文中分析了國際上通用的各種報警音源的基礎上，提出了一種混合開關方式調節音量的方法，并利用MK7A23P單片機以脈寬方式調節音量，解決了上述問題。MK7A23P單片機具有較強的抗干擾能力，內含RC振蕩器、WDT及復位電路，有ADC和PWM發生器，與其他系列單片機相比，省去了很多外圍元件，且價格低廉，適于各種工業控制器。
因此利用MK7A23P設計的大功率警報器，整體電路簡單、工作穩定，提高了生產能力和產品的競爭能力。
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;二是頻率快速連續改變狀態;三是頻率慢速漸變狀態。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，因此可利用調節脈沖寬度的方法調節音量。
1.2 常用的開關調節音量的方法及缺點
通常使用的脈寬方式調節音量的方法有兩種：一是在音源信號的每個周期內按照衰減要求比例衰減高電平時間，實現脈寬調節。由于頻率不變，因此基頻不變，但平均電壓降低從而可調節音量，如圖2所示。這種方法如果使用硬件電路實現，則電路比較復雜，利用單片機實現，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的信號相乘也可實現脈寬調節，但相乘的信號頻率應在15 kHz以上，圖3所示。
第一種方案的優點是開關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，尤其是緊急調頻調時最嚴重，無法使用。
第二種方案的優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，因此開關管工作在高速狀態，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，否則產生噪音(圖3中的同步點);三是以連續調頻改變量較慢時，隨周期變短則減少一個高頻脈沖，音量減少，在小音量時可出現嚴重的周期性的“嘟、嘟”聲音。
關鍵字：MK7A23P 混合脈寬音量調節 警報器
1.3 大功率警報器整體電路框圖
整體電路框圖如圖4所示，由簡單的驅動器組成的功率放大器、音量調節用電位器、過壓檢測器、音源選擇開關、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，可以控制開關音量調節。根據頻率與聲音的關系可以知道，當功率放大器的功率管總是處于開關狀態時，如果方波的高度不變，改變其寬度即可改變音量，從而實現開關音量調節。
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節技術
音源的每個周期中比例調節脈寬的方法導致音色改變，因此除了連續調頻調以外的音源可用與2種信號相乘方法進行音量調節。而連續調頻的音量調節采用每周期中比例調節脈寬的方法，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步調節，實驗表明64步時最小音量較大，因此采用128步調節。
按音量的衰減比例調整脈寬時，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，且運行時間很短。
設計程序時，按音源的頻率產生中斷，然后計算脈寬，輸出高電平延時TPWM后再輸出低電平。
其他音源調節音量時，可使用MK7A23P內部的PWM發生器。MK7A23P內有8位的PWM1、PWM2發生器，時間常數由4個定時器管理，可自動裝入，運行速度很快。
設置PWM1的相關參數，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，按音源的頻率產生中斷，把讀入的AD值放入脈寬調整定時器，然后啟動PWM1工作即可。
因此根據所選擇的音源，運行不同的程序，確保音色不改變的情況下，以脈寬方式調節音量，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。功率放大器工作在開關狀態，輸出信號經過Q3電平轉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生的噪音。最大音量輸出時揚聲器中電流是連續的，而最小輸出時揚聲器中電流也是連續的，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。因此除了連續調頻調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的，而最小輸出時揚聲器中電流是不連續的且對揚聲器的沖擊較大。但可避免采用第一種方案時，頻率慢速改變而產生的周期性的“嘟、嘟”聲音，而且音色改變量也不大。
2 結束語
實驗證明根據不同的音源，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，整個電路簡單，且工作穩定、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。