Генерация звука через канал ШИМ в схемах на микроконтроллере

March 1, 2014 by admin Комментировать »

Известны следующие способы генерации звука в MK:

•                 формирование на выходе цифрового порта последовательности ВЫСОКИХ и НИЗКИХ уровней с программными паузами 0.2…10 мс между ними;

•                 смена ВЫСОКИХ/НИЗКИХ уровней на выходе порта в момент прерывания по таймеру MK. Время между прерываниями определяет частоту звука;

•                 использование 8…16 выходов MK, к которым подключается резистивная матрица ЦАП с организацией «2R» или «R-2R»;

•                 применение MK с уже встроенным каналом ЦАП;

•                 изменение частоты или скважности импульсов в канале ШИМ MK.

Первые два варианта — простые в аппаратной и программной реализации, но годятся для извлечения лишь неприхотливых «цифровых» звуков. Третий вариант обеспечивает достаточно качественное «аналоговое» звучание, хотя требует много свободных линий портов. Четвёртый вариант поддерживается далеко не всеми типами МК , а только наиболее «продвинутыми», а стало быть дорогими. Остаётся пятый вариант с ШИМ, который занимает промежуточное положение по критерию «качество + возможности» и положительно оценивается радиолюбителями.

Звуковые сигналы в канале ШИМ могут генерироваться по низкой частоте непосредственно выходными импульсами («цифровой» звук) или по высокой частоте с последующим выделением «музыкальной» огибающей («аналоговый» звук).

Интерес для практики представляет именно «аналоговое» звучание. В этом случае на выходе MK ставят фильтр с верхней частотой в районе 3400 Гц, что соответствует качеству телефонного разговора, или 20 кГц, что характерно для воспроизведения музыкального компакт-диска.

На Рис. 2.59, a…c приведены схемы генерации звука через канал ШИМ MK.

Рис. 2.59. Схемы генерации звука через канал ШИМ MK (начало):

а) пассивный двухзвенный ФНЧ на элементах R1, R2, C1, С2обеспечивает лучшее подавление гармоник, чем однозвенный ФНЧ, но с небольшим уменьшением амплитуды t/BbIX;

б) пассивный пятизвенный ФНЧ обеспечивает хорошую фильтрацию и высококачественное звучание, но со значительным уменьшением амплитуды на выходе;

в) укорачивающая цепочка С/, VD1 применяется при импульсах большой длительности;

г) заряд/разряд конденсатора C1 производится резисторами R1, R2 соответственно от ВЫСОКОГО/НИЗКОГО уровня на двух выходах MK. Цепочка R3, С2образует ФНЧ для суммарного сигнала ШИМ. Кодирование сигнала производится по системе RC-2, что годится для синтеза различных звуков и шумовых эффектов (речь и музыка здесь звучат неестественно); О

О Рис. 2.59. Схемы генерации звука через канал ШИМ MK (продолжение):

д) конденсатор C1 устраняет постоянную составляющую. Элементы R1, C1 фильтруют сигнал в канале ШИМ. Резистор R2 регулирует уровень звука в наушнике, который подключается кгнездуЛ37;

е) гальваническая опторазвязка звуковых сигналов, генерируемых с выхода MK через канал «высокочастотной» ШИМ. Фильтром служат элементы Л2, C1\

ж) активный двухзвенный ФНЧ на элементах R1, C1, C2, R4, DA1. УНЧ на микросхеме DA2 может переходить в «спящий» и «беззвучный» режимы от ВЫСОКИХ уровней на среднем и нижнем выходах MK;

з) управляемый активный ФНЧ для звуковых сигналов, формируемых с верхнего выхода MK. Сигналами ШИМ на среднем и нижнем выходах MK изменяется частота среза фильтра; О

О Рис. 2.59. Схемы генерации звука через канал ШИМ MK (продолжение):

и)         выделение огибающей звукового сигнала пассивным ФНЧ на элементах R1, C1. Дополнительное подавление высших гармоник осуществляется в самом электродинамическом громкоговорителе BA1 (инерциядиффузора). Цепочка R4, C3 устраняет самовозбуждение УНЧ DA1\ к) наличие джампера на соединителе S1 позволяет передавать на выход постоянную составляющую сигнала;

л) активный четырёхзвенный ФНЧ «Sallen-Кеу» («Саллен-Ки») на ОУ DA1 (возможная замена TL072) обеспечивает хорошее подавление высших гармоник. Такие схемы применяют при синтезе электронной полифонической музыки, но при воспроизведении речи могут появиться искажения, связанные с возбуждением ОУ на фронтах ШИМ-сигнала. Для их уменьшения желательно, чтобы микросхема DA1 имела по даташиту уровни «Rail-to-Rail Input/Output», т.е. она должна устойчиво работать с входными/выходными сигналами от нуля до питания; О

О Рис. 2.59. Схемы генерации звука через канал ШИМ MK (продолжение):

м) четырёхзвенный ФНЧ настроен на диапазон речевого телефонного сигнала 0.3…3.4 кГц и содержит четыре ДС-цепочки: R1 и C7; R3 и C3; R5 и C4\ R2nC2. Между звеньями располагаются повторители напряжения на ОУ DA1.1, DA1.2, что обеспечивает высокое качество фильтрации и отсутствие самовозбуждения. На элементе DA1.3 собран УНЧ с регулируемым коэффициентом усиления (R4). Особенность схемы — примерно одинаковая громкость звучания как с низкоомным электродинамическим (40 Ом), так и с высокоомным пьезокерамическим (10 кОм) телефоном BF1\

н) восьмизвенный ФНЧ на цифровом фильтре DA1 (фирма Maxim Integrated Products) обеспечивает подавление 2…6 гармоник звукового сигнала на 11…78 дБ. Идеально подходит для преобразования прямоугольных сигналов в синусоидальные в полосе частот 0.1 ГЦ…25 кГц. Конденсатор C2 определяет частоту внутреннего тактового генератора микросхемы DA1 по формуле Fosc[KrU] = 33333/С2[пФ]. Частота среза ФНЧ будет в 100 раз ниже, чем Fosc. При желании можно подавать тактовую частоту на DA1 от нижней линии MK (показано пунктиром) и создавать методом ШИМ «плавающий» ФНЧ для звуковых спецэффектов;

о) устойчивый активный четырёхзвенный ФНЧ на ОУ DA1 с двухполярным питанием;

О Рис. 2.59. Схемы генерации звука через канал ШИМ MK (окончание):

п)схема М.Вязаня. Двухканальный мостовой УНЧ на полевых транзисторах с выходной мощностью до 27 Вт с ФНЧ на LC-фильтре. Радиаторы для транзисторов VT1, VT2 не требуются, КПД 90%. Сигналы ШИМ должны быть строго противофазными и иметь частоту 100…200 кГц;

p) мостовой усилитель звука с противофазными ШИМ-сигналами и двухканальным драйвером на микросхеме DA1 фирмы Maxim Integrated Products;

с) два выхода MK используются для генерации стереосигнала. DA1 — двухканальный УНЧ.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты