毕业论文(设计)基于单片机的数字功放系统设计研究

1、基于单片机的数字功放系统设计研究Based on SCMs Digital Amplifier System Design and Research学生姓名所在专业所在班级申请学位指导教师职称职称辩论时间年 月 日目 录 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc199926149 摘 要 PAGEREF _Toc199926149 h I HYPERLINK l _Toc199926150 ABSTRACT PAGEREF _Toc199926150 h II HYPERLINK l _Toc199926151 1绪论 PAGEREF _Toc199926151 h 1

2、 HYPERLINK l _Toc199926152 1.1引言 PAGEREF _Toc199926152 h 1 HYPERLINK l _Toc199926153 1.2数字功放系统的研究意义 PAGEREF _Toc199926153 h 1 HYPERLINK l _Toc199926154 1.3本设计主要研究工作 PAGEREF _Toc199926154 h 2 HYPERLINK l _Toc199926155 1.4本设计的结构 PAGEREF _Toc199926155 h 2 HYPERLINK l _Toc199926156 2功率放大器与AVR单片机的根底相关知识

3、PAGEREF _Toc199926156 h 3 HYPERLINK l _Toc199926157 2.1功率放大器 PAGEREF _Toc199926157 h 3 HYPERLINK l _Toc199926158 2.1.1模拟功放 PAGEREF _Toc199926158 h 3 HYPERLINK l _Toc199926159 2.1.2数字功放 PAGEREF _Toc199926159 h 4 HYPERLINK l _Toc199926160 2.2AVR单片机结构及应用知识 PAGEREF _Toc199926160 h 4 HYPERLINK l _Toc1999

4、26161 3数字功率放大器系统总体设计 PAGEREF _Toc199926161 h 6 HYPERLINK l _Toc199926162 3.1系统总体设计方案 PAGEREF _Toc199926162 h 6 HYPERLINK l _Toc199926163 3.2系统设计的组成 PAGEREF _Toc199926163 h 6 HYPERLINK l _Toc199926164 3.2.1硬件系统局部 PAGEREF _Toc199926164 h 6 HYPERLINK l _Toc199926165 3.2.2软件系统局部 PAGEREF _Toc199926165 h

5、7 HYPERLINK l _Toc199926166 4硬件系统的组成与功能分析 PAGEREF _Toc199926166 h 8 HYPERLINK l _Toc199926167 4.1前置放大 PAGEREF _Toc199926167 h 8 HYPERLINK l _Toc199926168 4.1.1AD8605的功能介绍 PAGEREF _Toc199926168 h 8 HYPERLINK l _Toc199926169 4.1.2数字电位器X9C102的功能介绍 PAGEREF _Toc199926169 h 8 HYPERLINK l _Toc199926170 4.1

6、.3前置放大局部的设计 PAGEREF _Toc199926170 h 9 HYPERLINK l _Toc199926171 4.2A/D与PWM转换 PAGEREF _Toc199926171 h 10 HYPERLINK l _Toc199926172 4.2.1A/D转换 PAGEREF _Toc199926172 h 11 HYPERLINK l _Toc199926173 4.2.2PWM转换 PAGEREF _Toc199926173 h 12 HYPERLINK l _Toc199926174 4.3功率放大及滤波 PAGEREF _Toc199926174 h 15 HYPE

7、RLINK l _Toc199926175 4.3.1功率放大 PAGEREF _Toc199926175 h 15 HYPERLINK l _Toc199926176 4.3.1.1三极管工作原理 PAGEREF _Toc199926176 h 15 HYPERLINK l _Toc199926177 4.3.1.2BTL电路 PAGEREF _Toc199926177 h 16 HYPERLINK l _Toc199926178 4.3.1.3功率放大电路局部的设计分析 PAGEREF _Toc199926178 h 17 HYPERLINK l _Toc199926179 4.3.2滤波

