ЦИФРОВОЙ СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

 

Абрамов Сергей  г. Оренбург

 

 

Революционное решение в эре звукоусиления это цифровые усилители мощности. Они отличаются от своих собратьев линейных усилителей несколько иным подходом к решению проблемы звукоусиления. Наше ухо воспринимает звуковое давление от громкоговорителей в диапазоне 20Гц-20кГц. Едва ли найдется  человек, который способен слышать за пределами данного диапазона. Поэтому если звуковую частоту преобразовать в ШИМ импульсы и коммутировать силовые ключи на частоте 100-200кГц то моменты переключения слышно не будет. К тому же электромеханические звуковые системы обладают достаточно большой инерционностью, чтобы воспроизводить частоты выше 30-50 кГц. В ШИМ усилителях превращение цифрового сигнала в аналоговый происходит непосредственно в динамиках. Эти усилители хорошо себя ведут в узком частотном диапазоне. Поэтому достаточно перспективно программным способом разделить частотные диапазоны, и каждый усиливать отдельно, при этом нет необходимости устанавливать фильтры в колонках.  Данная схема достаточно легко позволяет увеличивать выходную мощность в несколько сотен, или даже тысяч ватт. Для этого достаточно увеличить напряжение питания выходных ключей. Линейные усилители низкой частоты обладают очень низким КПД, так как на выходных транзисторах рассеивается большая мощность, которая не преобразуется в звуковое давление. В цифровых усилителях выходные транзисторы работают в ключевом режиме, основные потери происходят в моменты переключения транзисторов. Но если применять достаточно быстрые транзисторы, то потери можно будет еще больше уменьшить. По мнению автора КПД подобного усилителя может быть 90-95%.

 

Рис1.

 

Рассмотрим подробнее работу цифрового усилителя низкой частоты рис 1. Данная схема не претендует на усилитель с высокими параметрами это всего лишь ступень к дальнейшему совершенствованию конструкции. Аналоговый сигнал амплитудой 0,5-2 вольта через емкости левого С1 и правого С2 канала поступает на вход линейного дельта модулятора с частотой дискретизации около 200 кГц. Подробно про работу дельта модулятора можно почитать в статье [1].  С прямого выхода линейного дельта модулятора при помощи формирователя напряжения смещения на отрицательных входах компаратора устанавливается половина напряжения питания, необходимого для преобразования обоих полуволн входящего звукового сигнала. С инверсного выхода дельта модулятора на входы компаратора через емкости С4,С7 заведена отрицательная обратная связь по переменному напряжению. С прямых и инверсных выходов модулятора ШИМ импульсы поступают на драйвер шести ключей, имеющий три выхода для управления нижними ключами и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления. VT1,VT2 используется для левого VT3,VT4 для правого канала. Для того чтобы при отсутствии сигнала на входе усилителя через громкоговорители проходил небольшой ток необходимо второй вывод подсоединить к половине напряжения источника питания. Но так как у нас имеется в наличии еще два ключа VT5,VT6 то мы их используем для формирования импульсной земли. Поочередно открывая то один то другой транзистор с частотой около 100кГц. Для ШИМ усилителей желательно использовать источник питания с малыми пульсациями. Альтернативным выходом является запитка выходных ключей от импульсного источника питания работающего на частоте 30-50кГц, или попробовать подключить импульсный трансформатор к ключам на транзисторах VT5,VT6 подобно как в статье [2], а со вторичной обмотки с отводом от середины запитать силовые ключи усилителя мощности и громкоговоритель. Соединительный шнур от выхода усилителя до колонки лучше делать экранированным - тогда будет меньше паразитных наводок и интерференции. Нагрузка должна быть строго индуктивная.

Для оцифровки аналогового сигнала, формирования последовательности сигналов для драйвера ключей и импульсной земли, а также блокировки усилителя в случае перегрузки по току используется микроконтроллер PIC16F628. На микроконтроллерах можно не только оцифровывать низкочастотный сигнал, но и строить регуляторы тембра, баланса и громкости, используя математические формулы индицировать и запоминать установленные ранее настройки. В качестве драйвера использована микросхема IR2130. Микросхема драйвера спроектирована, так что исключается одновременное открытие верхнего и нижнего ключа и тем самым предотвращается прохождение сквозного тока. В микросхеме также имеется схема защиты от перегрузки.

