D类音频功率放大Word格式.docx
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3.设计任务书:
包括课题名称、目的、用途、主要技术性能指标(参照教材目录编排)。
4.中文题目、摘要、关键词;
英文题目、摘要、关键词。
5.正文:
设计方案框图及电路工作原理:
包括系统方框图,电气原理图,各单元电路的设计,简述主要部件(包括主要集成电路)的工作原理、工作条件、给定参数、理论公式及详细的计算步骤、计算结果。
这是说明书的主要部分。
6.元件参数表:
包括所选用的元器件名称、参数、型号。
7.调试方案:
包括调试的条件、方法、使用仪器设备的型号,并对测试数据进行分析。
8.设计心得:
包括对本课程设计的客观评价、设计特点、存在的问题以及改进意见等。
9.参考文献:
包括作者、署名、出版地、出版年等
六、设计进程安排
第1周:
资料准备与借阅,了解课题思路。
第2-3周:
设计要求说明及课题内容辅导,完成图纸初稿。
第4-6周:
进行毕业设计,完成说明书初稿。
第7周:
第二次检查设计完成情况,并作好毕业答辩准备。
第8周:
毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1.毕业设计答辩要求
答辩前三天,每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅,由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲,内容包括课题的任务、目的和意义,所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题,质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法,鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2.毕业设计论文要求
文字要求:
说明书要求打印(除图纸外),不能手写。
文字通顺,语言流畅,排版合理,无错别字,不允许抄袭。
图纸要求:
按工程制图标准制图,图面整洁,布局合理,线条粗细均匀,圆弧连接光滑,尺寸标注规范,文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求:
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画,必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
摘要
近几十年来在音频领域中,A类,B类,AB类音频功率放大器(额定输出功率)一直占据“统治”地位,其发展经历了这样几个过程:
所用器件从电子管,晶体管到集成电路过程;
电路组成从单管到推挽过程;
电路形式从变压器到OTL,OCL,BTL形式过程。
其最基本类型是模拟音频功率放大器,它的最大缺点是效率太低。
A类音频功率放大器的最高工作效率为50%,B类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%,AB类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。
但是无论A类,B类还是AB类音频功率放大器,当它们的输出功率小于额定输出功率时,效率就会明显降低,播放动态的语言,音乐时平均工作效率只有30%左右。
音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能,也就是说,这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。
因此A类,B类,AB类音频功率放大器效率低,体积大,并不是人们理想中的音频功率放大器。
本系统以高效率D类功率放大器为核心,输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真功率大于1W,平均效率可达到70%左右,兼有输出1:
1双变单电路,单片机实现功率测量显示电路。
此外还有输出短路保护及指示和输出音量电平指示等辅助功能,比较理想的实现了设计指标的要求。
关键词:
脉宽调制器;
信号变换;
功率测量与显示
Abstract
Intheaudiofrequencyfieldinnearthesedecades,As,Bs,andtheABamplifierofpowerofaudiofrequency(specifiedoutputpower)hasbeenoccupyingthepositionof"
ruling"
allthetime,Severalpiecesofcoursesuchasitsexperience:
Thedevicesusedarefromtheelectrontube,thecourseoftheintegratedcircuitthatthetransistorreaches;
Thecircuitmakesupfrominchargeofrecommendingthecourseonlyingto;
TheformofthecircuitisfromvoltagetransformertoOTL,OCL,BTLformcourse.Itsmostbasictypeisananalogueaudiofrequencypoweramplifier,itsgreatestshortcomingisthattheefficiencyistoolow.ThesupremeworkingefficiencyoftheAamplifierofpowerofaudiofrequencyis50%,thesupremeworkingefficiencyoftheBamplifierofpowerofaudiofrequencyis78.5%,theworkingefficiencyoftheABamplifierofpowerofaudiofrequencyliesbetweenthetwo.ButnomatterAs,BsortheABamplifierofpowerofaudiofrequency,whentheiroutputpowerissmallerthanamountoutputpower,efficiencycanreduceobviously,broadcastdynamiclanguage,only30%aboutworkingefficiencyhaveonaverageatthemusic.Audiofrequencypoweramplifierweaktoisitthereisquitealotofelectricenergythatistransformedintoheatenergywhenworkingtomean,thatistosay,theamplifiersofpowerofaudiofrequencyofthesetypesshouldhaveenoughbigradiators.
