数字幅频均衡 放大器.docx
- 文档编号:9033174
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:205.64KB
数字幅频均衡 放大器.docx
《数字幅频均衡 放大器.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《数字幅频均衡 放大器.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
数字幅频均衡放大器
数字幅频均衡功率放大器
摘要:
本系统通过前置放大、滤波,经AD转换,对信号进行采样,把连续信号离散化,然后通过离散傅氏变换(DFT)运算,在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理,最后通过低频功放将信号放大。
关键字:
DSP幅频均衡数字滤波iir甲乙类功放
一、方案选择与论证
1、前置放大器方案选择:
方案一:
选择普通运放进行放大。
但是普通运放在低频段的频率特性很明显,
失调电压大,噪声大
方案二:
选用精密运放经行一级放大。
由于该类运放具有高输入阻抗,
并且作为音频段的运放,有较低的噪声,对提高信号质量有一般运放难以达
到的性能
2、功率驱动方案选择:
方案一:
D类功放,效率高,发热小,不产生的过零、交越失真,但是其制作过程复杂,且手头没有相应的原件
方案二:
普通甲乙类功放,甲乙类功放效率理想值为78%,做的好可以达到题目要求效率,
而且甲乙类功放原理简单,手头原件充足。
综上所述,选择方案二。
3、数字幅频均衡方案选择:
在音响系统中,均衡器可以分别调节音频信号的各频率成分增益,从而可以补偿扬声器和声场的缺陷。
均衡器可分为三类:
图示均衡器,参量均衡器和房间均衡器。
传统的均衡器仅将音频信号按高频、中频、低频三段频率进行调节。
采用数字信号处理技术可以实现对音频信号的更精细的调节,这类均衡器称为数字均衡器。
3.1数字均衡器实现方案选择
方案一:
采用ARM(嵌入式系统)实现数字均衡
基于精简指令集(RISC)的32位ARM微控制器具有一定的数字信号处理能力,可以用来实现简单的数字均衡器,但是ARM微控制器运算速度有限,对于有大量运算的算法无法达到效果,而均衡器算法的运算量比较大,所以当均衡器的功能及性能要求较高时,ARM就不能胜任了。
方案二:
采用基于DSP的数字信号处理系统
数字信号处理器具有强大的数字信号处理功能,能够胜任较为复杂的音频信号的各种处理功能,速度快,功耗低。
但是DSP弱于事务管理,往往要结合其它处理器,实现友好的人机界面。
方案三:
大规模可编程器件
利用大规模可编程器件实现的算法是以逻辑运算完成的最大优越性在于“高速”,实现算法的系统延时非常小,但价格较高。
综合以上各种因素,并考虑到我们的知识与能力,我们选择DSP实现音频信号的数字均衡。
3.2数字均衡算法选择
方案一:
傅立叶变换
傅立叶变换是将信号从时域变换到频域的一种变换形式,是信号处理领域中的一种重要的分析工具。
离散傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式。
在信号的频谱分析、系统分析、设计和实现中都会用到DFT的计算。
快速傅立叶变换(FFT)算法,这是一种快速计算的DFT,可以明显降低运算量,大大地提高了DFT的运算速度。
方案二:
数字滤波
数字滤波是通过对输入信号进行数值运算实现滤波处理,其处理精度高稳定性好。
数字滤波通常分为无限冲激响应(iir)、和有限冲激响应两种(fir)。
两种方法截然不同,各有优缺点。
与FIR数字滤波相比,对于给定的响应,IIR数字滤波对存储空间要求少的多,而且执行循环的次数也少许多。
但IIR数字滤波不具有理想的线性相位响应,通过增加一些复杂度,可以获得近似的线性相位,但这一复杂度远远超过了同等Fir滤波器的实现。
