP時(shí)清零；對(duì)于反向比較輸出模式，OCRlx的動(dòng)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(yīng)用。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理

7、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(shí)的，因而避免了由于兩路延時(shí)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(shí)的PWM頻率為16Mttz／255=62．7kHz。PWM的A、B通道初始化采用相同的工作方式，零輸入時(shí)，ADC采樣電壓為電源電壓的一半，此時(shí)得到OCR1A和OCR1B的值都為128，A、B同相輸出。而當(dāng)有信號(hào)輸人時(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

8、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。由于實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)對(duì)稱放大，此時(shí)信號(hào)強(qiáng)度將為單個(gè)的兩倍