用STC單片機(jī)制作D類功放

1、用STC單片機(jī)制作D類功放眾所周知在各類功放屮以其極高的效率著稱，因此更符合綠色革命的潮流，也因此越來越引起各方面的重視。筆者在參考了相關(guān)資料后決定嘗試用一單片機(jī)和功率三極管來DIY一簡(jiǎn)單有趣的D類功放。因?yàn)檫@個(gè)DIY既有模擬電路方面的知識(shí)，也有數(shù)字電路方面的 知識(shí)，特別是PCB出圖時(shí)AD采樣屮地的處理、雙聲道采樣最佳時(shí)序處理和PWM輸出對(duì)筆者來說是 種鍛煉和提高。是放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號(hào)輸入時(shí)放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時(shí)，靠輸入0或1的信號(hào)讓晶體管進(jìn)入飽和或截至狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通或截止。 理想晶體管因?yàn)闆]有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶

2、體管總會(huì)有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號(hào)輸岀的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場(chǎng)合。在理想情況下，的效率為100%圖1.是筆者DIY的D類功放的方案，可分為三個(gè)部分：”音頻輸入第一部分為AD轉(zhuǎn)換，是利用單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比隨模擬信號(hào)電壓變化而變化的PWMt號(hào)。這里選用價(jià)格低廉的深圳宏晶科技的STC12C5202AD單片機(jī)。該單片機(jī)運(yùn)行速度是普通8051單片機(jī)的數(shù)倍，并且可以使用高達(dá)40MHz的外部晶振。AD采樣速率可達(dá)250kHzo同使用運(yùn)放+三角波形做基準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生PWM勺方法比較，該 方案更容 易產(chǎn)生形狀、頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的PW

3、M波形。由于一般音源的輸出信號(hào)較為微弱，在AD采樣前要加預(yù)放（筆者在第一版中沒有設(shè)計(jì)預(yù)放引起輸出功率偏低）；并且為適應(yīng)單片機(jī)正5伏的工作模式，需要在模擬信號(hào)上疊加正2.5V直流 電壓。若音頻輸入信號(hào)為零、直流偏置為單片機(jī)AD采樣基準(zhǔn)電壓的1/2,則單片機(jī)輸岀的方波高低電平持續(xù)的時(shí)間一樣，輸出就是一個(gè)占空比為1： 1的方波。當(dāng)有音頻信號(hào)輸入時(shí)，正半周期間，單片機(jī)輸出方波高電平的時(shí)間比低電平長(zhǎng)，方波的占空比大于1 ：1;負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以單片機(jī)采樣腳的電平還是大于零，方波占空比小于1： lo 這樣，單片機(jī)輸岀的波形就是一個(gè)脈沖寬度被音頻信號(hào)幅度調(diào)制后的波形，稱為PWMPulse W

4、idth Modulation 脈寬調(diào)制）。順便提下 PWM 和 PDM Pulse Duration Modulation 脈沖持續(xù)時(shí) 間調(diào)制）還是有區(qū)別的，PDM是高電平寬度固定低電平寬度隨調(diào)制信號(hào)而變化的方波，即單位時(shí)間內(nèi)“標(biāo)準(zhǔn)脈沖”個(gè)數(shù)可以被信號(hào)調(diào)制。它的好處是高頻能量分布在更廣的頻率范圍內(nèi)，而不是像PWM由于載頻固定，高頻能量集中在載頻倍頻的音調(diào)中。AD轉(zhuǎn)換和PW駅序如下：方法1 :在主程序中左右聲道PWI開始的同時(shí)進(jìn)行左右聲道 屮 AD采樣，在AD采樣子程序 次米樣左右聲道完成后等待一段時(shí)間再刷新左右聲道比較寄PWMPWM的CCAPL0CCAPL1存器，作為下一次PWM勺數(shù)據(jù)。這樣

5、做的好處是在PWM進(jìn)行中可以同時(shí)AD轉(zhuǎn)換，充分利用了 CPU時(shí)間，但AD采樣時(shí)可能會(huì)引入PWM噪聲，并且不能準(zhǔn)確控制刷新比較寄存器的時(shí)間。如圖2.FTO吋間左聲道采樣右聲道采樣圖2. PWM和AD時(shí)間軸方法2 :方法1屮使能PWM中斷，在中斷中刷新左右聲道PWMOPWM的CCAPLO CCAPL1比較寄存器。方法3：在主程序屮開啟左右聲道PWM并且使能PWM屮斷，進(jìn)入無限循環(huán)。在屮斷屮AD采樣，然 后刷新PWM匕較寄存器。缺點(diǎn)：PW號(hào)成后才進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，采樣頻率變低。反復(fù)比較后筆者選用了方法2,部分程序如下：主程序：void main (void)In it_System();CR=1;/ 開