Практическая схема цифрового стереофонического ШИМ усилителя низкой частоты приведена на Рис2. После включения устройства  напряжение 24 вольта поступает на микросхему D3 и стабилизируется на уровне 15вольт, от которого запитывается микросхема драйвера D4 и вторичный стабилизатор D2. Напряжение +5вольт со стабилизатора D2 поступает на микроконтроллер D1. После сброса происходит инициализация всех регистров и портов микроконтроллера, а далее в цикле в порты RB2 (прямой) ,RB5 (инверсный)  выводится меандр, который пройдя через драйвер управляет поочередно ключами VT5,VT6 импульсной земли. На резисторах R3,R4,R6,R7 и конденсаторах С5,C6 выполнен формирователь напряжения смещения, который на отрицательных входах RA0,RA1 компараторов входящих в состав микроконтроллера удерживает половину напряжения питания 2,5 вольта. На резисторах R8,R9 и конденсаторах C9,C10 и положительных входах RA2,RA3 компаратора микроконтроллера выполнен линейный дельта-модулятор с частотой выборки около 200кГц. Емкости С4,С7 обеспечивают отрицательную обратную связь по переменному току. Впрочем можно их не ставить так как в результате этого происходит сужение частотного диапазона. Цепочка R10-R16 и конденсатор С13 обеспечивает

защиту силовых ключей от перегрузки по току. Если сработает защита то загорится светодиод HL1, а на выходах порта RB0-RB5 установятся единичные уровни, и тем самым выключатся ключи. Для снятия защиты необходимо отключить, а затем включить питание. HEX файл программы расположен в табл. 1, а ассемблерный код в Табл.2.

Настройка сводится к установке резистором R14 порога срабатывания защиты.

Детали: Все постоянные конденсаторы керамические низковольтные кроме С15,С18,С20,С22 они рассчитаны на 50вольт а также конденсатор С24 на напряжение 1-2кV, его необходимо расположить в непосредственной близости от транзисторов. Электролитические конденсаторы типа К50-35. Все резисторы МЛТ 0,125 кроме R16 он проволочный и выполнен из константана диаметром 1мм. R14 типа СП5-2.

 

Рис2.

 

 

Табл1.

 

:020000040000FA

:020000000528D1

:080008000900831203138501B6

:100010003F30860004309F00831603139F01803019

:1000200081002F3085000030860000308B00831265

:100030000313A0143F30840080018403A0181C28FF

:10004000A1016400211C28288616061121102C28E5

:1000500006158612211400001F1F31280614861170

:100060003328861506109F1F3828861406123A2852

:1000700006168610851E3D2821288B133F308600EA

:020080003D2819

:02400E00463F2B

:00000001FF

 

 

 

Табл2.

 

; Частота КВАРЦА=20,0

                list p=16f628

                #include  <p16f628.inc>

 

                 __CONFIG  _HS_OSC & _BODEN_ON & _CP_OFF & _DATA_CP_OFF & _PWRTE_ON & _WDT_ON & _LVP_OFF & _MCLRE_OFF   

 

        errorlevel      -302    ;не выводить ошибки переключения банков

;============================================================================================  

banc0      macro

                bcf  STATUS,RP0

                bcf  STATUS,RP1

                endm

banc1      macro

                bsf  STATUS,RP0

                bcf  STATUS,RP1

                endm

banc2      macro

                bsf  STATUS,RP1

                bcf  STATUS,RP0

                endm

banc3      macro

                bsf  STATUS,RP0

                bsf  STATUS,RP1

                endm

;==============================================================================================              

                                ;РЕГИСТРЫ

                cblock H'21'

                RF                                           ;Регистр Флагов

                endc

;==============================================================================================              

                org 0                                       ;Вектор сброса

                goto         START

;=============================================================================================

                org 4                                       ;Вектор прерывания           

                retfie

;==============================================================================================                             

