Занимательная микроэлектроника

… и телефонный аппарат (клубок катодов, спаек, клемм, сопротивлений) безмолвствует.

И. Бродский «Посвящается Ялте»

Возможности МК серии AVR весьма велики, вплоть до того, что на старших моделях можно выстраивать полноценные системы управления, например, жидкокристаллическими дисплеями. Среди продукции Atmel есть контроллер USB на AVR-ядре, и с его помощью можно делать настоящие USB-устройства, не прибегая к эмуляции СОМ-порта. Но и младшие модели AVR вполне пригодны для серьезных вещей, достаточно упомянуть, что такое устройство, как компьютерная клавиатура, изначально была спроектирована на куда менее мощном, чем почти любой современный AVR, контроллере 8048.

Здесь мы рассмотрим способы построения некоторых типовых узлов с помощью AVR, не задаваясь вопросом конструирования законченных приборов. Довести до ума и встроить в необходимые вам устройства эти узлы вы сможете сами, я лишь покажу, как это делается в принципе. И начнем мы с самого, пожалуй, интересного — попробуем заставить МК воспроизводить цифровой звук.

Заставить камни заговорить

На самом деле способность воспроизводить звук встроена во все МК AVR изначально. Для этого надо лишь иметь «исходник»— ранее записанный звуковой файл с определенными параметрами. Такое устройство можно использовать, как узел голосовой сигнализации — например, если укомплектовать им наш измеритель с часами, и он сможет вслух сообщать время и температуру. Для этого придется сделать немного— разделить в памяти звуковые сэмплы, произносящие различные слова, и комбинировать их по ходу дела в нужном порядке. Именно так работают системы автоматического оповещения, например, о задолженности по телефонным счетам. Здесь мы в подробности влезать не будем, а покажем, как вообще организовать на AVR режим воспроизведения цифрового звука.

Что такое цифровой звук, вы уже знаете из главы 10— это последовательность отсчетов сигнала с определенной частотой (называемой частотой дискретизации или частотой оцифровки, битрейтом) и с определенным разрешением по напряжению (квантованием). Сначала давайте поймем, как в принципе можно воспроизводить такой звук.

Предположим, что мы имеем в качестве источника набор байтов, напрямую представляющий исходную оцифрованную последовательность (сжатые форматы мы не рассматриваем, поскольку это увело бы нас далеко за рамки темы книги). «Лобовой» метод понятен из той же главы 10: взять ЦАП, подать ему на вход оцифрованный звук с той же частотой, с которой его оцифровывали, а к его выходу подключить фильтр, усилитель и динамик. Но вот, например, производители сотовых телефонов просто замучили своей «полифонией»: сидя в маршрутке, невольно вздрагиваешь, когда у соседки в сумочке вдруг то ребенок заплачет, то котенок замяукает. Не многие, однако, задавались вопросом — а как это делается? Неужели в мобильник встраивают настоящий цифровой тракт, со всеми этими ЦАПами, фильтрами и усилителями? Вовсе нет. Главная идея, которая заложена в простой реализации воспроизведения цифрового звука, называется «усилитель в режиме D», от слова digital — цифровой.

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