8、 PAGEREF _Toc199926179 h 18 HYPERLINK l _Toc199926180 5软件设计 PAGEREF _Toc199926180 h 19 HYPERLINK l _Toc199926181 6整体系统优点和存在问题及改良 PAGEREF _Toc199926181 h 21 HYPERLINK l _Toc199926182 6.1 整体设计优点 PAGEREF _Toc199926182 h 21 HYPERLINK l _Toc199926183 6.2 存在问题及改良 PAGEREF _Toc199926183 h 21 HYPERLINK l _To

9、c199926184 鸣 谢 PAGEREF _Toc199926184 h 22 HYPERLINK l _Toc199926185 参考文献 PAGEREF _Toc199926185 h 23 HYPERLINK l _Toc199926186 附 录 PAGEREF _Toc199926186 h 24摘 要AVR系列单片机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本钱低、硬件简单，而且易实现各种扩展功能。本文正是用它来研究和设计一个数字系统。首先介绍了数字功放的一些根底知识，再详细的对整个系统的原理进行解析，紧接着对

10、系统中各个单元模块电路的工作原理进行深入、具体的分析，系统模块包括：前置放大、A/D与PWM转换、功率放大及滤波等。其中最主要的是利用AVR系列单片机Mega8中的A/D与PWM转换来对信号的数字化处理。本系统具有结构简单、低功耗、抗干扰性强、体积小巧等特点，而且可扩展性强。关键词：Mega8；数字功放；PWM；AD8605；IRF7389ABSTRACTAVR microcontroller series Mega8 is a high-performance, low power consumption, the use of advanced RISC concise instructi

11、ons, built-in PWM and A / D 8-bit microcontrollers, use it to design digital amplifier is not only low-cost, simple hardware and easy Expansion of various functions. This article is use it to study and design of a digital system. First introduced a digital amplifier of some basic knowledge, the deta

12、il of the whole principle of analytical system, the system followed in the various modules of the circuit principle of an in-depth and specific analysis, system modules include: preamp, A / D converter and PWM, power amplifier and filter, and so on. The most important is to use AVR microcontroller M

13、ega8 series of A / D converter and PWM to the digital signal processing. The system is simple in structure, low power consumption, and strong anti-interference, small size and other characteristics, and strong scalability.KEywORDS: Mega8；Digital Amplifier；PWM；AD8605；IRF7389基于单片机的数字功放系统设计研究绪论引言音响技术的开

14、展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。1906年美国人德福雷斯特创造了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室创造了负反应技术后，使音响技术的开展进入了一个崭新的时代，比拟有代表性的如“威廉逊放大器，较成功地运用了负反应技术，使放大器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的开展到达了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。60年代晶体管的出现，使广阔音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。 在60年代初，美国首先推出音响技术中的新

15、成员-集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。开展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。 70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90DB、THD0.01%100kHz时的特点，很快在音响界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。随着人民生活水平的提高，许多人特别是音响发烧友们对音频功率放大器能否完美不失真的复原声音的要求近乎于苛刻。模拟的功率放大器经过了几十年开展，在这方面的技术已经相当成熟，可以说是到达了登峰造极的地步。环保与能量的利用率

16、已渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，广阔消费者对功放的效率要求越来越高。但是模拟功率放大器在这方面几乎到达了极限。另外模拟磁带播放机如录音机逐步被淘汰，数字光碟播放机如CD、VCD、DVD等已占据主流。针对这一现实数字功放应运而生。数字功放系统的研究意义功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即A类、AB类、B类、C类、D类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比拟特殊，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。人们把此种具有“开关方式的放大，称为“数字放大器。数字功放与模拟功放

17、相比有如下一些明显优势：1整个频段内无相对相移，声场定位准确由于采用无负反应的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz-20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。2瞬态相应好，即“动态特性好由于它不需传统功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储藏，加之无模拟放大、无负反应的牵制，故具有更好的“动力特征。3无过零失真传统功放都在由于对管配对及各级调整不佳产生的过铃、交越失真。4效率高、可靠性高、体积小理论上D类功放的效率可达100%，而B类放大器效率仅为78%理论值，A类功放的效率就非常低。可靠性知识告诉我们：半导体器件的温度每升高

