高效D类多媒体音频功率放大器设计(含电路图、源程序)

`高效D类多媒体音频功率放大器高效D类多媒体音频功率放大器
随着HI-FI音响热和家庭影院热的升温及电脑多媒体技术的发展，有越来越多的音频功放被用于工作、学习及家庭娱乐。这些功放大多工作于A类（甲类）或AB类（甲乙类），尽管音质极佳、效果一流，但付出的代价是耗电巨大、效率甚低。
进入新世纪，功放的能耗与效率愈发引起人们的重视，况且节能与环保也是进入21世纪人们所面临的重大课题。因此，伴随着数字影音技术及电脑多媒体技术的发展，高效的D类（丁类）放大器重又引起人们的关注，D类数字音频功放也得到了长足的发展。现在使用的数字音频设备直接输出的是数码信号（如CD、DAT、MD、DVD、杜比数字解码器及多媒体电脑等），对于接入D类放大器显得更简单，可省去繁琐的D/A或A/D变换，减少失真以组成理想的数字化音响设备。目前，某些D类放大器的性能已达到HI-FI级的水平，可以预见到，音响领域的一个新时代即将到来。
这里介绍的是一种高效节能的小功率（5~10W，视电源电压而定）脉宽调制（PWM）音频功放，采用市场上廉价易购的通用元器件，专为多媒体电脑的有源音箱而设计，成本低、音质佳，具有很高的工作效率（>85%），是有望取代目前一些普通多媒体有源音箱的升级产品。
技术要求
额定输出功率：≥3W
工作效率：≥80%
频率响应：100Hz~15KHz
失真：≤0.1%
采用单片机进行音量调控，具有两位数码显示。
电路原理
电路见图1。音频信号从INPUT端输入，R2与R3~R6、ES1~ES4组成数字式音量电位器，通过选择ES1~ES4的接通状态（共有24=16种状态），使R2与R3~R6的分压系数发生变化，从而进行音量控制（分16档调节）。

