高效D类多媒体音频功率放大器(含程序源代码).doc

高效D类多媒体音频功率放大器随着HI-FI音响热和家庭影院热的升温及电脑多媒体技术的发展，有越来越多的音频功放被用于工作、学习及家庭娱乐。这些功放大多工作于A类（甲类）或AB类（甲乙类），尽管音质极佳、效果一流，但付出的代价是耗电巨大、效率甚低。进入新世纪，功放的能耗与效率愈发引起人们的重视，况且节能与环保也是进入21世纪人们所面临的重大课题。因此，伴随着数字影音技术及电脑多媒体技术的发展，高效的D类（丁类）放大器重又引起人们的关注，D类数字音频功放也得到了长足的发展。现在使用的数字音频设备直接输出的是数码信号（如CD、DAT、MD、DVD、杜比数字解码器及多媒体电脑等），对于接入D类放大器显得更简单，可省去繁琐的D/A或A/D变换，减少失真以组成理想的数字化音响设备。目前，某些D类放大器的性能已达到HI-FI级的水平，可以预见到，音响领域的一个新时代即将到来。这里介绍的是一种高效节能的小功率（510W，视电源电压而定）脉宽调制（PWM）音频功放，采用市场上廉价易购的通用元器件，专为多媒体电脑的有源音箱而设计，成本低、音质佳，具有很高的工作效率（85%），是有望取代目前一些普通多媒体有源音箱的升级产品。技术要求额定输出功率：3W工作效率：80%频率响应：100Hz15KHz失真：0.1%采用单片机进行音量调控，具有两位数码显示。电路原理电路见图1。音频信号从INPUT端输入，R2与R3R6、ES1ES4组成数字式音量电位器，通过选择ES1ES4的接通状态（共有24=16种状态），使R2与R3R6的分压系数发生变化，从而进行音量控制（分16档调节）。图1ES1ES4的接通与否由单片机（IC4）的P3.0P3.3输出经三极管VT5VT8反相后决定。当按下S1按键，IC4作连续减法计数，点按S1（300mS）则减一次，这时R2与R3R6的分压系数上升，音量升高，同时两位数码管从00（音量最轻）15（音量最高）递加作相应的显示。反之，按下S2按键，音量减轻。开机时，IC4自动输出初始化的03档音量，使得一开始放大器即处于柔和的小音量状态，避免给人以突然的大音量冲击感。IC4内的软件具有最高位及最低位的限位功能，使加法计数到最高位（1111）后不能循环返回最低位（0000），或减法计数到最低位（0000）后不能循环跳到最高位（1111），防止音量调至最响后突然跌至最轻或者调至最轻后又突然翻至最响，与机械式电位器的限位作用一样。随后，经过音量调控后的信号经C2耦合，进入IC2A进行低噪声前置放大，放大量约22倍。放大后的信号经C4耦合后进入主放大器进行D类开关放大。静态时，IC2B的反相输入端被偏置于1/2Vcc，由于IC2B处于开环比较状态，因而输出通过IC3(N1N6)施密特反相器整形后，驱动VT1、VT2交替导通、截止。VT1、VT2的输出通过R18、C6积分电路反馈后，在IC2B的同相输入端得到了极小幅度的三角波，线性极佳。当IC2B的反相输入端电压保持为1/2Vcc时，VT1、VT2的导通、截止时间是相等的。故在VT1、VT2的射极得到的是频率70KHz、幅度为Vcc、占空比为50%的方波，经L1、C10低通滤波后，在扬声器上无音频输出。音频信号输入时，IC2B即输出放大了的音频信号，通过C4的耦合，使IC2B的反相输入端电压也随之发生变化。电压变高时，VT1、VT2的射极输出通过R18对C6的充电时间变长、放电时间变短，结果使VT1、VT2输出的方波宽度变长、间隙变短；电压变低时，VT1、VT2的射极输出通过R18对C6的充电时间变短、放电时间变长，结果使方波宽度变短、间隙变长。从而调制了VT1、VT2输出的方波脉冲宽度，经L1、C10滤除超音频成份后，在扬声器上还原得到了放大后的音频信号。这里，由于大电流工作的晶体管VT1、VT2处于导通、截止（即开、关）工作状态，因而整机效率很高（85%），发热很少。与线性放大器相比，在相同输出功率时，VT1、VT2只需用较小功率的高速开关管；或者在相同工作条件下，能输出更大的功率。音量调控及LED数码显示软件设计采用市场上廉价的高性能20引脚单片机美国Atmel公司的AT89C2051，具有很高的性价比，指令系统与Intel的MCS-51完全兼容，可进行1000次电擦写（具有2KB快闪存储器），很适合爱好者试验学习或工厂成批生产。软件设计时确定音量调整分16档，显示为0015。30H单元中存放音量档数标志。31H单元作为数码管个位显示数据缓存。32H单元作为数码管十位显示数据缓存。33H单元中的低四位（P3.3P3.0）为音量调控输出缓存。34H单元为数码管位扫描标志。为00H时点亮个位；为01H时点亮十位。这样，随着30H中的标志的改变，P3.3P3.0的输出状态也发生相应变化，使外接的模拟开关ES1ES4工作状态发生改变，R3R6的并联等效电阻Z可从0.3K变化到8.0K，直至断开（）。具体参见图2。主程序流程见图3。T0定时中断服务子程序流程见图4。源程序见本刊网站。电路调试在布线安装时还要考虑类放大器的射频干扰问题。由于D类放大器为一强力振荡器，因此需对其采取良好的隔离及屏蔽措施，防止对模拟放大电路、单片机电路及周围环境造成干扰。调试时，应先测C5的电压，应为1/2Vcc，测IC5(7805)输出端电压应为5V。换用指针式万用表测VT1、VT2的发射极电压，也应为1/2Vcc，不然需详查R18、C6、IC2B、IC3及 VT1、VT2。用手指触碰INPUT端，按下S1，扬声器中应有从轻到响的交流声；反之，按下S2，则交流声减弱直至消失。此时电路工作基本正常。否则需详查与此相关的集成块IC1、IC2A、IC4等及附属电路。用数字频率计测VT1、VT2的发射极，正常时载频应在70KHz左右。从电脑上引入音频信号，输出端接失真仪，调整R13使失真小于0.3%。调试完成后即可投入使用。201103 上海虹中路399号 上海忠能电子有限公司 周兴华2003/6/26（电路及程序均已试验通过）LED数码显示30H(标志)子程序P3.3P3.0R3R6并联电阻Z(K)0000HL000000.30101HL100010.40202HL200100.50303HL300110.60404HL401000.70505HL501010.80606HL601100.90707HL701111.00808HL810001.10909HL910011.3100AHL1010101.6110BHL1110112.0120CHL1211003.0130DHL1311014.0140EHL1411108.0150FHL151111图2 转AT1P3.7=1?