18、10C，失真率就提高一倍。5适合于大批量生产产品的一致性好，生产中无需调试，只保证元器件正确安装即可。 因此，在人们进入数字化、信息化的开发过程中自然想到了功放的数字化这一问题。由于数字功放有很多优点，如体积小、功率大、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等。在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放。本设计主要研究工作本设计的主要任务是对数字功放系统进行探讨和研究，并在设计中结合AVR系列单片机Mega8中的A/D与PWM转换等知识，以及运用新型场效应管方面的知识设计一个基于单片机的数字功率放大器，使其能够具备输出功率大，不失真，效率高的特点。在设计中

19、由于运用了Mega8和一些新型的集成元件，使得设计的功放简单，灵活性好，可扩展性强，而这些功能仅仅通过D类功放是很难完成的。本设计的结构第一局部为功率放大器与AVR单片机的根底相关知识第二局部为功放系统的总体设计介绍第三局部为设计的各局部硬件电路模块功能的介绍分析第四局部为设计的软件框图，主要介绍Mega8中A/D与PWM转换的实现第五局部为设计的整体系统优点以及存在的缺乏与改良功率放大器与AVR单片机的根底相关知识功率放大器模拟功放半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大

20、器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高。功率放大器的开展史中出现了一件最引人注目的事情，这就是瞬态互调失真(Transient lntermoDulation)及其测量方法的提出。1963年，芬兰Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时，由于接线失误，使电路的负反应量减少了，后来却意外地发现负反应量减少后的音质非常好，客观技术指标较差，而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了，音质反而比误接时明显下降，使得功放又取得进一步的开展。而随着技术的不断开展，目前的模拟功放按放大器的工作状态可分为：A类放大器、B类推挽放大器、AB类推挽放大器等形式。A类放大器的主要特点是：晶体管

21、在输入信号的整个周期内均导通。可单管工作，也可以推挽工作。瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。B类推挽放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的半周期内导通，必须用两管推挽工作。存在交越失真，交替失真较大。效率较高，晶体管功耗较小，功率理论最大值可达78.5。可以抵消偶次谐波失真。AB类推挽放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以防止交越失真。交替失真较大。可以抵消偶次谐波失真。效率较高，晶体管功耗较小。理论上也可到达78.5的功率最大值，但实际上功率的最大值在70左右可能受到输出级

22、拓扑和输出级斜线的影响，在典型的听音条件下全功率的30左右，功放的效率为35左右。相对于A类放大器来说，AB和B类推挽放大器具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的根本电路形式。用晶体管制作的AB类放大器和B类放大器在工作状态选择不当时易产生交越失真。此外，由于推挽级中的晶体管有局部时间处于截止状态，在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真(或叫转换失真)。交替失真会产生脉冲尖峰，它包含有许多高次谐波，从而产生瞬态互调失真。用传统的正弦波谐波失真测试方法不能反映晶体管放大器的瞬态互调失真的大小。这几

23、类模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源和输出间的一个可变电阻，在控制输出的同时自身也在消耗电能，因此，模拟功放不可防止的存在着效率低下的特点。上面给出的A类、B类、AB类的效率值是在放大器处于最大功率输出时的理论值，实际上能够做到这个理论值的一半已经算不错了。而且在正常的听音过程中不可能使功放时时都有最大功率输出，这样在放音时它们的效率就更低了。数字功放功放管除了工作在线性放大状态外，还可以工作在开关状态。D类功放中的功率晶体管工作在开关状态，又称作数字功放，在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；

24、而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。典型的数字功放是D类功放。对于一个数字D类功率放大器来说PWM信号是后级驱动所必需的，在绝大多数数字D类功放中采用都是BTL的驱动形式。它在实际的工作中的功率消耗主要由两局部构成：转换损耗和I2R损耗。转换损耗如图2-1所示： 图2-1当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管绝大多数采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管，它的开关导通电阻较小一般远远小于1，所以I2R损耗相对来说还是很小的。当到达最大额定功率时，D类放大器的效率在80到90的范围内。在典型的听音条件下，

