【文章內容簡介】 6 位乘法指令執(zhí)行時間為。 AVR 單片機耗時為 MCS96 單片機的兩倍，卻只有 MCS51 單片機的 1/23），克服了瓶頸現(xiàn)象，增強了功能；又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結構，降低了成本。故 AVR 單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機；而且 AVR 單片機定格在 8 位機，沒必要做到像 16 位機那樣復雜。AVR 單片機具有多達 10 位的預分頻器，由軟件設定分頻系數(shù)，與 8/16 位定時器配合，可提供多種檔次的定時時間。使用時可選取最接近的時檔次，即選 8/16 位定時器/計數(shù)器與分頻系數(shù)的最優(yōu)組合，減少了定時誤差。AVR 單片機獨有的“以定時器/計數(shù)器雙向計數(shù)器形成三角波再輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變方波的設計方法（即脈寬調制輸出 PWM）”更令人耳目一新。AVR 單片機技術體現(xiàn)了單片機集多種器件（包括看門狗、FLASH 程序存儲器、EEPROM、同 /異步串行口、數(shù)模轉換器、定時器/計數(shù)器等）和多種功能（增強可靠性的復位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具有輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器 /計數(shù)器、具替換功能的 I/O 斷口等）于一身。一般單片機應用中的接口技術以及軟、硬件抗干擾設計技術，在 AVR 單片機應用設計中不再占據(jù)舉足輕重的地位。AVR 單片機具有多個系列，包括 ATtiny、AT90 、ATmega。每個系列又包括多個－ 6 －產品，它們在功能和存儲器容量等方面有很大的不同，但基本結構和原理都類似，而且編程方也相同。綜上所述，AVR 單片機博采眾長，又具獨特技術，不愧為 8 位機中的佼佼者。3 數(shù)字功率放大器系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)總體設計方案數(shù)字功放由于其效率高、易與數(shù)字音源對接等優(yōu)點而在現(xiàn)實生活中具有越來越廣泛的應用。它主要包含兩部分，PWM 變換和功率放大及濾波，圖 31 為數(shù)字功放的基本框圖。其中 PWM 變換大致有兩種，一是模擬 PWM，即將輸入的模擬信號或數(shù)字信號經 D/A 后與三角波進行比較，這種變換必須要有頻率上百 kHz、線性度好、滿幅的三角波，而且還要有高速模擬比較器，否則將影響 PWM 波形在解調后的波形，這些都將增加成本和設計復雜度（使用集成 D 類功放或 D 類控制芯片另當別論） 。二是數(shù)字式 PWM，即將輸入數(shù)字信號或模擬信號經 A/D 后與計數(shù)器相比較，即用計數(shù)的方法代替三角波，從而避免了三角波非線性所引起的失真。同傳統(tǒng)的模擬方式相比，數(shù)字方式具有設計簡單，效率更高，抗干擾性更強等優(yōu)點。而 Mega8 單片機中的定時器1 可以工作在 PWM 模式，它只要將其 AD 中的值移到 PWM 的輸出比較寄存器中即可完成 PWM 調制，實現(xiàn)起來相當簡便。模擬輸入數(shù)字輸入 圖 31 數(shù)字功放基本框圖為了提高輸出功率，大多數(shù) D 類功放都以 BTL 方式來驅動。而無論是模擬式還是數(shù)字式 PWM，BTL 兩路輸出信號的選擇也都有兩種方案，即同相驅動和反相驅動。前者在零信號時，其兩路信號的疊加效果幾乎為零，而后者在零信號時，疊加在濾波器上的電壓會變大，當然可以通過修改濾波器參數(shù)來降低其在負載上的壓降，但這樣會增加系統(tǒng)功耗，而且不便于整體實現(xiàn)。因此，本設計選用數(shù)字式 PWM，并采取同相驅動方式實現(xiàn)數(shù)字功放功能，從而進一步降低了靜態(tài)功耗，提高了效率。 