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引言   
D類功放以其效率高、發(fā)熱量低、體積小、便攜等特點在汽車、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類功放一直無法完全替代A類、AB類功放的根本原因。本文設(shè)計了一種數(shù)控D類功放，通過一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計，并加以理論分析，通過測試，在20 Hz～20 kHz音頻范圍內(nèi)，實現(xiàn)了高效率、低失真、高保真。

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

    但由于場效應(yīng)管的開關(guān)損耗和各模塊元件的損耗，不可能達到100％。再考慮到CMOS場效應(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類功放在8 Ω負載時效率為85％左右。其效率仍要比目前市場上廣泛采用的AB類功放效率高很多。
1．2 音調(diào)電路分析
   
    電路設(shè)計中，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
    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(AT89C2051)以及電源和鍵盤和顯示電路組成。其中PCM2704用于接收來自USB主機(如臺式電腦、筆記本電腦、PDA、手機等)的音頻數(shù)據(jù)流，經(jīng)過數(shù)字音量和音效處理后，將其轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號。TDA7449內(nèi)置的二選一立體聲多路開關(guān)用于數(shù)字音頻信號(PCM27 04的輸出)和模擬音頻信號(外部輸入)之間的切換，被選中的音頻信號在經(jīng)過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，該信號經(jīng)過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)動外部音頻設(shè)備。單片機AT89C2051主要用于鍵盤輸入的掃描、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。鍵盤和顯示模塊用于接收用戶的操作輸入并向用戶反饋系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。數(shù)控D類功放總體設(shè)計框圖如圖2所示。


3 主要硬件設(shè)計
3．1 模擬音頻處理單元
    數(shù)控D類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關(guān)，可選擇來自USB接口的數(shù)字音頻信號(PCM2 704的輸出)和來自外部的模擬信號。通過I2C總線可以設(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 單片機控制電路
    主控CPU采用了AT89C2051單片機，它有20個引腳，最高頻率可以達到24 MHz，128個內(nèi)部RAM字節(jié)，兩個定時器，可以直接驅(qū)動LED，內(nèi)部資源豐富，性價比高。
    單片機控制電路主要通過掃描矩陣式鍵盤，將掃描信息通過P3．5引腳和P3．7引腳模擬的I2C總線接口發(fā)送到TDA7449的I2C總線輸入接口，同時通過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LED顯示出來，如圖4所示。

3．3 LC低通濾波電路
    Bufferworth類型的LC濾波器是一個簡單的二階濾波器。它的頻率響應(yīng)相對平坦，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LC濾波器材料，其中磁屏蔽功率電感可防止磁泄露對揚聲器造成干擾；聚丙烯電容的無功功率比較大，而且漏電流小，比較穩(wěn)定。

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


5 實驗結(jié)果
    將做好的數(shù)控D類功放板UPA0011按照圖8連接。

    按照如下步驟測試：①按圖8所示關(guān)系連接左聲道；②將音量開到最大；③將輸入信號的頻率調(diào)至1 kHz，然后從-30 dBV開始逐漸增大輸入信號的幅度，直到dBV2的指示值為10 dBV時為止，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，測量右聲道的THD。測試結(jié)果如表1所列。

結(jié)語
    本文設(shè)計的數(shù)控D類功放是既具有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。實驗結(jié)果表明，設(shè)計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。