考虑到个人所长,以及实验要求的频率在音频范围内,对相位要求不是很敏感,所以选择方案二数字滤波IIR算法。
二、方案设计
1、前置放大的硬件设计和带阻网络
1.1前置放大的硬件设计
增益宽带放大器由芯片OP37构成。
OP37为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续的高速增益放大器,OP37的增益带宽为63MHz,输出级具有良好的负载驱动能力,而且是为低失真输出,它的输入阻抗约为6M欧姆。
本题中,题目最小放大400倍的指标要求,同时综合考虑系统采用的ADC芯片的输入信号幅度范围为±10V,我们设定增益为500,以保证A/D采样具有最佳精度。
由于输入正弦信号有效值小于10mV,则放大电路输出信号最大峰峰值为14.14V,满足ADC的输入幅值范围。
我们选择一片OP37,构成如图一所示的增益放大器。
图一前置放大电路图
前置放大电路的-1dB通频带为20Hz~20kHz,所以采用了压控电源源构成的巴特沃兹二阶滤波器,其滤波电路为图二所示:
图二滤波电路
1.2制作带阻网络对前置放大电路输出信号v1进行滤波,以10kHz时输出信号v2电压幅度为基准,要求最大衰减≥10dB。
其电路为图三所示:
图三带阻网络
根据上图所示的阻带网络结构,我们采用protuse软件进行了辅助分析与设计,其幅频特性的分析结果如图.4所示。
图4带阻网络波特图
2、数字均衡模块设计
本系统需要匹配带阻网络的衰减特性设计一数字IIR带通滤波器,根据带阻网络输出(如图5),使用经典法设计滤波器已经无法达到还原的目的,因此是使用直接设计滤波器的方法。
(1)IIR滤波实现原理
设IIR数字滤波器的输入为x(k),输出为y(k),则该滤波器的可用常系数微分方程表示为
其中ai、bi为常系数,N、M为整数,i=0,1,2,…,k=0,1,2,…,其传递函数为
IIR滤波器的设计过程主要是寻找滤波器的各个系数,使其逼近所要求的特性指标。
其设计方法有两种:
一是直接法,也称最优化设计法,先确定一种最优化准则(均方误差最小准则或最大误差最小化准则),再求此最佳准则下的滤波器系数;二是间接法,先根据已有模拟滤波器的设计理论设计一个合适的滤波器,然后变换成满足技术指标的数字滤波器。
间接设计法也称经典设计法,如果设计的IIR数字滤波器频率特性有特殊要求,经典设计往往显得无能为力,而最优设计法在这些频率特性有要求的场合很有用场。
MATLAB提供了yulewalk和maxflat两个最优设计函数[3]。
(2)模块接口部分
信号输入电路——AD采样部分
AD采样部分数字均衡器的重要部分,高速的、优越的AD电路是具备高性能的数字均衡器的前提,本部分电路采用的是TI公司的高性能AD转换芯片ADS802。
TheADS802isalow-power,monolithic12-bit,10MHzAnalog-to-Digital(A/D)converterutilizingasmallgeometryCMOSprocess.Thiscompleteconverterincludesa12-bitquantizer,widebandtrack-and-hold,reference,andthree-stateoutputs.Itoperatesfromasingle+5Vpowersupplyandcanbe
configuredtoaccepteitherdifferentialorsingle-endedinputsignals.
采样电路图
信号输出电路----DA转换电路及后级调整电路
DA转换电路同样有手足轻重的作用,与AD转换需要同样精度速度的要求这里使用AD公司的DA芯片AD7541,TheAD7541isamonolithic,lowcost,highperformance,12-bitaccurate,multiplyingdigital-to-analogconverter(DAC).