25、效率也可到达65到80左右，约为AB类放大器的两倍以上。正因为D类功放具有效率高的突出优点，所以它正成为音响研究的热点。但是它的保真度和A类及AB类功放相比那么大为逊色。理想的功放是保真度高，同时效率也高，而本设计接下来要重点研究设计的就是在D类功放的根底上改善其保真度，同时保证其效率高的数字功放系统。 AVR单片机结构及应用知识高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。回忆单片机开展史，我们看到，早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周

26、期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未彻底改观。AVR单片机是Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。RISC精简指令系统计算机是相对于CISC复杂指令系统计算机而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，防止复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz百万条指令每秒/兆赫兹的高速处理能力。AVR单片

27、机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的生跃，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部存放器存堆32个存放器文件和单体告诉输入/输出的方案即输入捕获存放器、输出比拟匹配存放器及相应控制逻辑。这样，既提高了指令执行速度可在晶振采用12MHz，对3种单片机完成16位*16位乘法运算做如下比拟：MCS-51单片机平均耗时313us，AVR单片机耗时那么降为

28、s，而MCS-96单片机16位乘法指令执行时间为s。AVR单片机耗时为MCS-96单片机的两倍，却只有MCS-51单片机的1/23，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了本钱。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和本钱诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机；而且AVR单片机定格在8位机，没必要做到像16位机那样复杂。AVR单片机具有多达10位的预分频器，由软件设定分频系数，与8/16位定时器配合，可提供多种档次的定时时间。使用时可选取最接近的时档次，即选8/16位定时器/计数器与分频系数的最优组合，减少了定时误差。AVR单片机独有的“以定时器/

29、计数器双向计数器形成三角波再输出比拟匹配存放器配合，生成占空比可变方波的设计方法即脉宽调制输出PWM更令人耳目一新。AVR单片机技术表达了单片机集多种器件包括看门狗、FLASH程序存储器、EEPROM、同/异步串行口、数模转换器、定时器/计数器等和多种功能增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具有输入捕获和比拟匹配输出等多样化功能的定时器 /计数器、具替换功能的I/O断口等于一身。一般单片机应用中的接口技术以及软、硬件抗干扰设计技术，在AVR单片机应用设计中不再占据举足轻重的地位。AVR 单片机具有多个系列，包括ATtiny、AT90、ATmega。每个系列又

30、包括多个产品，它们在功能和存储器容量等方面有很大的不同，但根本结构和原理都类似，而且编程方也相同。综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技术，不愧为8位机中的佼佼者。数字功率放大器系统总体设计系统总体设计方案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。它主要包含两局部，PWM变换和功率放大及滤波，图3-1为数字功放的根本框图。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后与三角波进行比拟，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拟器，否那么将影响PWM波形在解调后的波形，这些都将增加本钱

31、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后与计数器相比拟，即用计数的方法代替三角波，从而防止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Mega8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的输出比拟存放器中即可完成PWM调制，实现起来相当简便。PWM变换功率放大及滤波PWM变换功率放大及滤波模拟输入数字输入 图3-1 数字功放根本框图为了提高输出功率，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

32、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，本设计选用数字式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。系统设计的组成硬件系统局部本设计的硬件电路分为三局部，包括前置放大、A/D与PWM转换、功率放大及滤波。其硬件电路原理图如图3-2所示。当系统的信号输入接到信源，信号先经过放大器AD8605和数字电位器X9C102组成的放大电路，将传输过来的信号放大后，再传输到单片机进行A/

33、D与PWM变换，最后由四个新型VMOS管IRF7389组成的BTL电路实现整个电路的功率放大。 图3-2软件系统局部软件系统局部由Mega8单片机中的AD中断效劳程序、定时中断效劳程序、PWM程序、按键中断效劳程序组成，使得信号传输到Mega8单片机后，通过程序运行同时输出不失真的两路PWM电平，保证了信源的完整性，同时不引起额外的损耗。硬件系统的组成与功能分析前置放大AD8605的功能介绍AD8605是ADI公司生产的放大器，该放大器具有低失调电压、低输入电压、低电流噪声、低失真和宽带宽等特性。这些特性使它们广泛的应用于滤波、集成电路、光电二极管放大器、高阻抗传感器和音频电路中，同时具有以下

