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引言   
D類(lèi)功放以其效率高、發(fā)熱量低、體積小、便攜等特點(diǎn)在汽車(chē)、手持設(shè)備、多媒體等領(lǐng)域的音響系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。但保真度不夠是D類(lèi)功放一直無(wú)法完全替代A類(lèi)、AB類(lèi)功放的根本原因。本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)控D類(lèi)功放，通過(guò)一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，并加以理論分析，通過(guò)測(cè)試，在20 Hz～20 kHz音頻范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高效率、低失真、高保真。

1 系統(tǒng)原理分析
1．1 D類(lèi)功放效率分析
功放的實(shí)質(zhì)是把電源提供給放大器的直流功率，轉(zhuǎn)換成負(fù)載的交流功率。D類(lèi)功放以效率高、體積小為主要優(yōu)點(diǎn)，采用兩個(gè)相位相反的PWM驅(qū)動(dòng)差分輸出方式，理論上效率可以達(dá)到100％。下面是方波的傅里葉級(jí)數(shù)：
   

    但由于場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)損耗和各模塊元件的損耗，不可能達(dá)到100％。再考慮到CMOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻損耗、偏置電流損耗、輸入電容充電損耗等，使得一般的D類(lèi)功放在8 Ω負(fù)載時(shí)效率為85％左右。其效率仍要比目前市場(chǎng)上廣泛采用的AB類(lèi)功放效率高很多。
1．2 音調(diào)電路分析
   
    電路設(shè)計(jì)中，低音控制中的R2選擇2 kΩ，Ri為25 kΩ，C1為150nF，C2選擇為330nF。根據(jù)式(1)求出轉(zhuǎn)折頻率為32 Hz。高音控制中，C1為5．6 nF，而Ri為25 kΩ，根據(jù)式(2)求出轉(zhuǎn)折頻率為1 137 Hz。


2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要由TI公司的USB數(shù)字音頻接口(PCM2704)、ST公司的模擬音頻接口(TDA7449)、Philips公司的DDX音頻功率放大器(TDA8922)、Atmel公司的單片機(jī)(AT89C2051)以及電源和鍵盤(pán)和顯示電路組成。其中PCM2704用于接收來(lái)自USB主機(jī)(如臺(tái)式電腦、筆記本電腦、PDA、手機(jī)等)的音頻數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)數(shù)字音量和音效處理后，將其轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)。TDA7449內(nèi)置的二選一立體聲多路開(kāi)關(guān)用于數(shù)字音頻信號(hào)(PCM27 04的輸出)和模擬音頻信號(hào)(外部輸入)之間的切換，被選中的音頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)TDA74149內(nèi)部的模擬音量和音效處理后，再送至音頻功率放大器TDA8922，該信號(hào)經(jīng)過(guò)TDA8922內(nèi)部的PWM調(diào)制和DDX功率控制后，產(chǎn)生足夠大的音頻功率去驅(qū)動(dòng)外部音頻設(shè)備。單片機(jī)AT89C2051主要用于鍵盤(pán)輸入的掃描、工作狀態(tài)的提示以及各功能模塊工作狀態(tài)的設(shè)置和管理。電源模塊為系統(tǒng)提供的±15 V功率電源、+9 V的模擬電源和+5 V的數(shù)字電源。鍵盤(pán)和顯示模塊用于接收用戶(hù)的操作輸入并向用戶(hù)反饋系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。數(shù)控D類(lèi)功放總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。


3 主要硬件設(shè)計(jì)
3．1 模擬音頻處理單元
    數(shù)控D類(lèi)功放模擬音頻處理單元如圖3所示，ST公司的TDA7449內(nèi)置的二選一立體聲多路開(kāi)關(guān)，可選擇來(lái)自USB接口的數(shù)字音頻信號(hào)(PCM2 704的輸出)和來(lái)自外部的模擬信號(hào)。通過(guò)I2C總線(xiàn)可以設(shè)置16階的前置放大倍數(shù)、16階的音量大小、16階的音調(diào)控制以及立體聲和單聲道輸出。


3．2 單片機(jī)控制電路
    主控CPU采用了AT89C2051單片機(jī)，它有20個(gè)引腳，最高頻率可以達(dá)到24 MHz，128個(gè)內(nèi)部RAM字節(jié)，兩個(gè)定時(shí)器，可以直接驅(qū)動(dòng)LED，內(nèi)部資源豐富，性?xún)r(jià)比高。
    單片機(jī)控制電路主要通過(guò)掃描矩陣式鍵盤(pán)，將掃描信息通過(guò)P3．5引腳和P3．7引腳模擬的I2C總線(xiàn)接口發(fā)送到TDA7449的I2C總線(xiàn)輸入接口，同時(shí)通過(guò)P3．0引腳控制TDA8922的模式是靜音還是正常放大，并將按鍵信息通過(guò)LED顯示出來(lái)，如圖4所示。

3．3 LC低通濾波電路
    Bufferworth類(lèi)型的LC濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的二階濾波器。它的頻率響應(yīng)相對(duì)平坦，而且需要的濾波元件較少。LC濾波電路如圖5所示。

    二階Bufferworth類(lèi)型濾波器的傳遞函數(shù)為
   
    圖5所示低通濾波器的傳遞函數(shù)為
   
   
    由式(10)、式(11)，在本次系統(tǒng)選擇中，選取了22 μF的磁屏蔽功率電感和680 nF的聚丙烯電容作為L(zhǎng)C濾波器材料，其中磁屏蔽功率電感可防止磁泄露對(duì)揚(yáng)聲器造成干擾；聚丙烯電容的無(wú)功功率比較大，而且漏電流小，比較穩(wěn)定。

4 軟件設(shè)計(jì)
    圖6為主程序流程圖。主程序要完成兩個(gè)任務(wù)，一是初始化，包括對(duì)TDA7449音調(diào)控制芯片音量、音調(diào)、數(shù)字模擬信號(hào)選擇的初始化，TD A8922功放芯片的初始化，鍵盤(pán)顯示的初始化；二是從事件隊(duì)列讀取事件，進(jìn)行事件處理。圖7為事件掃描程序流程圖，通過(guò)事件掃描的方式可以讓主程序可讀性更強(qiáng)，效率也更高。事件掃描程序?qū)㈡I盤(pán)按下、USB器件撥出、USB器件插入分為3個(gè)獨(dú)立的事件，每個(gè)事件發(fā)生時(shí)將事件入口地址送到事件隊(duì)列中。主程序通過(guò)讀取事件隊(duì)列，完成對(duì)各個(gè)事件的處理。


5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將做好的數(shù)控D類(lèi)功放板UPA0011按照?qǐng)D8連接。

    按照如下步驟測(cè)試：①按圖8所示關(guān)系連接左聲道；②將音量開(kāi)到最大；③將輸入信號(hào)的頻率調(diào)至1 kHz，然后從-30 dBV開(kāi)始逐漸增大輸入信號(hào)的幅度，直到dBV2的指示值為10 dBV時(shí)為止，正確調(diào)節(jié)失真度儀，記錄失真度儀的指示值THD；④按圖8所示關(guān)系連接右聲道，重復(fù)第3步，測(cè)量右聲道的THD。測(cè)試結(jié)果如表1所列。

結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)控D類(lèi)功放是既具有USB數(shù)字音頻接口、又具有模擬音頻接口的數(shù)字音頻功率放大器。DDX技術(shù)的引入使它具有極高的效率和極低的失真度，在連續(xù)輸出2×15 W功率的條件下，可以不使用任何散熱片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的功放具有很小的總諧波失真。該功放在多媒體領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。