《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MK7A23P混合脈寬音量調(diào)節(jié)警報(bào)器設(shè)計(jì)
摘要: 文中分析了國(guó)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。
Abstract:
Key words :

  文中分析了國(guó)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(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,提高了生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。

  1 利用MK7A23P組成的大功率警報(bào)器

  1.1 國(guó)際上通用的報(bào)警音源分析

  表1中列出了國(guó)際上通用的幾種報(bào)警音源的頻率和用途。

  

 

  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。

  

 

  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(hào)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。

  

 

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

  

 

  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(hào)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(hào)頻率的2倍以上時(shí)可恢復(fù)原來的信號(hào),實(shí)際上為了避開“可聽頻率”造成的噪聲,相乘的信號(hào)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(hào)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(hào)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。

關(guān)鍵字:MK7A23P 混合脈寬音量調(diào)節(jié) 警報(bào)器

 

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(jiǎn)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(cè)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。

  

 

  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(chǔ)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(hào)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(hào)的周期。

  

 

  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(jiǎn)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(hào)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。

  

 

  圖6為采用第一種方案的實(shí)測(cè)波形,即信號(hào)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(duì)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(duì)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。

  

 

  圖7為采用第二種方案的實(shí)測(cè)波形,即比例衰減方式??芍畲笠袅枯敵鰰r(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(duì)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(jiǎn)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)。

 

 

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