34、特征： 低失调电压(最大为65uV)； 低输入偏置电流(最大1pA)； 低噪声( 8nV/Hz )； 宽带宽(10MHz)； 单位增益稳定； 采用单电源，工作电压范围为； 高开环增益(120dB)。集成电路中的功耗会引起芯片升温，从而影响电路和芯片的性能。AD8605的最大连接温度为150，假设超过此最大温度将损坏芯片。AD8605放大器的最大功耗可由下式计算：P=(TJ-TA)/JA ；其中，TJ是连接温度；TA是周围环境温度；JA是与周围环境温度之间的结阻抗。由于AD8605的低失真和宽动态范围使其十分适合音频系统和数字处理系统，正是因为AD8605的性能特点，所以我选它来做毕业设计。数字

35、电位器X9C102的功能介绍X9C102数控电位器是由计数器、非易失性存储器、译码器、电阻阵列和控制电路组成。其根本原理是通过开关控制电阻网络接点的连接方式来改变电值，内部有一个由99个相同的阻值为1k电阻组成的电阻网络，这些电阻的每两个之间的连接点上均有一个MOS开关管作为开关，开关管导通时就把电位器的中间抽头连接在该点上，滑动单元的位置由CS、U/D和INC共三个输入端控制，数字控制局部的存储器是一种非易失性存储器，因此当电路掉电后再次上电时，数控电位器中仍保存着原有的控制数据，期中间抽头到两端点之间的电阻值仍为上一次的调整结果。因此，数控电位器与机械电位器的使用效果完全相同。数控电位器X

36、9C102具有以下特点：低功耗CMOS电路，电压35V，触发电流1MA，静态电流500mA； 100个电阻单元，有温度补偿，调整电压-5V+5V范围； 100个滑动抽头点，滑动端的位置取决于三线接口，有类似于TTL电路的升/降器电路， 滑动端保存在非易失存储器中，上电时被重新调用。电路引脚图如图4-1所示 图4-1X9C102数控电位器的输入/输出端功能介绍如下： INC：控制计数方向的输入信号，该脚为高电平时，为加计数，该脚为低电平时为减计数；U/D：计数脉冲输入，当产生一下降沿时，滑臂位置移动一格，计数值改变一个单位；CS：片选信号输入，低电平有效。当由低电平恢复为高电平，且处于高电平，计

37、数值被存入非易失性存储器中。 RH、RL：电位器的两个端点，其允许最高外接电压为5V，最低外接电压为5V；Vw：电位器中间抽头。前置放大局部的设计该局部设计主要是由ADI公司生产的低功耗、低噪声、单电源、轨对轨输入输出放大器AD8605和数字电位器X9C102。AD8605的静态电流只有mA(5V)，电源范围为，带宽为10MHz。数字电位器采用的X9C102有100个台阶，大小为1k,最小可达40，它和AD8605可组成同相放大器。正是因为AD8605和数字电位器X9C102具有以上所讲述的功能优点，所以我选择它们做为本设计的前置放大局部，电路图如图4-2所示 图4-2A/D与PWM转换本设计

38、中的A/D和PWM是电路的重要组成局部，都是通过Mega8来完成的。在AVR家族中，Mega8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DIP28，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。Mega8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，Mega8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

39、电流。如图4-3 图4-3A/D转换世界是模拟的，但我们有时需要数字信号处理，这时就需要将模拟信号转换成数字信号，而通常我们运用A/D转换正是将模拟信号转换成数字信号。模数转换器，即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将 HYPERLINK :/baike.baidu /view/38288.htm t _blank 模拟信号转变为 HYPERLINK :/baike.baidu /view/50226.htm t _blank 数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要