图1

ES1~ES4的接通与否由单片机（IC4）的P3.0~P3.3输出经三极管VT5~VT8反相后决定。当按下S1按键，IC4作连续减法计数，点按S1（≤300mS）则减一次，这时R2与R3~R6的分压系数上升，音量升高，同时两位数码管从00（音量最轻）~15（音量最高）递加作相应的显示。反之，按下S2按键，音量减轻。
开机时，IC4自动输出初始化的03档音量，使得一开始放大器即处于柔和的小音量状态，避免给人以突然的大音量冲击感。IC4内的软件具有最高位及最低位的限位功能，使加法计数到最高位（1111）后不能循环返回最低位（0000），或减法计数到最低位（0000）后不能循环跳到最高位（1111），防止音量调至最响后突然跌至最轻或者调至最轻后又突然翻至最响，与机械式电位器的限位作用一样。
随后，经过音量调控后的信号经C2耦合，进入IC2A进行低噪声前置放大，放大量约22倍。放大后的信号经C4耦合后进入主放大器进行D类开关放大。
静态时，IC2B的反相输入端被偏置于1/2Vcc，由于IC2B处于开环比较状态，因而输出通过IC3(N1~N6)施密特反相器整形后，驱动VT1、VT2交替导通、截止。VT1、VT2的输出通过R18、C6积分电路反馈后，在IC2B的同相输入端得到了极小幅度的三角波，线性极佳。当IC2B的反相输入端电压保持为1/2Vcc时，VT1、VT2的导通、截止时间是相等的。故在VT1、VT2的射极得到的是频率70KHz、幅度为Vcc、占空比为50%的方波，经L1、C10低通滤波后，在扬声器上无音频输出。
音频信号输入时，IC2B即输出放大了的音频信号，通过C4的耦合，使IC2B的反相输入端电压也随之发生变化。电压变高时，VT1、VT2的射极输出通过R18对C6的充电时间变长、放电时间变短，结果使VT1、VT2输出的方波宽度变长、间隙变短；电压变低时，VT1、VT2的射极输出通过R18对C6的充电时间变短、放电时间变长，结果使方波宽度变短、间隙变长。从而调制了VT1、VT2输出的方波脉冲宽度，经L1、C10滤除超音频成份后，在扬声器上还原得到了放大后的音频信号。
这里，由于大电流工作的晶体管VT1、VT2处于导通、截止（即开、关）工作状态，因而整机效率很高（>85%），发热很少。与线性放大器相比，在相同输出功率时，VT1、VT2只需用较小功率的高速开关管；或者在相同工作条件下，能输出更大的功率。
音量调控及LED数码显示软件设计
采用市场上廉价的高性能20引脚单片机——美国Atmel公司的AT89C2051，具有很高的性价比，指令系统与Intel的MCS-51完全兼容，可进行1000次电擦写（具有2KB快闪存储器），很适合爱好者试验学习或工厂成批生产。
软件设计时确定
音量调整分16档，显示为00~15。
30H单元中存放音量档数标志。
31H单元作为数码管个位显示数据缓存。
32H单元作为数码管十位显示数据缓存。
33H单元中的低四位（P3.3~P3.0）为音量调控输出缓存。
34H单元为数码管位扫描标志。为00H时点亮个位；为01H时点亮十位。
这样，随着30H中的标志的改变，P3.3~P3.0的输出状态也发生相应变化，使外接的模拟开关ES1~ES4工作状态发生改变，R3~R6的并联等效电阻Z可从0.3KΩ变化到8.0KΩ，直至断开（∞）。具体参见图2。
主程序流程见图3。
T0定时中断服务子程序流程见图4。
源程序见本刊网站。
电路调试
在布线安装时还要考虑类放大器的射频干扰问题。由于D类放大器为一强力振荡器，因此需对其采取良好的隔离及屏蔽措施，防止对模拟放大电路、单片机电路及周围环境造成干扰。
调试时，应先测C5的电压，应为1/2Vcc，测IC5(7805)输出端电压应为5V。换用指针式万用表测VT1、VT2的发射极电压，也应为1/2Vcc，不然需详查R18、C6、IC2B、IC3及 VT1、VT2。用手指触碰INPUT端，按下S1，扬声器中应有从轻到响的交流声；反之，按下S2，则交流声减弱直至消失。此时电路工作基本正常。否则需详查与此相关的集成块IC1、IC2A、IC4等及附属电路。用数字频率计测VT1、VT2的发射极，正常时载频应在70KHz左右。从电脑上引入音频信号，输出端接失真仪，调整R13使失真小于0.3%。调试完成后即可投入使用。

201103 上海虹中路399号上海忠能电子有限公司周兴华2003/6/26
（

电路及程序均已试验通过）

LED数码显示 30H(标志) 子程序 P3.3~P3.0 R3~R6并联电阻Z(KΩ)
00 00H L0 0000 0.3
01 01H L1 0001 0.4
02 02H L2 0010 0.5
03 03H L3 0011 0.6
04 04H L4 0100 0.7
05 05H L5 0101 0.8
06 06H L6 0110 0.9
07 07H L7 0111 1.0
08 08H L8 1000 1.1
09 09H L9 1001 1.3
10 0AH L10 1010 1.6
11 0BH L11 1011 2.0
12 0CH L12 1100 3.0
13 0DH L13 1101 4.0
14 0EH L14 1110 8.0
15 0FH L15 1111 ∞

图2

N

Y
N

Y

图3 主程序流程

DIS:

N
Y

图4

源程序。供本刊网站使用。
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
AJMP DIS
ORG 0030H
MAIN: MOV SP,#070H ;初始化