ThesystemforhighefficiencyClassDpoweramplifieratthecore,theoutputofthehigh-speedswitchVMOSFEToflinkingcomplementarysymmetryH-bridgestructure,thelargestnon-distortionpowergreaterthan1W,theaverageefficiencyofaround70percentcanbeachieved,bothoutput1:
onepairofvariable-circuitMCUpowermeasurementsshowthatthecircuit.Inaddition,outputshortcircuitprotectionanddirectivesandinstructionsoutputvolumelevelfunctionasmoreidealrealizationofthedesignspecificationsrequirement
Keywords:
pulse-widthmodulation,signalconversion,powermeasurement
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2论文研究目标和意义1
1.3D类功率放大器的发展2
第2章方案论证与比较3
2.1高效功率放大器3
2.1.1脉宽调制器(PWM)3
2.1.2高速开关电路3
2.1.3滤波器的选择4
2.2信号变换电路5
2.3功率测量电路5
第3章硬件电路6
3.1D类放大器的工作原理6
3.2D类功放各部分电路分析与计算7
3.2.1脉宽调制器7
3.2.2前置放大器8
3.2.3驱动电路9
3.2.4H桥互不对称输出电路10
3.2.5低通滤波器10
3.3信号变换电路11
3.4功率测量及显示电路11
3.4.1真有效值转换器11
3.4.2单片机系统11
3.4.3软件设计局12
3.5短路保护电路13
第4章电路调试15
4.1使用的仪器15
4.2使用方法15
4.3调试过程及数据分析15
4.3.1不通电检查15
4.3.2通电观察15
4.3.3分模块调试15
4.4测试过程17
4.4.1脉宽调制电路测试17
4.4.2载波发生器调试17
4.4.3前置放大电路调试18
4.4.4整机联调19
4.5测试分析19
4.6故障分析20
4.7进一步改进的措施20
结论22
参考文献23
致谢24
附录25
第1章绪论
1.1研究背景
全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频节能环保的要求,迫使人们尽快研究开发高效,节能,数字化的音频功率放大器。
它应该具有工作效率高,便于与其他数字设备相连接的特点。
模拟功率放大器通过采用优质的元件,复杂的补偿电路,深负反馈,使失真变的很小,但大功率和高效率一直没有很好的解决。
D类音频功率放大器是PWM型功率放大器,它工作于开关状态下,符合上述的要求。
传统的音频功率放大器工作时,直接对模拟信号进行放大,工作期间必须工作于线性放大区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,减小了功率器件的承受功率,但在较大功率情况下,仍然对功率器件构成极大威胁,功率输出受到限制。
此外,模拟功率放大器还存在以下的缺点:
电路复杂,成本高。
常常需要设计复杂的补偿电路和过流,过压,过热等保护电路,体积较大,电路复杂。
效率低,输出功率不可能做的很大。
D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式:
将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波,然后经过驱动电路,加到功率MOS的栅极,控制功率器件的开关,实现放大,将放大的PWM信号送入滤波器,则还原为音频信号。
D类功率放大器工作于开关状态,理论效率可达100%,实际的运用也可达80%以上。
功率器件的耗散功率小,产生热量少,可以大大减小散热器的尺寸,连续输出功率很容易达到数百瓦。
功率MOS有自我保护电路,可以大大简化保护电路,而且不会引入非线形失真。
1.2论文研究目标和意义
功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分,也是其最基本的部分。
功率放大器发展至今,有许多种类和应用,在工业方面,有数控机床的电机驱动,有应用于新型磁轴承开关,也有在电力电子控制技术种的应用。
在通讯方面,有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。
但所有的功率放大器,其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。
而它的设计包含了电子电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。
因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。
实现兴趣与理论实践相结合,使整个设计过程不枯燥无味,通过实际设计与制作,进一步发挥和巩固四年来所学的知识,在实践中锻炼自己,在锻炼中提高自己专业水平。
1.3D类功率放大器的发展
音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。
然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。
主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。
为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。
进入21世纪以后,各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。
从作为通信工具的手机,到作为娱乐设备的MP3播放器,已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。
陆续将要普及的还有便携式电视机,便携式DVD等等。
所有这些便携式的电子设备的一个共同点,就是都有音频输出,也就是都需要有一个音频放大器;
另一个特点就是它们都是电池供电的。
都希望能够有较长的使用寿命。
就是在这种需求的背景下,D类放大器被开发出来了。
它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。
高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。
因为,功率越大,效率也就越重要。
而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。
在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百的音频功率。
这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。
第2章方案论证与比较
根据设计任务的要求,本系统的组成方框图如图3.1所示。
下面对每个方框内电路的设计。
方案分别进行论证与比较:
2.1高效功率放大器
图2.1总方框图
本题目的核心就是功率放大器部分,采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标,是我们成功的关键。
2.1.1脉宽调制器(PWM)
方案一:
可选用专用的脉宽调制集成块,但通常有电源电压的限制,不利于本题发挥部分的实现。
方案二:
采用图2.2所示方式来实现。
三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路,各部分的功能清晰,实现灵活,便于调试。
若合理的选择器材参数,可使其能在较低的电压下工作,故选用此方案。
2.1.2高速开关电路
(1)输出方式:
选用推挽单端输出方式(电路如图2.2所示)。
电路输出载波峰—峰值不可能超过5V电源电压,最大输出功率远远达不到题目的基本要求。
图2.2推挽单端输出电路
选用H桥式输出方式(电路如图2.3所示)。
此方式可充分利用电源电压,浮动输出载波的峰—峰值可达10V,有效的提高了输出功率,且能达到题目所有指标要求,故选用此输出电路形式。
图2.3H桥输出电路
(2)开关管的选择
为提高功率放大器的效率和输出功率,开关管的选择非常重要,对它的要求是高速低导通电阻、低损耗。
选用晶体三极管IGBT管。
晶体三极管需要较大的驱动电流,并储存时间,开关特性不够好,使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大;
IGBT管的最大缺点是导通压降太大。
选用VMOSFET管。
VMOSFET管具有较小的驱动电流低导通电阻及良好的开关特性,故选用高速VMOSFET管。
2.1.3滤波器的选择
采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。
缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。
采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器,在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。
2.2信号变换电路
由于采用浮动输出,要求信号变换电路具有双端变单端的功能,且增益为1。
采用集成数据放大器,精度高,但价格较贵。
由于功放输出具有很强的带负载能力,故对变换电路输入阻抗要求不高,所以
可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。
2.3功率测量电路
直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值,用单片机计算有效值和平均功率,原理框架图(如图2.4所示),但算法复杂,软件工作量大。
图2.4功率测量方框图
由于功放输出信号不是单一频率,而是20kHz频带内的任意波形,故必须采用真有效值变换电路。
此方案采用真有效值转换专用芯片,先得到音频信号电压的真有效值。
再用A/D转换器采样该有效值,直接用单片机计算平均功率(原理框图如图2.5所示),软件工作量小,精度高,速度快。
图2.5功率测量方框图
第3章硬件电路
3.1D类放大器的工作原理
一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图3.1所示。
图3.2为工作波形示意。
其中(a)为输入信号;
(b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形;
(c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲);
(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲;
(e)为低通滤波后的放大信号。
图3.1高效音频功率放大
图3.2工作波形示意图
3.2D类功放各部分电路分析与计算
3.2.1脉宽调制器
①三角波产生电路。
该电路我们采用555集成电路来实现(电路如图3.3所示)。
图3.3三角波产生电路
该电路我们用555芯片构成三角波产生电路,如图3.3所示。
本设计利用555组成多谐振荡器的电容C4充放电特性加以改进,实现对电容C4的线性充放电获得三角波。
利用T1、T2和R6构成恒流源对C4实现线性充电,利用T3、T4和R7构成的恒流源实现对C4的放电。
电容C4上的三角波经T5射极跟随器输出。
电路中电容C4选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。
该振荡器的振荡频率f=0.33/(R6+R7)C4。
我们要得到一个线性很好、频率约100KHZ、峰峰值为2.18V的三角波,将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。
电路工作原理如下:
接通电源瞬间,555芯片的3脚输出高电平,二极管D3
截止,D4导通,从而D2也截止,D1导通,电源Vcc通过T1,T2,R6,D1对电容C4恒流充电,当C4上电压达到2/3Vcc时,555芯片的输出发生翻转,即3脚输出低电平,D3导通,D4截止,从而D1也截止,D2导通,电容C4通过D2,T3,T4,R2恒流放电,直到C4电压等于1/3Vcc,电容又开始充电,如此循环,则C4上可以得到线性度良好的三角波,输出加一级电压跟随器,以提高带负载能力,其仿真波形如图3.4所示。
图3.4仿真波形图
由于三角波Vp-p=2V,所以要求音频信号的Vp-p不能大于2V,否则会使功放产生失真。
②比较器
常规PWM调制电路如图3.5所示,电路以音频信号为调制波,频率为150kHz的三角波为载波,两路信号均加上2.5V的直流偏置电压,通过比较器进行比较,得到幅值相同,占空比随音频幅度变化的脉冲信号。
比较电路采用高速、精密的比较器芯片LM311。
由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构,输出端须加上拉电阻,上拉电阻的阻值采用芯片资料上的推荐阻值1k。
图3.5比较器电路
3.2.2前置放大器
电路如图3.6所示。
设置前置放大器,可使整个功放的增益从1~20连续可调,而且也保证了比较起的比较精度。
当功放输出的最大失真功率为1W时,其8Ω上的电压Vp-p=8V,此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V,则功放的最大增益约为4。
因此必须对输入的音频信号进行前置放大,其增益应大于5。
前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放NE5532,组成增益可调的同相宽带放大器。
选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求。
同时,采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大,取V+=Vcc/2=2.5V,要求输入电阻Ri大于10kΩ,故取R1=R2=51kΩ,则Ri=51/2=25.5kΩ,反馈电阻采用电位器R4,取R4=20kΩ,反相端电阻取2.4kΩ,则前置放大器的最大增益Av为
A
=1+
调整R4是其增益约为8,则整个功放的电压增益从0~32可调。
图3.6前置放大电路
考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom<2.5V,取Vom等于2.0V,则要求输入的音频最大幅度Vim小于250mV。
超过此幅度则输出会产生削波失真。
3.2.3驱动电路
电路如图3.7所示。
将PWM信号整形变换成互补对称的输出驱动信号,用CD40106施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出,送给由晶体三级管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管,保证了快速驱动。
驱动电路晶体三级管选用2SC8050和2SA8550对管。
图3.7驱动电路
3.2.4H桥互不对称输出电路
对MOSFET的要求是导通电阻小,开关速度快,开启电压小。
因输出功率稍大于1W,属小功率输出,可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管,IRFD640和IRFD9640VMOD对管的参数能够满足上述要求,故采用之。
实际电路如图所示。
互补PWM开关驱动信号交替开启Q5和Q8或Q6和Q7,分别经两个4阶Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。
如图3.8所示
图3.8H桥电路
3.2.5低通滤波器
本电路采用4阶Butterworth低通滤波器。
对滤波器的要求是上限频率大于等于20kHz,在通频带内特性基本平坦。
我们采用了电子工作台(EWB)软件仿真,从而得到了一组较佳的参数:
L1=22Uh,L2=47Uh,C1=1.68uF,C2=1uF。
19.95kHz处下降2.464Db,可保证20kHz的上限频率,且通带内曲线基本平坦;
100kHz、150kHz处分别下降48dB、62dB,完全达到要求。
3.3信号变换电路
电路要求增益为1,将双端变为单端输出,运放选用宽带运放NE5532,电路如图3.9所示。
由于对这部分电路的电源电压不加限制,可不必采用价格较贵的满幅运放。
由于功放的带负载能力很强,故对变换电路的输入阻抗要求不高,选R1=R2=R3=R4=20kΩ。
其增益为Av=R3/R1=1,其上限频率远超过20kHz的指标要求。
如图3.9所示
图3.9信号变换电路
3.4功率测量及显示电路
功率测量及显示电路真有效值转换电路和单片机系统组成。
3.4.1真有效值转换器
选用高精度的AD637芯片(如图3.10所示),其外围元件少、频带宽,精度高于0.5﹪。
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