40、一个参考模拟量作为转换的标准，比拟常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量那么表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换的原理：A/D变换是用一个数字量表示模拟量，因为数字量的取值是离散的，而模拟量的取值是连续的，所以这种表示只能是逼近，因而变换结果相对于原模拟信号是有失真的。AVR系列单片机Mega8内部有6通道A/D，包括4路10位A/D和2路8位A/D，而且保证了转换的过程具有较高的质量，不会出现严重失

41、真。Mega8内的A/D转换有两种方式：简易A/D转换和逐步逼近式A/D转换。简易A/D转换使用到了模拟转换中断，定时器0的溢出中断，由于简易A/D转换方法的精确度较低，只适用于一般要求不高的场合。逐步逼近式A/D转换是通过Mega8内包含的一个数/模转换器DAC，它把10位逐步逼近存放器SAR的内容转换成内部电压，去与模拟输入电压在采样/保持比拟器上进行比拟。主要原理是，在采样之后，转换逻辑首先把逐步逼近存放器SAR的最高位置成1，其它位均清成0，此值为200，内部10位DAC于是将此值转换成相应的模拟电压，去与来自多路开关的输入电压进行比拟，假设外部输入电压高于或等于内部DAC转换出的电压

42、值，那么SAR中最高位的“1”保存，否那么它将被清0。转换逻辑下次把SAR的次高位置成1，此值为300或100，此值被转换成模拟电压后，将再次与外来模拟输入电压进行比拟，假设后者高于前者，那么相应位的“1”值保存下来，否那么即被清0，此过程一直继续到所有10位均被测试完为止。此时所以在本设计中我正是用Mega8内部的A/D转换通过逐步逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。PWM转换PWM是Pulse Width Modulation缩写，中文意思就是脉冲宽度调制，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换

43、等许多领域。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或

44、将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响；对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号复原为模拟形式。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广阔工程师在许多设计应用中使用的有效技术。在AVR系列单片机Mega8中内置有两个PWM通道，可以实现任意小于16位相位和频率可调的脉宽调制输出。Mega8的PWM有两种工作模式：快速PWM模式和相位可调PWM模式。相位可调PWM模式相位可调PWM模式可以产生高精度相位

45、可调的PWM波形。当T/C1工作在此模式下时，计数器为双程计数器：从0 x0000一直加到TOP，在下一个计数脉冲到达时，改变计数方向，从TOP开始减1计数到0 x0000。在设置正向比拟匹配输出COM1A1：0=2/COM1B1：0=2模式下：正向加1过程中，TCNT1的计数值与OCR1A/OCR1B相同匹配时清零OCR1A/OCR1B；反向减1过程中，TCNT1的计数值与OCR1A/OCR1B相同时置位OCR1A/OCR1B。设置反向比拟匹配输出COM1A1：0=3/COM1A1：0=3模式下：正向加1过程中，TCNT1的计数值与OCR1A/OCR1B相同匹配时置位OCR1A/OCR1B；

46、反向减1过程中，TCNT1的计数值与OCR1A/OCR1B相同时清零OCR1A/OCR1B。由于该PWM模式采用双程计数方式，所以它产生的PWM波形的频率比快速PWM低，其相位可调的特性适用于马达控制类的应用。计数器计数上限TOP值大小决定了PWM输出频率的上下，而比拟存放器的数值那么决定了输出脉冲的起始相位和脉宽。快速PWM的精度即TOP值可以为固定的8、9、10位0 x00FF、0 x01FF、0 x03FF，或由存放器OCR1A、ICR1设置值定义：最小精度为2位OCR1A=0 x0003或ICR1=0 x0003，最大精度为16位OCR1A=0 xFFFF或ICR1=0 xFFFF。其

47、他由OCR1A或ICR1设定值所定义的精度单位BIT可以由下式计算，式中TOP为存放器OCR1A或ICR1的设定值。RPWM=Log2TOP+1在TCNT1的计数值到达0 x0000时，置溢出标志TOV1为“1。如使用存放器OCR1A/ICR1的设定值作为计数器计数上限TOP值，当在TCNT1计数到达TOP时，OC1A/ICR1标志位置位，同时OCR1A/OCR1B自动更新数据来源于各自的辅助缓冲器。这些中断标志都可以用于申请中断。当改变计数器的计数上限TOP值时，新的TOP值必须大于或等于比拟存放器OCR1A/OCR1B设定比拟值，否那么比拟匹配输出将不会发生。由于在相位可调PWM模式中，O

