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引言   
D類功放以其效率高、發熱量低、體積小、便攜等特點在汽車、手持設備、多媒體等領域的音響系統中占據了重要的地位。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。本文設計了一種數控D類功放，通過一些關鍵環節的設計，并加以理論分析，通過測試，在20 Hz～20 kHz音頻范圍內，實現了高效率、低失真、高保真。

1 系統原理分析
1．1 D類功放效率分析
功放的實質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類功放以效率高、體積小為主要優點，采用兩個相位相反的PWM驅動差分輸出方式，理論上效率可以達到100％。下面是方波的傅里葉級數：
   

    但由于場效應管的開關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)的音頻數據流，經過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關用于數字音頻信號(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過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，該信號經過TDA8922內部的PWM調制和DDX功率控制后，產生足夠大的音頻功率去驅動外部音頻設備。單片機AT89C2051主要用于鍵盤輸入的掃描、工作狀態的提示以及各功能模塊工作狀態的設置和管理。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。鍵盤和顯示模塊用于接收用戶的操作輸入并向用戶反饋系統的當前狀態。數控D類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關，可選擇來自USB接口的數字音頻信號(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個引腳，最高頻率可以達到24 MHz，128個內部RAM字節，兩個定時器，可以直接驅動LED，內部資源豐富，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，比較穩定。

4 軟件設計
    圖6為主程序流程圖。主程序要完成兩個任務，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。事件掃描程序將鍵盤按下、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 實驗結果
    將做好的數控D類功放板UPA0011按照圖8連接。

    按照如下步驟測試：①按圖8所示關系連接左聲道；②將音量開到最大；③將輸入信號的頻率調至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，正確調節失真度儀，記錄失真度儀的指示值THD；④按圖8所示關系連接右聲道，重復第3步，測量右聲道的THD。測試結果如表1所列。

結語
    本文設計的數控D類功放是既具有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。該功放在多媒體領域有著良好的應用前景。