基于MK7A23P混合脈寬音量調(diào)節(jié)警報(bào)器設(shè)計(jì) - 全文

　　文中分析了國際上通用的各種報(bào)警音源的基礎(chǔ)上，提出了一種混合開關(guān)方式調(diào)節(jié)音量的方法，并利用MK7A23P單片機(jī)以脈寬方式調(diào)節(jié)音量，解決了上述問題。MK7A23P單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)含RC振蕩器、WDT及復(fù)位電路，有ADC和PWM發(fā)生器，與其他系列單片機(jī)相比，省去了很多外圍元件，且價(jià)格低廉，適于各種工業(yè)控制器。

　　因此利用MK7A23P設(shè)計(jì)的大功率警報(bào)器，整體電路簡單、工作穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的競爭能力。

　　1 利用MK7A23P組成的大功率警報(bào)器

　　1.1 國際上通用的報(bào)警音源分析

　　表1中列出了國際上通用的幾種報(bào)警音源的頻率和用途。

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　　報(bào)警音源雖然種類多，但可分為3大類：一是兩種頻率改變狀態(tài);二是頻率快速連續(xù)改變狀態(tài);三是頻率慢速漸變狀態(tài)。圖1表示典型的3種音源的波形圖，這種波形可通過編程的方法得到高穩(wěn)定度的音源。

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　　通過分析可知所有的音源為占空比為50%的方波，因此可利用調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法調(diào)節(jié)音量。

　　1.2 常用的開關(guān)調(diào)節(jié)音量的方法及缺點(diǎn)

　　通常使用的脈寬方式調(diào)節(jié)音量的方法有兩種：一是在音源信號的每個(gè)周期內(nèi)按照衰減要求比例衰減高電平時(shí)間，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)。由于頻率不變，因此基頻不變，但平均電壓降低從而可調(diào)節(jié)音量，如圖2所示。這種方法如果使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，則電路比較復(fù)雜，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，則進(jìn)行乘除法計(jì)算，要求運(yùn)行速度很快。

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　　二是音源信號和占空比可調(diào)的信號相乘也可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)，但相乘的信號頻率應(yīng)在15 kHz以上，圖3所示。

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　　第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)管的工作頻率與音源的頻率相同，因此效率高。缺點(diǎn)是雖然基頻不變，但音色改變，音量越小音色改變量越大。由信號處理理論中可知，頻率不變時(shí)隨著脈寬的減少諧波量增加，因此音源的音色改變，尤其是緊急調(diào)頻調(diào)時(shí)最嚴(yán)重，無法使用。

　　第二種方案的優(yōu)點(diǎn)是改變音量時(shí)音色不變。由采樣理論可知采樣頻率大于信號頻率的2倍以上時(shí)可恢復(fù)原來的信號，實(shí)際上為了避開“可聽頻率”造成的噪聲，相乘的信號頻率為15 kHz以上，此時(shí)采樣速率可達(dá)9倍以上，可完整地回復(fù)原來的波形，從而音色不變。

　　缺點(diǎn)為：一是相乘信號的頻率較高，因此開關(guān)管工作在高速狀態(tài)，效率降低;二是要求音源波形的上升沿與相乘的信號波形的上升沿必須同步，否則產(chǎn)生噪音(圖3中的同步點(diǎn));三是以連續(xù)調(diào)頻改變量較慢時(shí)，隨周期變短則減少一個(gè)高頻脈沖，音量減少，在小音量時(shí)可出現(xiàn)嚴(yán)重的周期性的“嘟、嘟”聲音。

　　1.3 大功率警報(bào)器整體電路框圖

　　整體電路框圖如圖4所示，由簡單的驅(qū)動(dòng)器組成的功率放大器、音量調(diào)節(jié)用電位器、過壓檢測器、音源選擇開關(guān)、單片機(jī)等部分組成，具有完善的保護(hù)功能和很高的效率。

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　　框圖中開關(guān)功率放大器部分通過電路控制可以改變輸出端的脈沖寬度，從而改變波形的能量，可以控制開關(guān)音量調(diào)節(jié)。根據(jù)頻率與聲音的關(guān)系可以知道，當(dāng)功率放大器的功率管總是處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，如果方波的高度不變，改變其寬度即可改變音量，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)音量調(diào)節(jié)。

　　1.4 MK7A23P單片機(jī)的特性

　　MK7A23P是帶15位A/D的RISC高性能8位微控制器，它內(nèi)含2×16bit的OTP形式ROM程序存儲器、128×8 bit的RAM、5個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、多個(gè)I/O口、4路比較器和2路PWM輸出。一個(gè)指令周期由2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘組成，因此運(yùn)行速度很快，有4種復(fù)位形式，雙時(shí)鐘模式，有內(nèi)部RC振蕩器、WTD，有8腳和14腳等多種封裝，I/O口在輸入狀態(tài)下，可置為上拉電阻模式。因此可省去外部的復(fù)位電路、振蕩器和上拉電阻。

