基于Atmega8的数字功放设计

摘要：Mega8是一款高性能、低功耗，采用先进RISC精简指令，内置PWM和A／D的8位单片机，用它设计数字功放不仅成本低、硬件简单，而且易实现各种扩展功能。文中介绍了如何利用ＡＶＲ系列单片机mega8及新型VMOS管IRF7389来设计高效数字功放的方法，同时给出了相应的电路原理图、程序流程和测试结果。 关键词：mega8；数字功放；PWM；AD8605；IRF7389 １　引言 数字功放由于其效率高、易与数字音源对接等优点而在现实生活中具有越来越广泛的应用。它主要包含两部分，图１为数字功放的基本框图。其中ＰＷＭ变换大致有两种，一是模拟ＰＷＭ，即将输入的模拟信号或数字信号经Ｄ／Ａ后与三角波进行比较，这种变换必须要有频率上百ｋＨｚ、线性度好、满幅的三角波，而且还要有高速模拟比较器，否则将影响ＰＷＭ波形在解调后的波形，这些都将增加成本和设计复杂度（使用集成Ｄ类功放或Ｄ类控制芯片另当别论）。二是数字式ＰＷＭ，即将输入数字信号或模拟信号经Ａ／Ｄ后与计数器相比较，即用计数的方法代替三角波，从而避免了三角波非线性所引起的失真。同传统的模拟方式相比，数字方式具有设计简单，效率更高，抗干扰性更强等优点。而Ａｔｍｅｇａ８单片机中的定时器１可以工作在ＰＷＭ模式，它只要将其ＡＤ中的值移到ＰＷＭ的输出比较寄存器中即可完成ＰＷＭ调制，实现起来相当简便。 为了提高输出功率，大多数Ｄ类功放都以ＢＴＬ方式来驱动。 而无论是模拟式还是数字式ＰＷＭ，ＢＴＬ两路输出信号的选择也都有两种方案，即同相驱动和反相驱动。前者在零信号时，其两路信号的叠加效果几乎为零，而后者在零信号时，叠加在滤波器上的电压会变大，当然可以通过修改滤波器参数来降低其在负载上的压降，但这样会增加系统功耗，而且不便于整体实现。因此，本文选用数字式ＰＷＭ，并采取同相驱动方式实现数字功放功能，从而进一步降低了静态功耗，提高了效率。 ２　硬件设计 该设计的硬件电路分为三部分，包括前置放大、Ａ／Ｄ与ＰＷＭ转换、功率放大及滤波等，其硬件电路原理如图２所示。本系统的ＰＷＭ频率至少要调制到信号最高频率（２０ｋＨｚ）的５倍以上，才能保证音频信号很好的还原。若工作频率为１６ＭＨｚ，则ＰＷＭ的计数最大值（以下简称ＴＯＰ）将为： ｆＣＬＫ－Ｉ／Ｏ／ｆｐｗｍ＝１６ＭＨｚ／１００ｋＨｚ＝１６０。此外，Ａ／Ｄ的采样值（最大２５５）也必须除以一定的数值才能作为ＰＷＭ输出比较寄存器（以下简称ＯＣＲ１Ａ／ＯＣＲ１Ｂ）的值，这显然会降低ＡＤ的等效精度。而要保证ＡＤ原有的精度和ＰＷＭ频率，则应提高晶振。经测试：ｍｅｇａ８在３２ＭＨｚ下还可正常工作，此时ＡＤ采样值可直接作为ＯＣＲ１Ａ／ＯＣＲ１Ｂ值，此时的ＰＷＭ频率为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、低噪声、单电源、轨对轨输入输出放大器ＡＤ８６０５和数字电位器组成。ＡＤ８６０５的静态电流只有０．９ｍＡ（５Ｖ），电源范围为２．７Ｖ～５．５Ｖ，带宽为１０ＭＨｚ。数字电位器采用的Ｘ９Ｃ１０２有１００个台阶，大小为１ｋΩ最小可达４０Ω，它和ＡＤ８６０５可组成同相放大器。图２中的Ｒ２选为１ｋΩ，放大倍数可在２到２５０之间调整。 ２．２ Ａ／Ｄ及ＰＷＭ部分 本设计中的Ａ／Ｄ和ＰＷＭ都是通过ｍｅｇａ８来完成的。在ＡＶＲ家族中，Ａｔｍｅｇａ８是一个非常特殊的单片机，它内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路，具有ＡＶＲ高档单片机ＭＥＧＡ系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装（ＤＩＰ ２８），所以其价格与低档单片机相当，因而性价比极高，而且有ＩＳＰ功能，下载极其方便。 