【正文】 、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長(zhǎng)通信距離。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF )的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。所以在本設(shè)計(jì)中我正是用 Mega8 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換通過(guò)逐步逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè) 10 位的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換邏輯下次把 SAR 的次高位置成 1，此值為 300 或 100，此值被轉(zhuǎn)換成模擬電壓后，將再次與外來(lái)模擬輸入電壓進(jìn)行比較，若后者高于前者，則相應(yīng)位的“1”值保留下來(lái)，否則即被清 0，此過(guò)程一直繼續(xù)到所有 10 位均被測(cè)試完為止。逐步逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換是通過(guò) Mega8 內(nèi)包含的一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC，它把 10 位逐步逼近寄存器 SAR 的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成內(nèi)部電壓，去與模擬輸入電壓在采樣/保持比較器上進(jìn)行比較。 Mega8 內(nèi)的 A/D轉(zhuǎn)換有兩種方式：簡(jiǎn)易 A/D 轉(zhuǎn)換和逐步逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換的原理：A/D 變換是用一個(gè)數(shù)字量表示模擬量，因?yàn)閿?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(jié)果相對(duì)于原模擬信號(hào)是有失真的。模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)的多少表示。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。如圖 43－ 11 － 圖 43 A/D 轉(zhuǎn)換世界是模擬的，但我們有時(shí)需要數(shù)字信號(hào)處理，這時(shí)就需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，而通常我們運(yùn)用 A/D 轉(zhuǎn)換正是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 。而片中的 3 個(gè) PWM 通道可實(shí)現(xiàn)任意小于 16 位，以及相位和頻率可調(diào)的脈寬調(diào)制輸出。 Mega8 單片機(jī)功能齊全、接口豐富。正是因?yàn)?AD8605 和數(shù)字電位器 X9C102 具有以上所講述的功能優(yōu)點(diǎn)，所以我選擇它們做為本設(shè)計(jì)的前置放大部分，電路圖如圖 42 所示－ 10 － 圖 42 A/D 與 PWM 轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)中的 A/D 和 PWM 是電路的重要組成部分，都是通過(guò) Mega8 來(lái)完成的。AD8605 的靜態(tài)電流只有 (5V)，電源范圍為 ～，帶寬為 10MHz。 RH、RL ：電位器的兩個(gè)端點(diǎn)，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。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(jì)數(shù)方向的輸入信號(hào)，該腳為高電平時(shí)，為加計(jì)數(shù)，該腳為低電平時(shí)為減計(jì)數(shù)；U/D：計(jì)數(shù)脈沖輸入，當(dāng) 產(chǎn)生一下降沿時(shí)，滑臂位置移動(dòng)一格，計(jì)數(shù)值改變一個(gè)單位；CS：片選信號(hào)輸入，低電平有效。100 個(gè)電阻單元，有溫度補(bǔ)償，調(diào)整電壓5V～+5V 范圍； 數(shù)控電位器 X9C102 具有以下特點(diǎn)：其基本原理是通過(guò)開關(guān)控制電阻網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的連接方式來(lái)改變電值，內(nèi)部有一個(gè)由 99 個(gè)相同的阻值為 1kΩ 電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，這些電阻的每?jī)蓚€(gè)之間的連接點(diǎn)上均有一個(gè) MOS 開關(guān)管作為開關(guān)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)就把電位器的中間抽頭連接在該點(diǎn)上，滑動(dòng)單元的位置由 CS、U/D 和 INC 共三個(gè)輸入端控制，數(shù)字控制部分的存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器，因此當(dāng)電路掉電后再次上電時(shí)，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(diǎn)之間的電阻值仍為上一次的調(diào)整結(jié)果。由于 AD8605 的低失真和寬動(dòng)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?yàn)?AD8605 的性能特點(diǎn)，所以我選它來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)。AD8605 的最大連接溫度為 150℃，若超過(guò)此最大溫度將損壞芯片。