基于Atmega8的数字功放设计
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:557
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；irf7389１ 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）进行置位操作当计数器的值从ｔｏｐ返回０ｘ００时则清零ｏｃ１ａ／ｏｃ１ｂ。而在设置反向比较输出时，
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；irf7389１ 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）进行置位操作当计数器的值从ｔｏｐ返回０ｘ００时则清零ｏｃ１ａ／ｏｃ１ｂ。而在设置反向比较输出时，
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