图2 Ａｔｍｅｇａ８单片机功能齐全、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。而片中的３个ＰＷＭ通道可实现任意小于１６位，以及相位和频率可调的脉宽调制输出。此外，Ａｔｍｅｇａ８中的每个Ｉ／Ｏ引脚均采用推挽式驱动，因此不仅能提供大电流驱动，而且还可以吸收２０ｍＡ的电流。Ａｔｍｅｇａ８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。其中后两者都采用双程计数器，所以其ＰＷＭ频率只有快速模式的一半。本文选用第一种工作模式。该模式是利用定时器／计数器１来完成的，而且计数器为单程向上加１，从０ｘ００００一直加到ＴＯＰ，在下一计数脉冲到来时清零，然后再从０ｘ００００开始加１计数。在设置正向比较匹配输出时，当计数值与ＯＣＲ１Ａ／ＯＣＲ１Ｂ的值相同时，对输出比较匹配位（以下简称ＯＣ１Ａ／ＯＣ１Ｂ）进行置位操作当计数器的值从ＴＯＰ返回０ｘ００时则清零ＯＣ１Ａ／ＯＣ１Ｂ。而在设置反向比较输出时，其输出正好与同向比较时相反。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。 ２．３ 功率放大部分 功率放大部分采用两片ＩＲＦ７３８９，每一片中内置一对ＶＭＯＳ管，Ｎ沟道和Ｐ沟道的导通电阻分别为４６、９８ｍΩＶＧＳ＝４．５Ｖ时，最大输出功率为３０Ｗ。此外，ＩＲＦ７３８９还内置高速恢复二极管，能降低谐波失真。图２中的Ｃ１７ 、Ｃ１６是加速电容，可用来改善激励波形，以使ＶＭＯＳ管迅速由截止转换为导通，或由导通迅速转为截止，以达到减少死区时间，改善输出波形之目的。图２中的 Ｒ７、Ｒ８主要起保护作用。 ３　软件设计及系统实验 本系统软件由ＡＤ中断服务程序、定时中断服务程序、ＰＷＭ程序、按键中断服务程序组成。 系统上电后， ＡＤ中断程序、时钟中断程序、 ＰＷＭ程序首先进行初始化，然后在程序运行初始阶段进行音量的ＡＧＣ控制。考虑到人耳对接收声音强度的对数关系，放大器的增益从２倍到２０倍间设计成对数增加方式，而无须手动调整放大倍数，从而使输出能保证在一定范围内，以使放大器工作在线性区。具体过程见图３所示。在播放过程中，可以通过按键调用中断子程序来调节音量。 Ａｔｍｅｇａ８的ＡＤ转换在转换精度要求低于 １０位时，ＡＤＣ的采样时钟可以高于２００ｋＨｚ，因而可获得更高的采样率。另外设置ＳＦＩＯＲ寄存器中的ＡＤＨＳＭ 位可提高ＡＤＣ的时钟频率。本系统采用ＡＤＣ内部参考电源和连续转换模式，并选用ＡＤＣ４通道（精度为８位），实验测得的转换速度可达４０ｋＨｚ。 ＰＷＭ的Ａ、Ｂ通道初始化采用相同的工作方式，零输入时，Ａ、Ｂ同相输出。而当正信号输入时，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。 通过测试本系统在５Ｖ电源下，负载为８Ω时的最大输出不失真正弦波峰峰值为８．４Ｖ（即４．２%26;#215;２），输出功率为１．１Ｗ，１６ＭＨｚ时的电源电流为２７８ｍＡ，效率为８０％。而在３２ＭＨｚ时，ＡＤ的等效精度会提高，音质更好，但系统静态功耗电流将增加，然而，由于该损耗基本固定，因此用Ａｔｍｅｇａ８来设计数字功放更适合在较大功率的场合使用。此外，加大ＩＲＦ７３８９源极间电压可增大输出ＰＷＭ电平，从而增大输出功率，进一步提高效率。 ４　结束语 选用Ａｔｍｅｇａ８单片机设计功放非常简单，而且灵活性好，可扩展性强，通过调整程序还可满足不同需求。通过修改数字滤波程序即可改变功放频响，若再加一片存储器，即可实现录音、复读、设定播放时间和显示音量等。而这些功能仅仅通过集成Ｄ类功放是无法完成的。