這些特性使它們廣泛的應(yīng)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(shí)具有以下特征：● 低失調(diào)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)。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(jī)中的 AD 中斷服務(wù)程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、PWM程序、按鍵中斷服務(wù)程序組成，使得信號(hào)傳輸?shù)?Mega8 單片機(jī)后，通過(guò)程序運(yùn)行同時(shí)輸出不失真的兩路 PWM 電平，保證了信源的完整性，同時(shí)不引起 額外的損耗。其硬件電路原理圖如圖 32 所示。因此，本設(shè)計(jì)選用數(shù)字式 PWM，并采取同相驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字功放功能，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)功耗，提高了效率。而無(wú)論是模擬式還是數(shù)字式 PWM，BTL 兩路輸出信號(hào)的選擇也都有兩種方案，即同相驅(qū)動(dòng)和反相驅(qū)動(dòng)。而 Mega8 單片機(jī)中的定時(shí)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(diào)制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)便。二是數(shù)字式 PWM，即將輸入數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)經(jīng) A/D 后與計(jì)數(shù)器相比較，即用計(jì)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。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。綜上所述，AVR 單片機(jī)博采眾長(zhǎng)，又具獨(dú)特技術(shù)，不愧為 8 位機(jī)中的佼佼者。AVR 單片機(jī)具有多個(gè)系列，包括 ATtiny、AT90 、ATmega。AVR 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件（包括看門狗、FLASH 程序存儲(chǔ)器、EEPROM、同 /異步串行口、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等）和多種功能（增強(qiáng)可靠性的復(fù)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器、具替換功能的 I/O 斷口等）于一身。使用時(shí)可選取最接近的時(shí)檔次，即選 8/16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器與分頻系數(shù)的最優(yōu)組合，減少了定時(shí)誤差。故 AVR 單片機(jī)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(jià)比的單片機(jī)；而且 AVR 單片機(jī)定格在 8 位機(jī)，沒必要做到像 16 位機(jī)那樣復(fù)雜。這樣，既提高了指令執(zhí)行速度（可在晶振采用 12MHz，對(duì)3 種單片機(jī)完成 16 位*16 位乘法運(yùn)算做如下比較：MCS51 單片機(jī)平均耗時(shí)313us， AVR 單片機(jī)耗時(shí)則降為 ，而 MCS96 單片機(jī) 16 位乘法指令執(zhí)行時(shí)間為。當(dāng)然這種速度上的生躍，是以高可靠性為其后盾的。由于 AVR 采用了 RESC 的這種結(jié)構(gòu)，使 AVR 系列單片機(jī)都具備了 1MIPS/MHz（百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。RISC 并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過(guò)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度的。AVR 單片機(jī)是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機(jī)?；仡檰纹瑱C(jī)發(fā)展史，我們看到，早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗－ 5 －高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。理想的功放是保真度高，同時(shí)效率也高，而本設(shè)計(jì)接下來(lái)要重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)的就是在 D 類功放的基礎(chǔ)上改善其 保真度，同時(shí)保證其效率高的數(shù)字功放系統(tǒng)。正因?yàn)?D 類功放具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)，所以它正成為音響研究的熱點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到最大額定功率時(shí)，D 類放大器的效率在 80％到 90％的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)換損耗如圖 21 所示： 圖 21當(dāng)開關(guān)式放大器輸出在接通和斷開之間切換，或斷開和接通之間切換時(shí)通過(guò)線性區(qū)域而消耗功率。對(duì)于一個(gè)數(shù)字 D 類功率放大器來(lái)說(shuō) PWM 信號(hào)是后級(jí)驅(qū)動(dòng)所必需的，在絕大多數(shù)數(shù)字 D 類功放中采用都是 BTL 的驅(qū)動(dòng)形式。D 類功放中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，又稱作數(shù)字功放，在理想情況下，功放管導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，因此沒有功率損耗；而截止時(shí)，內(nèi)阻無(wú)窮大，電流又為零，也沒有功率損耗。而且在正常的聽音過(guò)程中不可能使功放時(shí)時(shí)都有最大功率輸出，這樣在放音時(shí)它們的效率就更低了。這幾類模擬放大電路的共同特點(diǎn)是晶體管都工作在線性放大區(qū)域，它按照輸入音頻信號(hào)的大小控制輸出的大小，就像串在電源和輸出間的一個(gè)可變電阻，在控制輸出－ 4 －的同時(shí)自身也在消耗電能，因此，模擬功放不可避免的存在著效率低下的特點(diǎn)。交替失真會(huì)產(chǎn)生脈沖尖峰，它包含有許多高次諧波，從而產(chǎn)生瞬態(tài)互調(diào)失真。用晶體管制作的 AB 類放大器和 B 類放大器在工作狀態(tài)選擇不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生交越失真。理論上也可達(dá)到 ％的功率最大值，但實(shí)際上功率的最大值在 70％左右可能受到輸出級(jí)拓?fù)浜洼敵黾?jí)斜線的影響，在典型的聽音條件下（全功率的 30％左右） ，功放的效率為 35％左右?？梢缘窒即沃C波失真?？梢员苊饨辉绞д?。可以抵消偶次諧波失真。存在交越失真，交替失真較大。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有 25％，且有較大的非線性失真。瞬態(tài)失真和交替失真較小。A 類放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。1963 年，芬蘭 Helvar 工廠的一名工程師在制作一臺(tái)晶體管擴(kuò)音機(jī)時(shí)，由于接線失誤，使電路的負(fù)反饋量減少了，后來(lái)卻意外地發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋量減少后的音質(zhì)非常好，客觀技術(shù)指標(biāo)較差，而更正錯(cuò)誤以后的線路盡管技術(shù)指標(biāo)提高了，音質(zhì)反而比誤接時(shí)明顯下降，使得功放又取得進(jìn)一步的發(fā)展。早期的放大器幾乎全用鍺管來(lái)制作，但由于鍺管工藝上的一些原因，使得放大器中所用的晶體管，尤其是功放管性能指標(biāo)不易做得很高。 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)第一部分為功率放大器與 AVR 單片機(jī)的基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí)第二部分為功放系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)介紹第三部分為設(shè)計(jì)的各部分硬件電路模塊功能的介紹分析第四部分為設(shè)計(jì)的軟件框圖，主要介紹 Mega8 中 A/D 與 PWM 轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)第五部分為設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)以及存在的不足與改進(jìn)－ 3 －2 功率放大器與 AVR 單片機(jī)的基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí) 功率放大器 模擬功放半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使晶體管放大器向前邁進(jìn)了一大步。 本設(shè)計(jì)主要研究工作本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)字功放系統(tǒng)進(jìn)行探討和研究，并在設(shè)計(jì)中結(jié)合 AVR 系列單片機(jī) Mega8 中的 A/D 與 PWM 轉(zhuǎn)換等知識(shí)，以及運(yùn)用新型場(chǎng)效應(yīng)管方面的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)字功率放大器，使其能夠具備輸出功率大，不失真，效率高的特點(diǎn)。由于數(shù)字功放有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、功率大、與數(shù)字音源的無(wú)縫結(jié)合、能有效降低信號(hào)間傳遞干擾、實(shí)現(xiàn)高保真等。（5）適合于大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的一致性好，生產(chǎn)中無(wú)需調(diào)試，只保證元器件正確安裝即可。（4）效率高、可靠性高、體積小理論上 D 類功放的效率可達(dá) 100%，而 B 類放大器效率僅為 78%（理論值） ，A 類功放的效率就非常低。（2）瞬態(tài)相應(yīng)好，即“動(dòng)態(tài)特性”好由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備，加之無(wú)模擬放大、無(wú)負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特征。人們把此種具有“開關(guān)”方式的放大，稱為“數(shù)字放大器” 。D 類放大器比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，不是通就是斷。即 A 類、 AB 類、B 類、C 類、D 類。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)數(shù)字功放應(yīng)運(yùn)而生。但是模擬功率放大器在這方面幾乎達(dá)到了極限。模擬的功率放大器經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展，在這方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以說(shuō)是達(dá)到了登峰造極的地步?，F(xiàn)今的許多放大器中都采用了場(chǎng)效應(yīng)管作為末級(jí)輸出。 70 年代的中期，日本生產(chǎn)出第一只場(chǎng)效應(yīng)功率管。 在 60 年代初，美國(guó)首先推出音響技術(shù)中的新成員集成電路，