系統(tǒng)設計的組成 硬件系統(tǒng)部分本設計的硬件電路分為三部分，包括前置放大、A/D 與 PWM 轉換、功率放大及濾波。其硬件電路原理圖如圖 32 所示。當系統(tǒng)的信號輸入接到信源，信號先經過放大器 AD8605 和數(shù)字電位器 X9C102 組成的放大電路，將傳輸過來的信號放大后，再傳輸?shù)絾纹瑱C進行 A/D 與 PWM 變換，最后由四個新型 VMOS 管 IRF7389 組成的 BTL電路實現(xiàn)整個電路的功率放大。PWM 變換 功率放大及濾波－ 7 － 圖 32 軟件系統(tǒng)部分軟件系統(tǒng)部分由 Mega8 單片機中的 AD 中斷服務程序、定時中斷服務程序、PWM程序、按鍵中斷服務程序組成，使得信號傳輸?shù)?Mega8 單片機后，通過程序運行同時輸出不失真的兩路 PWM 電平，保證了信源的完整性，同時不引起 額外的損耗。－ 8 －4 硬件系統(tǒng)的組成與功能分析 前置放大 AD8605 的功能介紹AD8605 是 ADI 公司生產的放大器，該放大器具有低失調電壓、低輸入電壓、低電流噪聲、低失真和寬帶寬等特性。這些特性使它們廣泛的應用于濾波、集成電路、光電二極管放大器、高阻抗傳感器和音頻電路中，同時具有以下特征：● 低失調電壓(最大為 65uV)；● 低輸入偏置電流(最大 1pA)；● 低噪聲( 8nV/Hz )；● 寬帶寬(10MHz)；● 單位增益穩(wěn)定；● 采用單電源，工作電壓范圍為 ～；● 高開環(huán)增益(120dB)。集成電路中的功耗會引起芯片升溫，從而影響電路和芯片的性能。AD8605 的最大連接溫度為 150℃，若超過此最大溫度將損壞芯片。AD8605 放大器的最大功耗可由下式計算：P=(TJTA)/ θJA ；其中，TJ 是連接溫度； TA 是周圍環(huán)境溫度；θJA 是與周圍環(huán)境溫度之間的結阻抗。由于 AD8605 的低失真和寬動態(tài)范圍使其十分適合音頻系統(tǒng)和數(shù)字處理系統(tǒng)，正是因為 AD8605 的性能特點，所以我選它來做畢業(yè)設計。 數(shù)字電位器 X9C102 的功能介紹X9C102 數(shù)控電位器是由計數(shù)器、非易失性存儲器、譯碼器、電阻陣列和控制電路組成。其基本原理是通過開關控制電阻網絡接點的連接方式來改變電值，內部有一個由 99 個相同的阻值為 1kΩ 電阻組成的電阻網絡，這些電阻的每兩個之間的連接點上均有一個 MOS 開關管作為開關，開關管導通時就把電位器的中間抽頭連接在該點上，滑動單元的位置由 CS、U/D 和 INC 共三個輸入端控制，數(shù)字控制部分的存儲器是一種非易失性存儲器，因此當電路掉電后再次上電時，數(shù)控電位器中仍保存著原有的控制數(shù)據(jù)，期中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍為上一次的調整結果。因此，數(shù)控電位器與機械電位器的使用效果完全相同。數(shù)控電位器 X9C102 具有以下特點：低功耗 CMOS 電路，電壓 3～5V ，觸發(fā)電流 1MA，靜態(tài)電流 500mA； 100 個電阻單元，有溫度補償，調整電壓5V～+5V 范圍； 100 個滑動抽頭點，滑動端的位置取決于三線接口，有類似于 TTL 電路的升/降器電－ 9 －路， 滑動端保存在非易失存儲器中，上電時被重新調用。電路引腳圖如圖 41 所示 圖41X9C102 數(shù)控電位器的輸入/輸出端功能介紹如下： INC：控制計數(shù)方向的輸入信號，該腳為高電平時，為加計數(shù)，該腳為低電平時為減計數(shù)；U/D：計數(shù)脈沖輸入，當 產生一下降沿時，滑臂位置移動一格，計數(shù)值改變一個單位；CS：片選信號輸入，低電平有效。當 由低電平恢復為高電平，且 處于高電平，計數(shù)值被存入非易失性存儲器中。 RH、RL ：電位器的兩個端點，其允許最高外接電壓為 5V，最低外接電壓為－5V；Vw：電位器中間抽頭。 前置放大部分的設計該部分設計主要是由 ADI 公司生產的低功耗、低噪聲、單電源、軌對軌輸入輸出放大器 AD8605 和數(shù)字電位器 X9C102。