MOV 30H,#03H
MOV 31H,#0B0H
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F3H
MOV 34H,#00H
MOV TMOD,#00H ;置T0定时器方式0
MOV TH0,#0E0H ;定时初值1mS
MOV TL0,#018H
SETB EA ;开放总中断
SETB ET0 ;开放T0中断
SETB TR0 ;启动T0
SETB P1.7
SETB P3.7
LOOP: JNB P1.7,AT0
JNB P3.7,AT1
LOOP1: MOV DPTR,#JPTAB
MOV A,30H
CLR C
RLC A
JNC NADD
INC DPH
NADD: JMP @A+DPTR
JPTAB: AJMP L0
AJMP L1
AJMP L2
AJMP L3
AJMP L4
AJMP L5
AJMP L6
AJMP L7
AJMP L8
AJMP L9
AJMP L10
AJMP L11
AJMP L12
AJMP L13
AJMP L14
AJMP L15

DIS: PUSH ACC ;保护现场
MOV P3,33H ;P3.3~3.0输出（控制音量）
MOV A,34H
CJNE A,#00H,FX1
MOV P1,31H ;显示数码管个位
CLR P3.4
SETB P3.5
MOV 34H,#01H
AJMP FX2
FX1:MOV P1,32H ;显示数码管十位
SETB P3.4
CLR P3.5
MOV 34H,#00H
FX2:MOV TL0,#018H ;定时初值1mS
MOV TH0,#0E0H
POP ACC ;恢复现场
REti

AT0:ACALL DEL20MS ;调用20mS延时子程序
JB P1.7,A2
MOV A,30H
CJNE A,#0FH,A1; ;30H内容为0FH，退出
AJMP A2
A1: INC 30H ;30H内容加1
ACALL DEL300MS ;延时300mS
A2: AJMP LOOP1 ;跳转到LOOP1

AT1:ACALL DEL20MS ;调用20mS延时子程序
JB P3.7,B2
MOV A,30H
CJNE A,#00H,B1 ;30H内容为00H，退出
AJMP B2
B1: DEC 30H ;30H内容减1
ACALL DEL300MS ;延时300mS
B2: AJMP LOOP1 ;跳转到LOOP1

L0: MOV 31H,#0C0H ;显示00
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F0H ;P3.3~3.0输出0000
AJMP LOOP
L1: MOV 31H,#0F9H ;显示01
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F1H ;P3.3~3.0输出0001
AJMP LOOP
L2: MOV 31H,#0A4H ;显示02
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F2H ;P3.3~3.0输出0010
AJMP LOOP
L3: MOV 31H,#0B0H ;显示03
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F3H ;P3.3~3.0输出0011
AJMP LOOP
L4: MOV 31H,#099H ;显示04
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F4H ;P3.3~3.0输出0100
AJMP LOOP
L5: MOV 31H,#092H ;显示05
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F5H ;P3.3~3.0输出0101
AJMP LOOP
L6: MOV 31H,#082H ;显示06
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F6H ;P3.3~3.0输出0110
AJMP LOOP
L7: MOV 31H,#0F8H ;显示07
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F7H ;P3.3~3.0输出0111
AJMP LOOP
L8: MOV 31H,#080H ;显示08
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F8H ;P3.3~3.0输出1000
AJMP LOOP
L9: MOV 31H,#090H ;显示09
MOV 32H,#0C0H
MOV 33H,#0F9H ;P3.3~3.0输出1001
AJMP LOOP
L10: MOV 31H,#0C0H ;显示10
MOV 32H,#0F9H
MOV 33H,#0FAH ;P3.3~3.0输出1010
AJMP LOOP
L11: MOV 31H,#0F9H ;显示11
MOV 32H,#0F9H
MOV 33H,#0FBH ;P3.3~3.0输出1011
AJMP LOOP
L12: MOV 31H,#0A4H ;显示12
MOV 32H,#0F9H
MOV 33H,#0FCH ;P3.3~3.0输出1100
AJMP LOOP
L13: MOV 31H,#0B0H ;显示13
MOV 32H,#0F9H
MOV 33H,#0FDH ;P3.3~3.0输出1101
AJMP LOOP
L14: MOV 31H,#099H ;显示14
MOV 32H,#0F9H
MOV 33H,#0FEH ;P3.3~3.0输出1110
AJMP LOOP
L15: MOV 31H,#092H ;显示15
MOV 32H,#0F9H
MOV 33H,#0FFH ;P3.3~3.0输出1111
AJMP LOOP