START                                                   ;Инициализация регистров процессора

                banc0                                     ;Перекл. на банк0

                clrf          PORTA                    ;обнуляем PORTA

                movlw     b'00111111'           

                movwf    PORTB                    ;Выключаем все ключи

                movlw     B'00000100'            ;Включаем компаратор C1(RA0-;RA3+);C2(RA1-;RA2+) ; остальные цифровые входы -выходы

                movwf    CMCON                   ;

                banc1                                    ;Перекл. на банк1

                clrf          VRCON                   ;Выключить источник опорного напряжения

                movlw     B'10000000'            ;Нагруз.рез.порта B выкл,такт генер.на вход TMR0,предд. TMR0,коэф.дел=1/2:

                movwf    OPTION_REG

                movlw      B'00101111'           ;Порты RА4 на вывод, RA0-RA3;RA5-ввод

                movwf   TRISA

                movlw      B'00000000'           ;Порты RB0-RB7 на вывод

                movwf     TRISB

                movlw      B'00000000'           ;Общее прерыв Запрещено,

                movwf     INTCON 

                banc0

                                                               ;очистка всех регистров

                bsf          20,1                        ;20- начальный адрес

                movlw     3F                           ;Конечный адрес

                movwf    FSR

Clr           clrf          INDF

                decf        FSR,F

                btfsc       20,1                        ;20- начальный адрес

                goto         Clr

                clrf  RF

;==============================================================================================              

CIKL        clrwdt

                                                                                                             

                btfss       RF,0                        ;Формирование уровня импульсной земли и установка флага для переключения

                goto         M5

                bsf          PORTB,5                

                bcf          PORTB,2                 ;Формирование 1 на импульсной земле

                bcf          RF,0                        ;Установка флага в 0

                goto         M6          

M5           bsf          PORTB,2

                bcf          PORTB,5                 ;Формирование 0 на импульсной земле

                bsf          RF,0                        ;Установка флага в 1

                nop

 

M6           btfss       CMCON,C1OUT       ;Проверить состояние компаратора С1

                goto         M1                           ;На выходе компаратора - 0                                                                                            

                                                               ;На выходе компаратора - 1

                bsf          PORTB,0                 ;Установить на RB0=1 ,формирования 1 на выходе  D-модулятора

                bcf          PORTB,3                 ;Установить на RB3=0 т.е. Инверсный сигнал на D-модулятор

                goto         C2                           ;Обрабатываем 2 канал

M1                                                          ;В случае формирования 0 на выходе  D-модулятора

                bsf          PORTB,3                 ;Установить на RB3=1 т.е. Инверсный сигнал на D-модулятор

                bcf          PORTB,0                 ;Установить на RB0=0

 

C2           btfss       CMCON,C2OUT       ;Проверить состояние компаратора С2

                goto         M2                           ;На выходе компаратора - 0                                                                                            

                                                               ;На выходе компаратора - 1

                bsf          PORTB,1                 ;Установить на RB1=1 ,формирования 1 на выходе  D-модулятора

                bcf          PORTB,4                 ;Установить на RB4=0 т.е. Инверсный сигнал на D-модулятор

                goto         EN                           ;Выход из прерывания       

M2                                                          ;В случае формирования 0 на выходе  D-модулятора

                bsf          PORTB,4                 ;Установить на RB4=1 т.е. Инверсный сигнал на D-модулятор

                bcf          PORTB,1                 ;Установить на RB1=0

 

EN           btfss       PORTA,5                 ;Проверяем был Сигнал перегрузки по току

                goto         AVAR                     ;Да-переход                         

                goto         CIKL                        ;Цикл программы

;==============================================================================================              

AVAR     bcf          INTCON,7                ;Запретить Общее прерыв

                movlw     b'00111111'           

                movwf    PORTB                    ;Выключаем все ключи для сброса Защиты

                goto         AVAR

;==============================================================================================              

                end

 

 

Литература.

1  Абрамов С.М.  Использование микроконтроллера в качестве дельта модулятора.

2. Абрамов С.М.  Простой полумостовой преобразователь напряжения.

3. Ермолаев Д. С.  Cупер линейный транзисторный усилитель мощности звуковой частоты с прямым преобразованием цифрового кода в аналоговый сигнал.  www.icreator.ru/amplif