数字功放的原理制作.doc

数字功放的原理与制作一、数字功放原理解析 数字功放，顾名思义就是将数字信号进行功率放大。数字信号通常用0来代表低电平，1代表高电平，从而组成一连串的方波信号。由于数字信号只有高低电平之分，因此，当用功放管对其进行放大时，功放管完全可以工作在开关状态，而不是放大状态，这样就大大减小了管子静态功耗，提高了效率。 为了实现数字功放，必须将模拟信号转化为数字信号，在这里通过M8L内部自带的十位模数转换器转换即可，然后用M8L的OCR1A和OCR1B引脚产生占空可变的脉冲串，即PWM。PWM信号是以一个固定频率为基础的，为了产生不同的模拟电平，可以通过改变这个脉冲串的占空比实现。要输出高的模拟电平，就增大占空比，反之减小。这样，通过PWM就将模拟信号转换为数字信号。将PWM信号通过功放管进行进一步放大，再通过低通滤波器就可以产生模拟电平了。50％的占空比输出电源电平的一半，75％的占空比会产生75％电源电平。模拟滤波器可以是一个简单的无源的RC滤波器。滤波器滤除频率比较高的PWM信号，留下模拟信号。在用作数字功放驱动扬声器时，如果不是为了特殊的需要，为了最大限度地提高输出功率，可以不用低通滤波器滤波，因为扬声器就像个低通滤波器，它对高频的PWM信号是不会响应的。通常扬声器的响应频率范围为20Hz～20kHz，远小于PWM信号的频率。 二、电路工作原理 电路原理图如图1所示，电路分为四个部分，包括前置放大、A／D与PWM转换、功率放大及滤波等。 1．前置放大电路 LM358组成同向放大电路，音频信号从LM358同向输人端输入，放大增益由R2和R1的阻值大小决定，电压放大倍数：Av=l+R2／R1。R3、R4和R5组成分压电路，当没有信号输入时，同向输入端的电压为2．5V，经过C4、R2和R1组成的交流负反馈电路，输出端电压仍为2．5V。当有信号输入时，同向输入端的电压随着音频信号的变化而变化，经过C4、R2和R1组成的交流负反馈电路，输出电压Vout=Vin*Av。输出信号将以2．5V为轴，上下变动。由于工作电压为+5V，为了保证波形不失真，输入信号的峰值应小于2．5V／Av。LM358为单电源双运放，增益频带宽为1MHz，也可双单源工作。LM358的引脚图如图2所示。 2．A／D与PWM转换 这是电路的重要组成部分，由单片机M8L完成。M8L功能齐全、接口丰富。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个PWM通道可实现任意小于16位相位和频率可调的脉宽调制输出。M8L的PWM有3种工作模式：快速PWM模式、相位可调PWM模式和相位频率可调PWM模式。本电路采用的是快速PWM模式。M8L内部A／D转换是通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。通过写ADMUX寄存器也可以把AVCC或内部2．56V的参考电压连接到AREF引脚。在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。笔者采用的是8倍时钟分频，工作在连续A／D转换模式，每次A／D转换时间需要13个ADC时钟，此时的A／D转换速率为16MHz／8／13=153．8kHz。为了提高ADC的抗干扰能力，ADC使用10位精度采样，然后将得到的值除以4作为OCR1A的值，OCR1B则为OCR1A的补码，即255-OCRlA。 快速PWM模式可用来产生高频的PWM波形。快速PWM模式与其他PWM模式的不同之处是其单边斜坡工作方式。计数器从BOTTOM计到TOP，然后立即回到BOTTOM重新开始。对于普通的比较输出模式，输出比较引脚OC1x在TCNT1与OCR1x匹配时置位，在TOP时清零；对于反向比较输出模式，OCRlx的动作正好相反。由于使用了单边斜坡模式，快速PWM模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高频操作特性使得快速PWM模式十分适合于功率调节，整流和DAC应用。高频可以减小外部元器件(电感，电容)的物理尺寸，从而降低系统成本。寄存器配置如下：(COMlA1：COM1A0=1：0)／(COM1B1：COMlB0=1：0)。从两路PWM的产生过程来看，两路的变化是同时的，因而避免了由于两路延时不同所引起的额外损耗。M8L最高工作频率为16MHz，PWM采用8位精度，此时的PWM频率为16Mttz／255=62．7kHz。 PWM的A、B通道初始化采用相同的工作方式，零输入时，ADC采样电压为电源电压的一半，此时得到OCR1A和OCR1B的值都为128，A、B同相输出。而当有信号输人时，A通道的脉宽增加，此时由于B通道的比较值与A通道互补，所以B通道脉宽减少；当有负信号输入时，A通道的脉宽减少，B通道的脉宽增加。由于实现了互补对称放大，