　　1.5 改進(jìn)的大功率警報(bào)器的音量調(diào)節(jié)技術(shù)

　　音源的每個(gè)周期中比例調(diào)節(jié)脈寬的方法導(dǎo)致音色改變，因此除了連續(xù)調(diào)頻調(diào)以外的音源可用與2種信號相乘方法進(jìn)行音量調(diào)節(jié)。而連續(xù)調(diào)頻的音量調(diào)節(jié)采用每周期中比例調(diào)節(jié)脈寬的方法，實(shí)驗(yàn)表明，由于頻率改變較慢，因此聽覺上音色改變量很小。

　　音量可分為64步或128步調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)表明64步時(shí)最小音量較大，因此采用128步調(diào)節(jié)。

　　按音量的衰減比例調(diào)整脈寬時(shí)，脈寬的時(shí)間由式(1)決定。式中TPWM為脈寬時(shí)間，N為A/D讀入的衰減量，范圍是0～128的連續(xù)量，TS為音源信號的周期。

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　　MK7A23P單片機(jī)無乘法指令，但運(yùn)行速度很快，使用內(nèi)部RC振蕩器以4 MHz工作時(shí)，運(yùn)行16×8乘法程序僅需要約50μs，而音源的最高頻率1 650 Hz時(shí)周期為606μs，有足夠的處理時(shí)間。除256可右移8次即可實(shí)現(xiàn)，且運(yùn)行時(shí)間很短。

　　設(shè)計(jì)程序時(shí)，按音源的頻率產(chǎn)生中斷，然后計(jì)算脈寬，輸出高電平延時(shí)TPWM后再輸出低電平。

　　其他音源調(diào)節(jié)音量時(shí)，可使用MK7A23P內(nèi)部的PWM發(fā)生器。MK7A23P內(nèi)有8位的PWM1、PWM2發(fā)生器，時(shí)間常數(shù)由4個(gè)定時(shí)器管理，可自動(dòng)裝入，運(yùn)行速度很快。

　　設(shè)置PWM1的相關(guān)參數(shù)，輸出頻率為15 kHz(或30 kHz，效果更好)脈寬改變的方波。

　　設(shè)計(jì)程序時(shí)，按音源的頻率產(chǎn)生中斷，把讀入的AD值放入脈寬調(diào)整定時(shí)器，然后啟動(dòng)PWM1工作即可。

　　因此根據(jù)所選擇的音源，運(yùn)行不同的程序，確保音色不改變的情況下，以脈寬方式調(diào)節(jié)音量，提高功率放大器的效率。

　　圖5為整體電路圖，大部分功能由單片機(jī)處理，而MK7A23P內(nèi)有上拉電阻、復(fù)位電路、振蕩器、WDT等，因此電路簡單，S1和S2為模式和音源選擇開關(guān)。功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，輸出信號經(jīng)過Q3電平轉(zhuǎn)換后通過射極跟隨器輸出，C1、R1、R2組成自舉電路，提高輸出的高電平電壓，從而進(jìn)一步提高效率。

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　　圖6為采用第一種方案的實(shí)測波形，即信號相乘方法。每個(gè)音源波形的高電平上升沿處有高電平脈沖，有效地避免頻率的微變而產(chǎn)生的噪音。最大音量輸出時(shí)揚(yáng)聲器中電流是連續(xù)的，而最小輸出時(shí)揚(yáng)聲器中電流也是連續(xù)的，且對揚(yáng)聲器的沖擊很小。如果加濾波器可進(jìn)一步慮除高頻脈沖，減少對揚(yáng)聲器的沖擊。因此除了連續(xù)調(diào)頻調(diào)以外的音源采用這種方法，即可有效地避免音色的改變。

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　　圖7為采用第二種方案的實(shí)測波形，即比例衰減方式。可知最大音量輸出時(shí)揚(yáng)聲器中電流是連續(xù)的，而最小輸出時(shí)揚(yáng)聲器中電流是不連續(xù)的且對揚(yáng)聲器的沖擊較大。但可避免采用第一種方案時(shí)，頻率慢速改變而產(chǎn)生的周期性的“嘟、嘟”聲音，而且音色改變量也不大。

　　2 結(jié)束語

　　實(shí)驗(yàn)證明根據(jù)不同的音源，采用不同方式處理輸出的脈寬，可避免音色改變，如果使用硬件電路設(shè)計(jì)則電路復(fù)雜，但利用高性能價(jià)格比的MK7A23P實(shí)現(xiàn)，整個(gè)電路簡單，且工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。效率可達(dá)到85%以上，所需要的散熱片體積減少1/3以上，便于安裝和維護(hù)。