后级调整电路是使用MAX公司的MAX297设计的一低通滤波器。
MAX297是八阶集成椭圆低通滤波器,截止频率可以设计成0~50KHz,而且在阻带内有很好衰减特性。
设计成截止频率为25KHz,能很好的去除DA输出产生的阶梯和毛刺(高频杂波)
DA输出电路
低通滤波电路
滤波软件设计
流程
(3)总体设计流程
开始
AD采样电路
DA输出及调整电路
得出目标滤波器的幅频特性
MATALB计算出目标滤波器各项系数
NO
是否满足要求
YES
将系数导入CCS,的到编译文件
结束
3、功率放大电路设计
功率放大只要是对数字幅频均衡后的信号进行放大,以驱动8欧负载能够得到大于10瓦的功率。
由于数字幅频均衡后的输出电压幅值不够,所以需要在功放前面再加一级电压放大,其放大电路是从最后输出端引入负反馈,以增加电路的整体稳定性;后级推挽功放主要是设计偏置电压,因为mos管的导通电压为3V左右,所以要是其微导通,偏置电压大约为6V左右,本设计用一个N沟道mos管,利用其导通压降的特性来控制整个偏置电压,其整体电路图如下:
其中:
反馈用10K电位器可调放大倍数
最后加一级LRC滤波
推挽前面加二个100欧电阻和104电容可在高频稳定信号
三测试方案与测量结果
1.测试仪器
直流稳压稳流电源
数字信号源
数字存储示波器
万用表
2.测试方案与测试结果
(1)前置放大电路测试
①放大倍数测试。
由信号源输入有效值Vrms为5mV、频率为10kHz的正弦信号,用示波器测量前置放大电路的输出电压峰峰值Vo,计算其放大倍数G。
结论:
Vo=7.04V,则
。
②通频带测试。
设定输入信号为有效值5mV的正弦信号,在频率范围15Hz~22kHz的范围内抽取足够多的测试点,进行-1dB通频带的测试。
表1前置放大电路-1dB通频带测试
频率(Hz)
15
20
100
1k
10k
20k
22k
输出幅度(V)
2.14
2.32
2.59
2.52
2.44
2.25
2.17
结论:
经测试,-1dB通频带约为20Hz~20kHz。
③输出电阻测试。
根据电阻分压原理,在放大电路输出端接入一600Ω电阻到地,测量信号源输出端A电压与经过输出电阻后的输出端B电压,根据电压比值,即可计算出输出电阻阻值。
经测量输出电阻为:
600Ω。
原理图为图五:
图五输出电阻测试网络
④噪声测试。
把前置放大电路的输入端接地,然后测输出端的电压,其电压值即为输出噪声,经测量输出电压的有效值约为40mV.
(2)带阻网络最大衰减测试
设定输入信号为有效值5mV的正弦信号,在频率范围为20Hz~20KHz内抽取足够多的测试点,以10kHz时输出信号电压幅度为基准,测量其最大衰减。
表7带阻网络最大衰减测试
频率(Hz)
20
50
100
200
300
400
600
输出幅度(V)
频率(Hz)
800
1k
2k
5k
10k
15k
20k
输出幅度(V)
结论:
经测试,带阻网络最大衰减大于10dB。
(3)数字均衡模块输出测试
设定输入信号为带阻网络破坏后波形,在频率范围为20Hz~20KHz内抽取足够多的测试点,输出信号电压幅度以带阻网络的输入信号为基准,需要还原其幅频特性,测量足够多点以验证数字均衡的作用。
表8数字均衡模块输出测试
频率(Hz)
20
50
100
200
300
400
600
输出幅度(V)
频率(Hz)
800
1k
2k
5k
10k
15k
20k
输出幅度(V)
结论:
经测试……
(4)功率放大电路测试
测试条件:
电源电压正负18V,8欧负载。
频率
20Hz
50Hz
100Hz
200Hz
500Hz
1K
2K
5K
10K
20K
输入
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
2.08V
波形
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
无明显失真
输出功率
10.97W
10.95W
10.95W
10.95W
10.97W
10.95W
10.97W
10.93W
10.97W
10.99W
效率
输入接地,噪声电压Vrms<10mV,Vpp<10mV.
附录参考文献
【1】模拟电子技术基础(第四版)2006年5月:
高等教育出版社
【2】模拟集成电路基础与应用北京:
电子工业出版社
【3】电子学(第二版)北京:
电子工业出版社
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数字幅频均衡 放大器 字幅 均衡