用STC单片机制作D类功放电路

　　在各类功放中，D类功放以极高的效率着称，因而更符合绿色革命的潮流，也因此越来越引起各方面的重视。笔者在参考了相关资料后，决定尝试用单片机和功率三极管来DIY一款简单有趣的D类功放。对笔者来说，这个DIY既有模拟电路方面的知识，也有数字电路方面的知识，特别是PCB出图时，在对AD采样中对地的处理、双声道采样最佳时序处理和PWM输出，是一种锻炼和提高。

　　D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入0或1信号让晶体管进入饱和或截至状态，晶体管相当于一个开关，把电源与负载直接接通或截止。理想晶体管没有饱和压降，不耗电，实际的晶体管总会有很小的饱和压降，因而会消耗部分电能。由于这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别适用于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率约为100%。

　　下图是DIY的D类功放方案，分为AD转换、D类功放、低通滤波三部分。

　　1.AD转换
　　
　　利用单片机的AD转换功能将输入的模拟信号转换为占空比随模拟信号电压变化的PWM信号。这里选用价格低廉的STCl2C5202AD单片机。该单片机运行速度是普通8051单片机的数倍，并且司以使用高达40MHz的外部晶振。AD采样速率可达250kHz。与使用运放+三角波形作为基准信号源产生PWM的方法相比，此方案更容易产生波形、频率稳定准确的PWM波。

　　由于一般音源的输出信号较为微弱，在AD采样前要加预放（如没有设计预放而会引起输出功率偏低）。为适应单片机+5V的工作模式，还需要在模拟信号上叠加+2.5V直流电压。若音频输入信号为零、直流偏置为单片机AD采样基准电压的1/2，则单片机输出方波的占空比为1:1。当有音频信号输入时，在信号的正半周期间，单片机输出方波高电平的时间比低电平长，占空比大于1:1；在信号的负半周期间，由于还有直流偏置，所以单片机采样脚的电平仍然大于零，方波占空比小于1:1。这样，单片机输出的就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，即PWM（PulseWidthModulation脉宽调制）。

　　顺便提一下，PWM和PDM（PulseDurationModulation脉冲持续时间调制）还是有区别的，PDM是高电平宽度固定低电平宽度随调制信号变化的方波，即单位时间内“标准脉冲”个数可以被信号调制。其好处是高频能量分布在更广的频率范匪内，而不是像PWM那样，由于载频固定，高频能量集中在载频倍频的音调中。

　　下面介绍AD转换和PWM程序设计方法。

　　方法1:在主程序中左右声道PWM开始的同时，进行左右声道AD采样，在AD采样子程序中一次采样左右声道，完成后等待一段时间再刷新左右声道PWM0、PWMl的CCAPL0、CCAPLL比较寄存器，作为下一次PWM的数据。这样做的好处是，在PWM的同时可以进行AD转换，充分利用CPU时间，其缺点是AD采样时可能会引入PWM噪声，并且不能准确控制刷新PWM比较寄存器的时间，波形见下图。

　　方法2:与方法1 相似，只要是使能PWM 中断，在中断处理程序中刷新左右声道PWMO、PVMl的CCAPL0、CCAPLl 比较寄存器。

　　方法3:在主程序中开启左右声道PWM，并使能PWM 中断，进入无限循环。在中断处理程序中进行AD 采样，然后刷新PWM 比较寄存器。其缺点是：PWM 完成后才进行AD 转换，令采样频率变低。

　　经反复比较后，选用了方法2，部分程序如下：

　　主程序：

　　void main（void）{Init_System 0；CR=1;///开始PWMwhile（1）{DA 0；DA（）；DA（）；DA（）；DA（）；DA（）；DA（）；DA 0；DA （）；DA （）；WDT_CONTR=0x3C；////喂狗}}

　　AD 采样子程序：

　　voidAD（void） ////方法2{//采样左声道8.4μ，s//ADC_CONTR=0xEC;∥选择通道p1.4 并开始转换。

　　_nop_（）；_nop_（）；_op_（）；_nop_（）；_nop_0；while（ADC_CONTR!=OxF4）；/////等待AD 转换完成ADC_CONTR=0xE4；AD_resuIt_LEFT=（0xFF-ADC_DATA） ；////STCl2C5202AD 单片机PWM 默认CCAPLO 小于待比较值时输出低电平，且此模式不像MEGA 系类单片机那样可以设置。为了PWM 和采样值一致，需与OxFF 做差值。

　　//采样右声道8.4μs//ADC_CONTR=0xEE；//选择通道p1.6 并开始转换。

　　_nop_（）；_nop_（）；-nop_（）；_nop_（）；_nop_0；while（ADC_CONTR!=0xF6）；/////等待AD 转换完成ADC_CONTR=0xE6；AD_result_RIGHT=（OxFF-ADC_DATA）；）

　　PWM 中断子程序：

　　voidPCA_nt（void）interrupt 7/////2///3{CF=0；//清空溢出标志CCAPOH=AD_result_LEFT；////PWM0//刷新比较寄存器的数据CCAPlH=AD_result RIGHT；////PWMl}

　　2.D类功放
　　
　　D类功放是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。其最大输出功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。

　　设计这部分电路时，笔者为了方便给单片机供电，采用单电源供电，曾尝试用OTL功放电路不加自举电路，工作时输出耦合电容前端电压约为2.5V，表现为输出功率和效率很低。这是因为单片机输出的0～5V的PWM脉冲信号不能使这只NPN型管子完全导通所致（输出耦合电容前端电压会抬高，正常工作时这点电压约为1/2供电电压），电路见图所示。

　　考虑到经典OTL电路分立元件较多，焊接组装后印制板难看，调试不方便，笔者采用了将单片机输出的PWM经过运放TL082组成的2.5V比较电路，当高于2.5V时输出+12V电压，低于2.5V时输出-12V电压，以此驱动后级由IRF7389组成的功放电路的方式，电路如图所示。

　　3.低通滤波器
　　
　　此部分的作用，是把大功率PWM波形中的声音信息还原出来，其方法是用一个低通滤波器。

　　由于此时电流很大，而RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，因此必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1:1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；当窄脉冲到来时，放电时间大于充电时间，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化一致，所以原音频信号被恢复出来，波形见图。

　　低通滤波器的性能对音质的影响很大，该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。好在D类功放的输出阻抗小对音响的阻抗，如4Ω、8Ω不是很敏感。由于PWM频率足够高，笔者只设计了一个电感和一电容的低通滤波器。

　　以上介绍的是笔者实践的过程，论述并不严谨，而且有很多方面需要改进，比如程序设计、供电电压（正负供电）、功放电路（可以用两片单片机，或带4路PWM功能的STCl2C，5608AV单片机分别制作左右声道，采用H桥功放电路）、输出滤波电路等等，有兴趣的朋友可以按自己的想法改进设计，还可以增加红外遥控音量调节等功能。