48、CR1A/OCR1B的更新发生在TCNT1=TOP即一个PWM的周期起始点在TOP处，因此，如果在应用中需要经常改变计数器计数的上限TOP值，那么建议使用频率周期可调PWM模式。相位可调PWM模式中，OC1A/OC1B输出的PWM波形的频率输出由下式确定，式中N的取值为1、8、64、256或1024。fOC1APWM=fCLK-I/O/2NTOP通过设置比拟存放器OCR1A/OCR1B的值，可以获得不同占空比的PWM脉冲波形。OCR1A/OCR1B的一些特殊值会产生极端的PWM波形。当OCR1A/OCR1B的设置值与0 x0000相近时，会产生窄脉冲序列。当COM1A1：0=2/COM1B1：

49、0=2，且OCR1A/OCR1B的值为TOP时，OC1A/OC1B的输出为恒定的高电平，而OCR1A/OCR1B的值为0 x0000时，OC1A/OC1B的输出为恒定的低电平。快速PWM模式T/C1工作在快速PWM模式可以产生高速的PWM波形。当T/C1工作在此模式下时，计数器为单程向上的加1计数器，从0 x0000一直加到TOP，在下一计数脉冲到来时清零，然后再从0 x0000开始加1计数。在设置正向比拟匹配输出COM1A1：0=2/COM1B1：0=2模式中，当TCNT1的计数值与OCR1A/OCR1B的值相同匹配时置位OCR1A/OCR1B，当计数器的值由TOP返回0 x0000时清零O

50、CR1A/OCR1B。而在设置反向比拟匹配输出COM1A1：0=3/COM1B1：0=3模式中，当TCNT1的计数值与OCR1A/OCR1B的值相同匹配时清零OCR1A/OCR1B，当计数器的值由TOP返回0 x0000时置位OCR1A/OCR1B。由于快速PWM模式采用单程计数方式，所以其产生PWM波的频率比另外两种PWM模式高一倍。快速PWM的精度即TOP值可以为固定的8、9、10位0 x00FF、0 x01FF、0 x03FF，或由存放器OCR1A、ICR1设置值定义：最小精度为2位OCR1A=0 x0003或ICR1=0 x0003，最大精度为16位OCR1A=0 xFFFF或ICR1

51、=0 xFFFF。其他由OCR1A或ICR1设定值所定义的精度单位BIT可以由下式计算，式中TOP为存放器OCR1A或ICR1的设定值。RPWM=Log2TOP+1在TCNT1的计数值到达TOP时，置溢出标志位TOV1为“1。此外，在使用存放其OCR1A或ICR1的设定值作为计数器上限TOP值时，OCR1A或ICR1标志位也会与TOV1标志位一起置位。这些标志位都可以用于申请中断，如果响应中断，用户可以在中断效劳程序中修改存放器OCR1A或ICR1的值即TOP值。当改变计数器的计数上限TOP值时，新的TOP值必须大于或等于比拟存放器OCR1A/OCR1B设定比拟值，否那么比拟匹配输出将不会发生

52、。使用存放器OCR1A或ICR1的设定作为计数器计数上限TOP值时，更新ICR1和OCR1A的过程是不同的。存放器ICR1没有辅助缓冲器，因此当写入ICR1的设定TOP值小于当前计数器TCNT1的计数值时，将会丧失一次TCNT1与TOP相等匹配的产生，计数器要一直计数到0 xFFFF，再返回0 x0000后，才能开始并产生与新的TOP值的比拟匹配。存放器OCR1A带有辅助缓冲器，当更新OCR1A时，数据只是写入到辅助缓冲器中，而OCR1A仍然保持原TOP值。等到TCNT1与原TOP值相等匹配时，在TCNT1清零，TOV1置位的同时，辅助缓冲器中数据才进入OCR1A，使OCR1A真正得到更新。因

