数控D类功放系统的设计与分析

摘要：介绍了一款基于DDX功率驱动技术、既具有USB数字音频接口又具有模拟音频接口的数控D类功放系统。采用AT89C2051作为主控芯片，通过事件扫描方式让控制曼有效率，通过I2C总线让TDA7449芯片具有16阶的音量控制、16阶的音调控制、声道选择、静音控制等功能；利用数学模型，分析了该数控D类功放具有高效率和很好的音调控制功能；通过LC二阶滤波电路的分析和设计，让功放的最大总谐波失真控制在0．5％以内。
关键词：D类功放；LC滤波器；高效率；高保真

引言
D类功放以其效率高、发热量低、体积小、便携等特点在汽车、手持设备、多媒体等领域的音响系统中占据了重要的地位。但保真度不够是D类功放一直无法完全替代A类、AB类功放的根本原因。本文设计了一种数控D类功放，通过一些关键环节的设计，并加以理论分析，通过测试，在20 Hz～20 kHz音频范围内，实现了高效率、低失真、高保真。

1 系统原理分析
1．1 D类功放效率分析
功放的实质是把电源提供给放大器的直流功率，转换成负载的交流功率。D类功放以效率高、体积小为主要优点，采用两个相位相反的PWM驱动差分输出方式，理论上效率可以达到100％。下面是方波的傅里叶级数：


但由于场效应管的开关损耗和各模块元件的损耗，不可能达到100％。再考虑到CMOS场效应管导通电阻损耗、偏置电流损耗、输入电容充电损耗等，使得一般的D类功放在8 Ω负载时效率为85％左右。其效率仍要比目前市场上广泛采用的AB类功放效率高很多。
1．2 音调电路分析

电路设计中，低音控制中的R2选择2 kΩ，Ri为25 kΩ，C1为150nF，C2选择为330nF。根据式(1)求出转折频率为32 Hz。高音控制中，C1为5．6 nF，而Ri为25 kΩ，根据式(2)求出转折频率为1 137 Hz。

2 系统总体设计
系统主要由TI公司的USB数字音频接口(PCM2704)、ST公司的模拟音频接口(TDA7449)、Philips公司的DDX音频功率放大器(TDA8922)、Atmel公司的单片机(AT89C2051)以及电源和键盘和显示电路组成。其中PCM2704用于接收来自USB主机(如台式电脑、笔记本电脑、PDA、手机等)的音频数据流，经过数字音量和音效处理后，将其转换为模拟音频信号。TDA7449内置的二选一立体声多路开关用于数字音频信号(PCM27 04的输出)和模拟音频信号(外部输入)之间的切换，被选中的音频信号在经过TDA74149内部的模拟音量和音效处理后，再送至音频功率放大器TDA8922，该信号经过TDA8922内部的PWM调制和DDX功率控制后，产生足够大的音频功率去驱动外部音频设备。单片机AT89C2051主要用于键盘输入的扫描、工作状态的提示以及各功能模块工作状态的设置和管理。电源模块为系统提供的±15 V功率电源、+9 V的模拟电源和+5 V的数字电源。键盘和显示模块用于接收用户的操作输入并向用户反馈系统的当前状态。数控D类功放总体设计框图如图2所示。

3 主要硬件设计
3．1 模拟音频处理单元
数控D类功放模拟音频处理单元如图3所示，ST公司的TDA7449内置的二选一立体声多路开关，可选择来自USB接口的数字音频信号(PCM2 704的输出)和来自外部的模拟信号。通过I2C总线可以设置16阶的前置放大倍数、16阶的音量大小、16阶的音调控制以及立体声和单声道输出。

3．2 单片机控制电路
主控CPU采用了AT89C2051单片机，它有20个引脚，最高频率可以达到24 MHz，128个内部RAM字节，两个定时器，可以直接驱动LED，内部资源丰富，性价比高。
单片机控制电路主要通过扫描矩阵式键盘，将扫描信息通过P3．5引脚和P3．7引脚模拟的I2C总线接口发送到TDA7449的I2C总线输入接口，同时通过P3．0引脚控制TDA8922的模式是静音还是正常放大，并将按键信息通过LED显示出来，如图4所示。

3．3 LC低通滤波电路
Bufferworth类型的LC滤波器是一个简单的二阶滤波器。它的频率响应相对平坦，而且需要的滤波元件较少。LC滤波电路如图5所示。

二阶Bufferworth类型滤波器的传递函数为

图5所示低通滤波器的传递函数为


由式(10)、式(11)，在本次系统选择中，选取了22 μF的磁屏蔽功率电感和680 nF的聚丙烯电容作为LC滤波器材料，其中磁屏蔽功率电感可防止磁泄露对扬声器造成干扰；聚丙烯电容的无功功率比较大，而且漏电流小，比较稳定。

4 软件设计
图6为主程序流程图。主程序要完成两个任务，一是初始化，包括对TDA7449音调控制芯片音量、音调、数字模拟信号选择的初始化，TD A8922功放芯片的初始化，键盘显示的初始化；二是从事件队列读取事件，进行事件处理。图7为事件扫描程序流程图，通过事件扫描的方式可以让主程序可读性更强，效率也更高。事件扫描程序将键盘按下、USB器件拨出、USB器件插入分为3个独立的事件，每个事件发生时将事件入口地址送到事件队列中。主程序通过读取事件队列，完成对各个事件的处理。