用STC单片机制作D类功放.doc

用STC单片机制作D类功放众所周知在各类功放中以其极高的效率著称，因此更符合绿色革命的潮流，也因此越来越引起各方面的重视。笔者在参考了相关资料后决定尝试用一单片机和功率三极管来DIY一简单有趣的D类功放。因为这个DIY既有模拟电路方面的知识，也有数字电路方面的知识，特别是PCB出图时AD采样中地的处理、双声道采样最佳时序处理和PWM输出对笔者来说是种锻炼和提高。是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入0或1的信号让晶体管进入饱和或截至状态，晶体管相当于一个开关，把电源与负载直接接通或截止。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，的效率为100%。图1.是笔者DIY的D类功放的方案，可分为三个部分：图.原理框图第一部分为AD转换，是利用单片机的AD转换功能将输入的模拟信号转换为占空比随模拟信号电压变化而变化的PWM信号。这里选用价格低廉的深圳宏晶科技的STC12C5202AD单片机。该单片机运行速度是普通8051单片机的数倍，并且可以使用高达40MHz的外部晶振。AD采样速率可达250kHz。同使用运放+三角波形做基准信号源产生PWM的方法比较，该方案更容易产生形状、频率稳定准确的PWM波形。由于一般音源的输出信号较为微弱，在AD采样前要加预放（笔者在第一版中没有设计预放引起输出功率偏低）；并且为适应单片机正5伏的工作模式，需要在模拟信号上叠加正2.5V直流电压。若音频输入信号为零、直流偏置为单片机AD采样基准电压的1/2，则单片机输出的方波高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，单片机输出方波高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以单片机采样脚的电平还是大于零，方波占空比小于1：1。这样，单片机输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）。顺便提下PWM和PDM（Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）还是有区别的，PDM是高电平宽度固定低电平宽度随调制信号而变化的方波，即单位时间内“标准脉冲”个数可以被信号调制。它的好处是高频能量分布在更广的频率范围内，而不是像PWM由于载频固定，高频能量集中在载频倍频的音调中。AD转换和PWM程序如下：方法1：在主程序中左右声道PWM开始的同时进行左右声道AD采样，在AD采样子程序中一次采样左右声道完成后等待一段时间再刷新左右声道PWM0、PWM1的CCAPL0、CCAPL1比较寄存器，作为下一次PWM的数据。这样做的好处是在PWM进行中可以同时AD转换，充分利用了CPU时间，但AD采样时可能会引入PWM噪声，并且不能准确控制刷新PWM比较寄存器的时间。如图2. 图2. PWM和AD时间轴方法2：方法1中使能PWM中断，在中断中刷新左右声道PWM0、PWM1的CCAPL0、CCAPL1比较寄存器。方法3：在主程序中开启左右声道PWM，并且使能PWM中断，进入无限循环。在中断中AD采样，然后刷新PWM比较寄存器。缺点：PWM完成后才进行AD转换，采样频率变低。反复比较后笔者选用了方法2，部分程序如下：主程序：void main (void)Init_System();CR=1;/开始PWMwhile(1)DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();DA();WDT_CONTR=0x3C;/喂狗AD采样子程序：void AD(void)/方法2/-采样左声道8.4us-/ADC_CONTR=0xEC;/ 选择通道p1.4并开始转换。_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(ADC_CONTR!=0xF4);/等待AD转换完成ADC_CONTR=0xE4;AD_result_LEFT=(0xFF-ADC_DATA);/STC12C5202AD单片机PWM默认CCAPLO小于待/比较值时输出/低电平，且此模式不像MEGA系类单片机那样可以设置。这里为了/PWM和采样值一致，需与0xFF做差值。/-采样右声道 8.4us -/ADC_CONTR=0xEE; / 选择通道p1.6并开始转换。_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(ADC_CONTR!=0xF6);/等待AD转换完成ADC_CONTR=0xE6;AD_result_RIGHT=(0xFF-ADC_DATA);PWM中断子程序：void PCA_int(void) interrupt 7/2/3CF=0;/清空溢出标志CCAP0H=AD_result_LEFT;/PWM0/刷新比较寄存器的数据CCAP1H=AD_result_RIGHT;/PWM1第二部分就是，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。这部分电路笔者为图给单片机供电方便，采用单电源供电，曾尝试用OTL功放电路不加自举电路，工作时输出耦合电容前端电压约为2.5V，表现为输出功率和效率很低。这是由于单片机输出的0-5V的PWM脉冲信号不能使NPN型的这只管子完全导通所致（输出耦合电容前端电压会抬高，正常工作时这点电压约为1/2供电电压）。如下图3.图3.错误的功放电路但是经典的OTL电路分立元件较多多，焊接组装后印制板难看，调试也不方便。笔者采用了将单片机输出的PWM经过运放TL082组成的2.5V比较电路，当高于2.5V时输出+12V电压，低于2.5V时输出-12V电压，以此驱动后级由IRF7389组成的功放电路。如图4.图4.改进的功放电路第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间大于充电时间，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来，见图5。图5.恢复音频信号低通滤波器与音质有很大关系，该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。好在D类功放的输出阻抗小对音响的阻抗比如4欧姆，8欧姆不是很敏感。由于PWM频率足够高，笔者只设计了一个电感和一个电容的低通滤波器。本文实际上是笔者实践的过程记录，论述并不严谨而且有很多方面需要改进，比如程序设计、供电电压（正负供电）、功放电路（可以用两片单片机分别制作左右声道，采用H桥功放电路）、输出滤波电路等等，有兴趣的朋友可以按自己的想法改进设计，还可以增加诸如红外遥控音量调节功能等。总电路图在附件中。浙江省杭州市文一西路西斗门工业园区16号楼A栋浙江省广电科技股份有限公司 黄松正2009-7-5