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)、手持設備、多媒體等領(lǐng)域的音響系統中占據了重要的地位。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。本文設計了一種數控D類(lèi)功放，通過(guò)一些關(guān)鍵環(huán)節的設計，并加以理論分析，通過(guò)測試，在20 Hz～20 kHz音頻范圍內，實(shí)現了高效率、低失真、高保真。

1 系統原理分析
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，轉換成負載的交流功率。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驅動(dòng)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：
   

    但由于場(chǎng)效應管的開(kāi)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(chǎng)效應管導通電阻損耗、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 音調電路分析
   
    電路設計中，低音控制中的R2選擇2 kΩ，Ri為25 kΩ，C1為150nF，C2選擇為330nF。根據式(1)求出轉折頻率為32 Hz。高音控制中，C1為5．6 nF，而Ri為25 kΩ，根據式(2)求出轉折頻率為1 137 Hz。


2 系統總體設計
    系統主要由TI公司的USB數字音頻接口(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(pán)和顯示電路組成。其中PCM2704用于接收來(lái)自USB主機(如臺式電腦、筆記本電腦、PDA、手機等)的音頻數據流，經(jīng)過(guò)數字音量和音效處理后，將其轉換為模擬音頻信號。TDA7449內置的二選一立體聲多路開(kāi)關(guān)用于數字音頻信號(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(guò)TDA74149內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(guò)TDA8922內部的PWM調制和DDX功率控制后，產(chǎn)生足夠大的音頻功率去驅動(dòng)外部音頻設備。單片機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)的設置和管理。電源模塊為系統提供的±15 V功率電源、+9 V的模擬電源和+5 V的數字電源。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)反饋系統的當前狀態(tài)。數控D類(lèi)功放總體設計框圖如圖2所示。


3 主要硬件設計
3．1 模擬音頻處理單元
    數控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接口的數字音頻信號(PCM2 704的輸出)和來(lái)自外部的模擬信號。通過(guò)I2C總線(xiàn)可以設置16階的前置放大倍數、16階的音量大小、16階的音調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(gè)引腳，最高頻率可以達到24 MHz，128個(gè)內部RAM字節，兩個(gè)定時(shí)器，可以直接驅動(dòng)LED，內部資源豐富，性?xún)r(jià)比高。
    單片機控制電路主要通過(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(lèi)型濾波器的傳遞函數為
   
    圖5所示低通濾波器的傳遞函數為
   
   
    由式(10)、式(11)，在本次系統選擇中，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(cháng)C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(wú)功功率比較大，而且漏電流小，比較穩定。

4 軟件設計
    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TDA7449音調控制芯片音量、音調、數字模擬信號選擇的初始化，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，效率也更高。事件掃描程序將鍵盤(pán)按下、USB器件撥出、USB器件插入分為3個(gè)獨立的事件，每個(gè)事件發(fā)生時(shí)將事件入口地址送到事件隊列中。主程序通過(guò)讀取事件隊列，完成對各個(gè)事件的處理。


5 實(shí)驗結果
    將做好的數控D類(lèi)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(kāi)到最大；③將輸入信號的頻率調至1 kHz，然后從-30 dBV開(kāi)始逐漸增大輸入信號的幅度，直到dBV2的指示值為10 dBV時(shí)為止，正確調節失真度儀，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，重復第3步，測量右聲道的THD。測試結果如表1所列。

結語(yǔ)
    本文設計的數控D類(lèi)功放是既具有USB數字音頻接口、又具有模擬音頻接口的數字音頻功率放大器。DDX技術(shù)的引入使它具有極高的效率和極低的失真度，在連續輸出2×15 W功率的條件下，可以不使用任何散熱片。實(shí)驗結果表明，設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(zhù)良好的應用前景。