53、此，如不需要经常改变TOP值时，建议使用存放器ICR1来设定计数器计数的上限值，或采用固定的8、9、10位TOP值。这时，除了OCR1B外，存放器OCR1A也可用于产生PWM脉冲相当于有两个PWM输出。如果在应用中需要经常改变计数器计数的上限TOP值，那么使用存放器OCR1A作为TOP值的存放器是最好的选择，但此时只能有一个PWM输出OCR1B控制的OC1B输出。在快速PWM模式下，OC1A/OC1B输出PWM波形的频率输出由下式确定，式中N的取值为1、8、64、256或1024。fOC1APWM=fCLK-I/O/N1+TOP通过设置比拟存放器OCR1A/OCR1B的值，可以获得不同占空比的

54、PWM脉冲波形。OCR1A/OCR1B的一些特殊值会产生极端的PWM波形。当OCR1A/OCR1B的设置值与0 x0000相近时，会产生窄脉冲序列。而设置OCR1A/OCR1B的值等于TOP，OC1A/OC1B的输出为恒定的高低电平。当设置OCR1A的值为0 x0000，且OC1A的输出方式为触发式COM1A1：0=1，OC1A产生占空比为50%的最高频率PWM波形。fOC1A=fCLKI/O/2本设计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0 x0000一直加到TOP，在下一计数脉冲到来时清零，然后再从0 x0000开始加1计数。在设置正向比拟匹

55、配输出时，当计数值与OCR1A/OCR1B的值相同时，对输出比拟匹配位以下简称OC1A/OC1B进行置位操作当计数器的值从TOP返回0 x0000时那么清零OC1A/OC1B。而在设置反向比拟输出时，其输出正好与同向比拟时相反。从两路PWM的产生过程来看，两路的变化是同时的，因而防止了由于两路延时不同所引起的额外损耗，保证了信号输出的完整性。功率放大及滤波功率放大三极管工作原理晶体三极管以下简称三极管按材料分有两种：锗管和硅管。 而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面举例介绍NPN硅管的电流放大原理。

56、它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的 PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极E、基极B和集电极。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子电子及基区的多数载流子控穴很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流根本上是电子流，这股电子流称为发射极电流IE。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大局部越过集电结进入集电区而形成集电集电流IC，只剩下很

57、少1-10%的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源EB重新补纪念给，从而形成了基极电流IBO根据电流连续性原理得： IE=IB+IC 这就是说，在基极补充一个很小的IB，就可以在集电极上得到一个较大的IC，这就是所谓电流放大作用，IC与IB是维持一定的比例关系，即： B1=IC/IB 式中：B-称为直流放大倍数， 集电极电流的变化量IC与基极电流的变化量IB之比为： B= IC/IB 式中B-称为交流电流放大倍数，由于低频时B1和B的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，B值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作

58、用，通过电阻转变为电压放大作用。场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET)简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高(108109)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、平安工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管(JFET)因有两个PN结而得名,绝缘栅型场效应管(JGFET)那么因栅极与其它电极

59、完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中,应用最为广泛的是MOS场效应管,简称MOS管(即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET);此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管,以及最近刚问世的MOS场效应管、VMOS功率模块等。按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。假设按导电方式来划分,场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。BTL电路集成功率放大器由于不仅具有体积小、重量轻、本钱

60、低、外围元件少、安装调试简单、使用方便的优点；而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、失真小，特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。由于集成功率放大器具有分立元件不具有的很多优点，近年来集成功率放大器件开展很快，使用相当广泛。产品有单通道和双通道、单功放、双功放及多功放等器件。集成功放在实际应用中通常接成OCL电路，或OTL电路，接成BTLBALANCED TRANSfORMER LESS电路却很少，而BTL电路的优点是电源利用率比前面两种电路高4倍。大家知道OCL和OTL两种功放电路的效率很高，但是他们的缺点就是电源的利用率