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