Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

В усилителях класса D цифровой звук вообще не переводится в аналоговую форму какими-то специальными устройствами. Наоборот, там обычный звук представляется в виде последовательности прямоугольных импульсов, пропорциональных по длительности интенсивности сигнала. Для усиления таких импульсов не нужно никаких ухищрений — чаще всего используют комплементарную пару транзисторов, подобно тому, как усиливается сигнал на выходе логических КМОП-микросхем. Выгода заключается в том, что теоретически КПД такого импульсного усилителя может быть равен 100 %, ведь какой-то из транзисторов пары всегда заперт, а второй транзистор в это время полностью открыт и мощности на них не выделяется. Это, конечно, в теории, потому что из главы 3 вы знаете, что падение напряжения на открытом транзисторе все же имеет место, да и переключение не происходит мгновенно. Но вопросы КПД нас тут не интересуют, т. к. мы не собираемся конструировать 100-ваттные усилители, и указанная схема нас привлекает не столько КПД, сколько простотой и компактностью.

Представление синусоидального сигнала в виде последовательности импульсов различной длительности называется ШИМ-модуляцией (по-английски, PWM — Pulse-Wide Modulation). Фокус заключается в том, что для извлечения исходного синусоидального сигнала из ШИМ не требуется никаких специальных сложных приборов — достаточно обычного резисторно-конденсаторного ФНЧ с подходящей частотой среза (о ФНЧ см. главу 2 ). В результате весь звуковой тракт упрощается до предела (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Принцип работы выходной части усилителя в режиме D

Заметки на полях

А как сформировать входной сигнал для такого усилителя, если у нас в наличии имеется лишь аналоговая звуковая волна? Нужно ли ее оцифровывать? Совсем нет: исходный аналоговый сигнал поступает на один вход компаратора, а на второй его вход подается напряжение треугольной формы и подходящей амплитуды. Тогда на выходе компаратора мы получим ШИМ-сигнал. Работа счетчика-таймера, показанная на рис. 19.2 далее, делает в точности то же самое, но в цифровой форме.

Для того чтобы получить ШИМ-сигнал из уже оцифрованного звука, у нас есть такая «штука», как микроконтроллер, причем уже специально приспособленный для подобных целей. Если вы уже имеете книгу [1] или [2], или скачивали фирменный PDF-документ с описанием какого-то из контроллеров AVR, и при этом ваше любопытство зашло столь далеко, что вы эти источники даже немного пролистали, то, несомненно, заметили, что в описаниях таймеров PWM-режиму уделяется довольно много места — больше, чем всем остальным режимам вместе взятым. Это потому, что PWM-режим сложнее простого счета. Но на самом деле идея, которая в него заложена, очень проста: мы загружаем в регистр сравнения очередное число, взятое из звуковой последовательности, и запускаем таймер на счет с нуля, а когда он дойдет до верхнего предела, то сразу реверсируется и начинает считать обратно до нуля. В контроллерах Tuny вместо реверсирования счетчик сбрасывают и начинают отсчет заново. В семействе Mega для формирования сигнала PWM есть и тот, и другой и еще некоторые режимы работы таймеров (например, с переменным битрейтом).

В момент, когда числа в счетчике таймера и в регистре сравнения равны между собой, в режиме PWM автоматически переключается знакомый нам выход, связанный с выбранным таймером (в главе 14 это был выход ОС1, который управлял миганием двоеточия). Только в данном случае он не переключается туда-сюда с каждым прерыванием от таймера, а находится в состоянии логического нуля, когда число в таймере больше, чем в регистре сравнения, и в состоянии логической единицы — когда меньше. В результате на один цикл счета «туда-обратно» мы получаем один период ШИМ-сигнала, в котором длительность состояния логической единицы строго пропорциональна числу в регистре сравнения. Меняя к следующему циклу это число на очередную выборку из звуковой последовательности, мы в результате получаем то, что требовалось: входной импульсный сигнал для усилителя в режиме D. Общая схема процесса показана на рис. 19.2 (на примере с использованием Timer 1). Кстати, отметим, что этот режим может применяться также, например, просто для формирования сигнала с определенной скважностью, не равной двум.

Рис. 19.2. Принцип работы счетчика-таймера в режиме PWM

Теперь надо понять, какие характеристики исходного оцифрованного сигнала нам нужны и какие параметры таймера необходимо устанавливать. Хотя мы будем использовать Timer 1, но задействовать все 16 разрядов в таком режиме он не может (счет в реверсивном режиме возможен максимум с 10 разрядами, а использовать режимы с переменной разрядностью мы не будем). Нам же будет достаточно и 8 — это означает, что глубина квантования исходного звука должна быть также 8 разрядов. Баха не очень сыграешь, но для передачи разборчивой речи достаточно.