用M8L做小功率数字功放

　　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。本文介绍的是一款用单片机ATmega8L(以下简称M8L)制作的小功率数字功放，具有功耗低、成本低、电路简单、音质较好等优点。

　　一、数字功放原理解析

　　数字功放，顾名思义就是将数字信号进行功率放大。数字信号通常用“0”来代表低电平，“1”代表高电平，从而组成一连串的方波信号。由于数字信号只有高低电平之分，因此，当用功放管对其进行放大时，功放管完全可以工作在开关状态，而不是放大状态，这样就大大减小了管子静态功耗，提高了效率。

　　为了实现数字功放，必须将模拟信号转化为数字信号，在这里通过M8L内部自带的十位模数转换器转换即可，然后用M 8 L的O C R 1 A和OCRlB引脚产生占空可变的脉冲串，即PWM。PWM信号是以一个固定频率为基础的，为了产生不同的模拟电平，可以通过改变这个脉冲串的占空比实现。要输出高的模拟电平，就增大占空比，反之减小。这样，通过PWM就将模拟信号转换为数字信号。将PWM信号通过功放管进行进一步放大，再通过低通滤波器就可以产生模拟电平了。50％的占空比输出电源电平的一半，75％的占空比会产生75％电源电平。模拟滤波器可以是一个简单的无源的RC滤波器。滤波器滤除频率比较高的PWM信号，留下模拟信号。在用作数字功放驱动扬声器时，如果不是为了特殊的需要，为了最大限度地提高输出功率，可以不用低通滤波器滤波，因为扬声器就像个低通滤波器，它对高频的PWM信号是不会响应的。通常扬声器的响应频率范围为20Hz～20kHz，远小于PWM信号的频率。

　　二、电路工作原理

　　电路原理图如下图所示，电路分为四个部分，包括前置放大、A／D与PWM转换、功率放大及滤波等。

　　1．前置放大电路

　　LM358组成同向放大电路，音频信号从LM358同向输入端输入，放大增益由R2和R1的阻值大小决定，电压放大倍数：Av=1+R2／R1。R3、R4和R5组成分压电路，当没有信号输入时，同向输入端的电压为2．5V，经过C4、R2和Rl组成的交流负反馈电路，输出端电压仍为2．5V。当有信号输入时，同向输入端的电压随着音频信号的变化而变化，经过C4、R2和R1组成的交流负反馈电路，输出电压Vout=Vin*Av。输出信号将以2．5V为轴，上下变动。由于工作电压为+5V，为了保证波形不失真，输入信号的峰值应小于2．5V／Av。LM358为单电源双运放，增益频带宽为1MHz，也可双单源工作。LM358的引脚图如下图所示。

　　2．A／D与PWM转换

　　这是电路的重要组成部分，由单片机M8L完成。M8L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。片中的2个PwM通道可实现任意小于16位相位和频率可调的脉宽调制输出。M8L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。本电路采用的是快速PWM模式。M8L内部A／D转换是通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。通过写ADMUX寄存器也可以把AVCC或内部2．56V的参考电压连接到AREF引脚。在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。笔者采用的是8倍时钟分频，工作在连续A／D转换模式，每次A／D转换时间需要13个ADC时钟，此时的A／D转换速率为16MHz／8／13=153．8kHz。为了提高ADC的抗干扰能力，ADC使用10位精度采样，然后将得到的值除以4作为OCRlA的值，OCRlB则为OCRlA的补码，即255—OCRlA。

　　快速PWM模式可用来产生高频的PWM波形。快速PWM模式与其他PwM模式的不同之处是其单边斜坡工作方式。计数器从BOTTOM计到TOP，然后立即回到BOTTOM重新开始。对于普通的比较输出模式，输出比较引脚O C l x在T C N T 1与OCRlx匹配时置位，在TOP时清零；对于反向比较输出模式，OCRlx的动作正好相反。由于使用了单边斜坡模式，快速PWM模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高频操作特性使得快速PWM模式十分适合于功率调节，整流和DAC应用。高频可以减小外部元器件(电感，电容)的物理尺寸，从而降低系统成本。寄存器配置如下：(COMlAl：