转AT0P1.7=1?初始化：音量数字置03，设置T0定时中断，装入1mS定时值开始 N Y N Y根据30H单元内容进行散转，散转到L0L15子程序。 图3 主程序流程重装定时值恢复现场返回 (34H)=01HP3.5置0P3.5置1(34H)=00H DIS:T0中断入口保护现场 33H内容送P3(34H)=00HNY32H内容送P131H内容送P1P3.4置1P3.4置0(34H)=00H(34H)=01HP3.5置0P3.5置1重装定时值恢复现场中断返回图4源程序。供本刊网站使用。ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP DISORG 0030HMAIN:MOV SP,#070H;初始化MOV 30H,#03HMOV 31H,#0B0HMOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F3HMOV 34H,#00HMOV TMOD,#00H;置T0定时器方式0MOV TH0,#0E0H;定时初值1mSMOV TL0,#018HSETB EA;开放总中断SETB ET0;开放T0中断SETB TR0;启动T0SETB P1.7SETB P3.7LOOP:JNB P1.7,AT0JNB P3.7,AT1LOOP1:MOV DPTR,#JPTABMOV A,30HCLR CRLC AJNC NADDINC DPHNADD:JMP A+DPTRJPTAB:AJMP L0AJMP L1AJMP L2AJMP L3AJMP L4AJMP L5AJMP L6AJMP L7AJMP L8AJMP L9AJMP L10AJMP L11AJMP L12AJMP L13AJMP L14AJMP L15DIS:PUSH ACC;保护现场MOV P3,33H;P3.33.0输出（控制音量）MOV A,34HCJNE A,#00H,FX1MOV P1,31H;显示数码管个位CLR P3.4SETB P3.5MOV 34H,#01HAJMP FX2FX1:MOV P1,32H;显示数码管十位SETB P3.4CLR P3.5MOV 34H,#00HFX2:MOV TL0,#018H;定时初值1mSMOV TH0,#0E0HPOP ACC;恢复现场RETIAT0:ACALL DEL20MS;调用20mS延时子程序JB P1.7,A2MOV A,30HCJNE A,#0FH,A1;30H内容为0FH，退出AJMP A2A1:INC 30H;30H内容加1ACALL DEL300MS;延时300mSA2:AJMP LOOP1;跳转到LOOP1AT1:ACALL DEL20MS;调用20mS延时子程序JB P3.7,B2MOV A,30HCJNE A,#00H,B1;30H内容为00H，退出AJMP B2B1:DEC 30H;30H内容减1ACALL DEL300MS;延时300mSB2:AJMP LOOP1;跳转到LOOP1L0:MOV 31H,#0C0H;显示00MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F0H;P3.33.0输出0000AJMP LOOPL1:MOV 31H,#0F9H;显示01MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F1H;P3.33.0输出0001AJMP LOOPL2:MOV 31H,#0A4H;显示02MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F2H;P3.33.0输出0010AJMP LOOPL3:MOV 31H,#0B0H;显示03MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F3H;P3.33.0输出0011AJMP LOOPL4:MOV 31H,#099H;显示04MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F4H;P3.33.0输出0100AJMP LOOPL5:MOV 31H,#092H;显示05MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F5H;P3.33.0输出0101AJMP LOOPL6:MOV 31H,#082H;显示06MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F6H;P3.33.0输出0110AJMP LOOPL7:MOV 31H,#0F8H;显示07MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F7H;P3.33.0输出0111AJMP LOOPL8:MOV 31H,#080H;显示08MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F8H;P3.33.0输出1000AJMP LOOPL9:MOV 31H,#090H;显示09MOV 32H,#0C0HMOV 33H,#0F9H;P3.33.0输出1001AJMP LOOPL10:MOV 31H,#0C0H;显示10MOV 32H,#0F9HMOV 33H,#0FAH;P3.33.0输出1010AJMP LOOPL11:MOV 31H,#0F9H;显示11MOV 32H,#0F9HMOV 33H,#0FBH;P3.33.0输出1011AJMP LOOPL12:MOV 31H,#0A4H;显示12MOV 32H,#0F9HMOV 33H,#0FCH;P3.33.0输出1100AJMP LOOPL13:MOV 31H,#0B0H;显示13MOV 32H,#0F9HMOV 33H,#0FDH;P3.33.0输出1101AJMP LOOPL14:MOV 31H,#099H;显示14MOV 32H,#0F9HMOV 33H,#0FEH;P3.33.0输出1110AJMP LOOPL15: