基于Atmega8的数字功放设计

　　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。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熥钚】纱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。

　　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)进行置位操作煹奔剖器的值从TOP返回0x00时则清零OC1A/OC1B。而在设置反向比较输出时，其输出正好与同向比较时相反。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。

　　2.3 功率放大部分

　　功率放大部分采用两片IRF7389，每一片中内置一对VMOS管，N沟道和P沟道的导通电阻分别为46、98mΩ烿GS=4.5V时牐最大输出功率为30W。此外，IRF7389还内置高速恢复二极管，能降低谐波失真。图2中的C17 、C16是加速电容，可用来改善激励波形，以使VMOS管迅速由截止转换为导通，或由导通迅速转为截止，以达到减少死区时间，改善输出波形之目的。图2中的 R7、R8主要起保护作用。

　　3　软件设计及系统实验

　　本系统软件由AD中断服务程序、定时中断服务程序、PWM程序、按键中断服务程序组成。

　　系统上电后， AD中断程序、时钟中断程序、PWM程序首先进行初始化，然后在程序运行初始阶段进行音量的AGC控制。考虑到人耳对接收声音强度的对数关系，放大器的增益从2倍到20倍间设计成对数增加方式，而无须手动调整放大倍数，从而使输出能保证在一定范围内，以使放大器工作在线性区。具体过程见图3所示。在播放过程中，可以通过按键调用中断子程序来调节音量。

　　Atmega8的AD转换在转换精度要求低于 10位时，ADC的采样时钟可以高于200kHz，因而可获得更高的采样率。另外设置SFIOR寄存器中的ADHSM 位可提高ADC的时钟频率。本系统采用ADC内部参考电源和连续转换模式，并选用ADC4通道(精度为8位)，实验测得的转换速度可达40kHz。

　　PWM的A、B通道初始化采用相同的工作方式，零输入时，A、B同相输出。而当正信号输入时，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。

　　通过测试煴鞠低吃5V电源下，负载为8Ω时的最大输出不失真正弦波峰峰值为8.4V(即4.2×2)，输出功率为1.1W，16MHz时的电源电流为278mA，效率为80%。而在32MHz时，AD的等效精度会提高，音质更好，但系统静态功耗电流将增加，然而，由于该损耗基本固定，因此用Atmega8来设计数字功放更适合在较大功率的场合使用。此外，加大IRF7389源极间电压可增大输出PWM电平，从而增大输出功率，进一步提高效率。

　　4　结束语

　　选用Atmega8单片机设计功放非常简单，而且灵活性好，可扩展性强，通过调整程序还可满足不同需求。通过修改数字滤波程序即可改变功放频响，若再加一片存储器，即可实现录音、复读、设定播放时间和显示音量等。而这些功能仅仅通过集成D类功放是无法完成的。