　　C O M 1 A 0：1：0)／(C O M l B 1：

　　COMlB0=1：0)。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。M 8 L最高工作频率为16MHz，PwM采用8位精度，此时的PwM频率为16MHz／255：62．7kHz。

　　PWM的A、B通道初始化采用相同的工作方式，零输入时，ADC采样电压为电源电压的一半，此时得到OCRlA和OCRlB的值都为128，A、B同相输出。而当有信号输入时，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。由于实现了互补对称放大，此时信号强度将为单个的两倍。

　　3．功率放大由6只常用的三极管组成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。这种做法的好处就是：只有当PB1和PB2两引脚的电平不相同时，才会引起两只对管(VT3和VT6或VT4和VT5)的导通，相反，当电平相同时，两只对管不导通，电流几乎为零。

　　4．滤波由于M8L内部结构的原因，应在ADC采样前进行低通滤波，这里采用的是Rc低通滤波器，由R6和C6组成。另外，最好在AREF引脚与负极之间并接一个阻值较大的电容，用来滤除杂波。

　　兰、软件设计及制作1．软件设计本系统软件由AD中断服务程序、PWM程序、按键操作程序组成。程序流程框图如下图所示。

　　2．制作与调试笔者制作的数字功放板如下图所示。

　　从电路板上可以看出，笔者先将单片机和运放做在了两块独立的板子上，然后拼合在一起。这样做的好处就是：可以先测试运放工作是否正常。

　　在这里，R3和R4的选择很关键，阻值必须相等，这样才会在输出端得到以2．5V为轴线的输出波形，也是整个电路的设计关键。如果手头上有示波器，分析波形再好不过了。本人使用的音源是电脑输出的，幅度较小，因此对其进行了放大，放大倍数为Av=1+R2／R1=6．6倍。读者可以根据情况，适当改变。

　　ATmega8L后缀为L，属于低功耗、宽电压、低速的型号，无后缀的为高速型。通常市售的多为A T m e g a 8 L。许多资料都称ATmega8L最大时钟为8MHz，实际上，经笔者测试，16MHz时，也能正常工作。如果用高于16MHz晶振，此时M8L将以低于16MHz的某个频率工作。为了安全起见，如果你的串行下载线性能不是很好，最好不要外挂16MHz的晶振去写程序，否则，将会导致串行编程失败。笔者使用的下载界面见图5，下载线制作方便，USB供电。

　　改写时应先将熔丝位的低8位的CKSEL3—0全置为“1”，然后点击写入即可，如下图所示。为了单片机工作的稳定性，要在复位脚加-10kΩ的上拉电阻。

　　程序较为简单，写好程序后，方可通电测试。先断开功率放大部分，在单片机的PB1和PB2脚上接上小功率的扬声器，小于1W即可。测试时外部音源音量应调节适中，否则会产生噪声。读者也可用示波器观察其波形。调节音量大小，如果能听到正常的声音，说明已成功。如果噪声较大，可能是音量较大，或者是运放的增益太大，可适当减／小增益。

　　如果没有输出任何声啬，说明PWM没有产生，应检查一下程序，PWM的控制字是否设置正确，A／D转换是否打开。

　　测试功率放火部分最好的办法就是用随声听里面的3V直流电机。先去掉输出电容C7，直接接上电机，用+5V供电。用手捏其中一输入端，观察电机的转向，冉用手捏另一输入端，观察电机的转向。如果两次转向正好相反，说明工作正常。如果没有或只有一路工作，应检测对管是否损坏。

　　电源分为两个部分，M 8 L和LM358采用+5V供电，功率放大部分电源VCC除了可以共用电源外，还可以使用高于+5V的独立电源，这样可以进一步提高输出功率。SB为播放和停止开关。

　　通过笔者测试，共用电源时，电流随着音乐的节奏而变化，在音乐不失真的情况下，最大电流不超过150mA。静态时，电流约为：20mA。此时单片机的能耗是主要的。功率放大部分电源VCC使用十8V电源：L作时，功率放大部分的最人电流为80mA，此时输出音量与本人用TDA2003制作的功放电路相当。而TDA2003功放电路的电压为12V，电流为150mA左右。

　　通过比较可知，数字功放的效率要比模拟功放的高很多。

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