6、始 PWMwhile (1)DAO ；DA() ;DA() ;DA() ;DA() ;DA() ;DA() ;DA() ;DA() ;DA();WDT_C0NTR=0x3C; / 喂狗AD采樣子程序：void AD (void) / 方法 2ADC_CONTR=OxEC;/選擇通道pl. 4并開始轉(zhuǎn)換。_nop_ () ; _nop_ () ; _nop_ () ; _nop_ () ; _nop_ ();while (ADC_CONTR! =0xF4) ;/ 等待 AD 轉(zhuǎn)換完成ADC_CONTR二0xE4;AD_result_LEFT= (OxFF-ADC_DATA) ; /STC12C5

7、202AD 單片機(jī) PWM 默認(rèn) /比較值 CCA PLOb 于待 時(shí)輸出/低電平，且此模式不像MEG療類單片機(jī)那樣可以設(shè)置。/PWM和采樣 這里為了 值一致，需與OxFF做差值。/采樣右聲道8.4us/ADC_CONTR二OxEE; /選擇通道pl. 6并開始轉(zhuǎn)換。_nop_ () ;_nop_() ;_nop_() ;_nop_() ;_nop_();while (ADC_CONTR! =0xF6) ;/ 等待 AD 轉(zhuǎn)換完成ADC_CONTR二0xE6;AD_result_RIGHT=(OxFF-ADC_DATA);PWM屮斷子程序：void PCA_int(void) interrup

8、t 7/2/3CF二0;/清空溢出標(biāo)志CCAPOH=AD_result丄EFT;/PWMO/刷新比較寄存器的數(shù)據(jù)CCAPlH=AD_result_RIGHT;/PWM1第二部分就是，這是一個(gè)脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較PwMt號(hào)變成器輸出的高電壓、大電流的大功率PWMI號(hào)。能夠輸出的最大功率由負(fù)電源電壓和晶體管允許流載、過的電流來決定。這部分電路筆者為圖給單片機(jī)供電方便，采用單電源供電，曾嘗試用OTL功放電路不加自舉電路，工作時(shí)輸岀耦合電容前端電壓約為2. 5V ,表現(xiàn)為輸出功率和效率很低。這是由于單片機(jī)輸出的0-5V的PWM脈沖信號(hào)不能使PN型的這只管子完全導(dǎo)通所致（輸岀耦合電容前端電

9、壓 會(huì)抬高，正常工作時(shí)這點(diǎn)電壓約為1/2供電電壓）。如下圖3.圖3.錯(cuò)誤的功放電路但是經(jīng)典的OTL電路分立元件較多多，焊接組裝后印制板難看，調(diào)試也不方便。筆者采用了將單片 機(jī)輸出的PWM經(jīng)過運(yùn)放TL082組成的2.5V比較電路，當(dāng)高于2. 5V時(shí)輸出+12V電壓，低于2. 5V時(shí)輸出- 12V電壓，以此驅(qū)動(dòng)后級(jí)由IRF7389組成的功放電路。如圖4.1>JClflI?13 EEYUP TF EOWR?UTLELTHTS?irsAILTL眥M_J嚀<-12V0cU32DB3HDL0如MEIDOwJCFtOOwF圖4改進(jìn)的功放電路第三部分需把大功率PWM波形屮的聲音信息還原出來。方法很簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)低通濾波器。但由于此時(shí)電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會(huì)耗能，不能采用，必須使用 LC低 通濾波器。當(dāng)占空比大于1:1的脈沖到來時(shí)，C的充電時(shí)間大于放電時(shí)間，輸岀電平上升；窄脈沖到 來時(shí)，放電時(shí)間大于充電時(shí)間，輸出電平下降，正好與原音頻信號(hào)的幅度變化相一致，所以原音頻信 號(hào)被恢復(fù)出來，見圖5oPWM僮號(hào)低通濾波器與音質(zhì)有很大關(guān)系，該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。好在D類功放的輸出阻抗小對(duì)音響的阻抗比如4歐姆，8歐姆不是很敏感。由于PWM頻率足夠高，筆者只設(shè)計(jì)了一個(gè)電感和一個(gè)電容的低通濾波器。本文實(shí)際上是筆者實(shí)踐的過程記錄，論述并不嚴(yán)謹(jǐn)而且有很多方面需要改