因此利用MK7A23P設計的大功率警報器，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組成的大功率警報器

　　1.1 國際上通用的報警音源分析

　　表1中列出了國際上通用的幾種報警音源的頻率和用途。

　　報警音源雖然種類多，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。

　　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

　　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周期內(nèi)按照衰減要求比例衰減高電平時間，實現(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現(xiàn)，則電路比較復雜，利用單片機實現(xiàn)，則進行乘除法計算，要求運行速度很快。

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

　　第一種方案的優(yōu)點是開關(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)時最嚴重，無法使用。

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

　　缺點為：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);三是以連續(xù)調(diào)頻改變量較慢時，隨周期變短則減少一個高頻脈沖，音量減少，在小音量時可出現(xiàn)嚴重的周期性的“嘟、嘟”聲音。

　　整體電路框圖如圖4所示，由簡單的驅(qū)動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)、單片機等部分組成，具有完善的保護功能和很高的效率。

　　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，當功率放大器的功率管總是處于開關(guān)狀態(tài)時，如果方波的高度不變，改變其寬度即可改變音量，從而實現(xiàn)開關(guān)音量調(diào)節(jié)。

　　1.4 MK7A23P單片機的特性

　　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個定時器/計數(shù)器、多個I/O口、4路比較器和2路PWM輸出。一個指令周期由2個系統(tǒng)時鐘組成，因此運行速度很快，有4種復位形式，雙時鐘模式，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位電路、振蕩器和上拉電阻。

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

　　音源的每個周期中比例調(diào)節(jié)脈寬的方法導致音色改變，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，實驗表明，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)，實驗表明64步時最小音量較大，因此采用128步調(diào)節(jié)。

　　按音量的衰減比例調(diào)整脈寬時，脈寬的時間由式(1)決定。式中TPWM為脈寬時間，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。

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

　　設計程序時，按音源的頻率產(chǎn)生中斷，然后計算脈寬，輸出高電平延時TPWM后再輸出低電平。

　　其他音源調(diào)節(jié)音量時，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，時間常數(shù)由4個定時器管理，可自動裝入，運行速度很快。

　　設置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。

　　設計程序時，按音源的頻率產(chǎn)生中斷，把讀入的AD值放入脈寬調(diào)整定時器，然后啟動PWM1工作即可。

　　因此根據(jù)所選擇的音源，運行不同的程序，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處理，而MK7A23P內(nèi)有上拉電阻、復位電路、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，從而進一步提高效率。

　　圖6為采用第一種方案的實測波形，即信號相乘方法。每個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。最大音量輸出時揚聲器中電流是連續(xù)的，而最小輸出時揚聲器中電流也是連續(xù)的，且對揚聲器的沖擊很小。如果加濾波器可進一步慮除高頻脈沖，減少對揚聲器的沖擊。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。

　　圖7為采用第二種方案的實測波形，即比例衰減方式。可知最大音量輸出時揚聲器中電流是連續(xù)的，而最小輸出時揚聲器中電流是不連續(xù)的且對揚聲器的沖擊較大。但可避免采用第一種方案時，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

　　實驗證明根據(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計則電路復雜，但利用高性能價格比的MK7A23P實現(xiàn)，整個電路簡單，且工作穩(wěn)定、抗干擾能力強。效率可達到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。