AD8605 的靜態(tài)電流只有 (5V)，電源范圍為 ～，帶寬為 10MHz。數(shù)字電位器采用的 X9C102 有 100 個臺階，大小為1kΩ,最小可達 40Ω，它和 AD8605 可組成同相放大器。正是因為 AD8605 和數(shù)字電位器 X9C102 具有以上所講述的功能優(yōu)點，所以我選擇它們做為本設計的前置放大部分，電路圖如圖 42 所示－ 10 － 圖 42 A/D 與 PWM 轉換本設計中的 A/D 和 PWM 是電路的重要組成部分，都是通過 Mega8 來完成的。在AVR 家族中，Mega8 是一個非常特殊的單片機，它內部集成了較大容量的存儲器和豐富的硬件接口電路，具有 AVR 高檔單片機 Mega 系列的全部性能和特點，但由于采用了小引腳封裝（DIP28），所以其價格與低檔單片機相當，因而性價比極高，而且有ISP 功能，下載極其方便。 Mega8 單片機功能齊全、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。而片中的 3 個 PWM 通道可實現(xiàn)任意小于 16 位，以及相位和頻率可調的脈寬調制輸出。此外，Mega8 中的每個 I/O 引腳均采用推挽式驅動，因此不僅能提供大電流驅動，而且還可以吸收 20mA 的電流。如圖 43－ 11 － 圖 43 A/D 轉換世界是模擬的，但我們有時需要數(shù)字信號處理，這時就需要將模擬信號轉換成數(shù)字信號，而通常我們運用 A/D 轉換正是將模擬信號轉換成數(shù)字信號 。模數(shù)轉換器，即 A/D 轉換器，或簡稱 ADC，通常是指一個將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數(shù)轉換器最重要的參數(shù)是轉換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。A/D 轉換的原理：A/D 變換是用一個數(shù)字量表示模擬量，因為數(shù)字量的取值是離散的，而模擬量的取值是連續(xù)的，所以這種表示只能是逼近，因而變換結果相對于原模擬信號是有失真的。AVR 系列單片機 Mega8 內部有 6 通道 A/D，包括 4 路 10 位 A/D 和 2 路 8 位A/D，而且保證了轉換的過程具有較高的質量，不會出現(xiàn)嚴重失真。 Mega8 內的 A/D轉換有兩種方式：簡易 A/D 轉換和逐步逼近式 A/D 轉換。簡易 A/D 轉換使用到了模擬轉換中斷，定時器 0 的溢出中斷，由于簡易 A/D 轉換方法的精確度較低，只適用于一－ 12 －般要求不高的場合。逐步逼近式 A/D 轉換是通過 Mega8 內包含的一個數(shù)/模轉換器DAC，它把 10 位逐步逼近寄存器 SAR 的內容轉換成內部電壓，去與模擬輸入電壓在采樣/保持比較器上進行比較。主要原理是，在采樣之后，轉換邏輯首先把逐步逼近寄存器 SAR 的最高位置成 1，其它位均清成 0，此值為 200，內部 10 位 DAC 于是將此值轉換成相應的模擬電壓，去與來自多路開關的輸入電壓進行比較，若外部輸入電壓高于或等于內部 DAC 轉換出的電壓值，則 SAR 中最高位的“1”保留，否則它將被清0。轉換邏輯下次把 SAR 的次高位置成 1，此值為 300 或 100，此值被轉換成模擬電壓后，將再次與外來模擬輸入電壓進行比較，若后者高于前者，則相應位的“1”值保留下來，否則即被清 0，此過程一直繼續(xù)到所有 10 位均被測試完為止。此時 SAR 寄存器值便是最終轉換結果。所以在本設計中我正是用 Mega8 內部的 A/D 轉換通過逐步逼近的方法將輸入的模擬電壓轉換成一個 10 位的數(shù)字量。 PWM 轉換PWM 是 Pulse Width Modulation 縮寫，中文意思就是脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。PWM 是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信