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基于Atmega8的数字功放设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:Mega8是一款高性能、低功耗,采用先进RISC精简指令,内置PWM和A/D的8位单片机,用它设计数字功放不仅成本低、硬件简单,而且易实现各种扩展功能。文中介绍了如何利用AVR系列单片机mega8及新型VMOS管IRF7389来设计高效数字功放的方法,同时给出了相应的电路原理图、程序流程和测试结果。

    关键词:mega8;数字功放;PWM;AD8605;IRF7389

1 引言

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。它主要包含两部分,图1为数字功放的基本框图。其中PWM变换大致有两种,一是模拟PWM,即将输入的模拟信号或数字信号经D/A后与三角波进行比较,这种变换必须要有频率上百kHz、线性度好、满幅的三角波,而且还要有高速模拟比较器,否则将影响PWM波形在解调后的波形,这些都将增加成本和设计复杂度(使用集成D类功放或D类控制芯片另当别论)。二是数字式PWM,即将输入数字信号或模拟信号经A/D后与计数器相比较,即用计数的方法代替三角波,从而避免了三角波非线性所引起的失真。同传统的模拟方式相比,数字方式具有设计简单,效率更高,抗干扰性更强等优点。而Atmega8单片机中的定时器1可以工作在PWM模式,它只要将其AD中的值移到PWM的输出比较寄存器中即可完成PWM调制,实现起来相当简便。

为了提高输出功率,大多数D类功放都以BTL方式来驱动。(范文先生网www.fwsir.com收集整理)而无论是模拟式还是数字式PWM,BTL两路输出信号的选择也都有两种方案,即同相驱动和反相驱动。前者在零信号时,其两路信号的叠加效果几乎为零,而后者在零信号时,叠加在滤波器上的电压会变大,当然可以通过修改滤波器参数来降低其在负载上的压降,但这样会增加系统功耗,而且不便于整体实现。因此,本文选用数字式PWM,并采取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。 

2 硬件设计

该设计的硬件电路分为三部分,包括前置放大、A/D与PWM转换、功率放大及滤波等,其硬件电路原理如图2所示。本系统的PWM频率至少要调制到信号最高频率(20kHz)的5倍以上,才能保证音频信号很好的还原。若工作频率为16MHz,则PWM的计数最大值(以下简称TOP)将为: fCLK-I/O/fpwm=16MHz/100kHz=160。此外,A/D的采样值(最大255)也必须除以一定的数值才能作为PWM输出比较寄存器(以下简称OCR1A/OCR1B)的值,这显然会降低AD的等效精度。而要保证AD原有的精度和PWM频率,则应提高晶振。经测试:mega8在32MHz下还可正常工作,此时AD采样值可直接作为OCR1A/OCR1B值,此时的PWM频率为32MHz/255=125.5kHz。

2.1 前置放大

前置放大部分主要由AD公司的低功耗、低噪声、单电源、轨对轨输入输出放大器AD8605和数字电位器组成。AD8605的静态电流只有0.9mA(5V),电源范围为2.7V~5.5V,带宽为10MHz。数字电位器采用的X9C102有100个台阶,大小为1kΩ最小可达40Ω,它和AD8605可组成同相放大器。图2中的R2选为1kΩ,放大倍数可在2到250之间调整。

2.2 A/D及PWM部分

本设计中的A/D和PWM都是通过mega8来完成的。在AVR家族中,Atmega8是一个非常特殊的单片机,它内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路,具有AVR高档单片机MEGA系列的全部性能和特点,但由于采用了小引脚封装(DIP 28),所以其价格与低档单片机相当,因而性价比极高,而且有ISP功能,下载极其方便。

图2

    Atmega8单片机功能齐全、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。而片中的3个PWM通道可实现任意小于16位,以及相位和频率可调的脉宽调制输出。此外,Atmega8中的每个I/O引脚均采用推挽式驱动,因此不仅能提供大电流驱动,而且还可以吸收20mA的电流。Atmega8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。其中后两者都采用双程计数器,所以其PWM频率只有快速模式的一半。本文选用第一种工作模式。该模式是利用定时器/计数器1来完成的,而且计数器为单程向上加1,从0x0000一直加到TOP,在下一计数脉冲到来时清零,然后再从0x0000开始加1计数。在设置正向比较匹配输出时,当计数值与OCR1A/OCR1B的值相同时,对输出比较匹配位(以下简称OC1A/OC1B)进行置位操作当计

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