数字功放.杨逸舟

1、武汉理工大学Protel应用课程设计报告学 号： 0121128320114课 程 设 计题 目Protel应用课程设计学 院信息工程学院专 业通信工程班 级通信gj1101姓 名杨逸舟指导教师周建新2014年6月20日Protel应用课程设计任务书学生姓名： 杨逸舟 专业班级： 通信gj1101 指导教师： 周建新 工作单位： 信息工程学院 题 目: Protel应用课程设计 初始条件：Protel软件，电路基础，protel应用等书籍要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1) 绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。可以涉及

2、模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电子电路系统。2) 绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图参考书：1 赵建领等. Protel 99 SE设计宝典（第3版）. 电子工业出版社. 2013.112 清源科技. Protel99SE电路原理图与PCB设计及仿真. 机械工业出版社. 2011.63 薛楠. Protel DXP 2004 原理图与PCB设计实用教程. 机械工业出版社. 2012.3时间安排：1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、课程设计时间为1周。（1）确

3、定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间1天；（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间3天；（3）总结结果，写出课程设计报告，时间1天。指导教师签名： 2014年 6月10日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要41引言62数字功放的方案论证与设计72.1数字功放和模拟功放的区别72.1.1过载能力与功率储备72.1.2功放的失真度比较72.1.3 扬声器的匹配问题72.2 D类音频功率放大器基本原理83 D类音频功率放大器各部分的分析与实现93.1 前置音量放大电路93.2 三角波发生电路93.3比较器电路103.4 驱动电路113.5 H桥互补对称输出电路123.6 低通

4、滤波器133.7电源模块143.8输出信号频率调节电路154系统调试及数据分析164.1 前置放大电路仿真结果164.2 三角波发生电路仿真结果.174.3 比较器电路仿真结果.184.4 驱动电路仿真结果.204.5 H桥互补对称电路仿真结果:214.7 电源部分仿真结果.234.8 输出音频频率调节电路仿真结果.25第五章.心得体会26参考文献27本科生课程设计成绩评定表28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，

5、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。在本文中的D类音频功率放大器的功

6、率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之出在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。本文中具体论述了一种基于晶体管的D类音频功率放大器的设计组成与实现方法。关键词：D类音频功率放大器；PWM调制器；H桥功率放大器电路。Abstract In the audio frequency field in near these decades, As, Bs,and the AB amplifier of power of audio frequency (specifie

7、d output power ) has been occupying the position of " ruling " all the time，Several pieces of course such as its experience: The devices used are from the electron tube , the course of the integrated circuit that the transistor reaches; The circuit makes up from in charge of recommending t

8、he course onlying to; The form of the circuit is from voltage transformer to OTL, OCL, BTL form course. most basic type is an analogue audio frequency power amplifier, its greatest shortcoming is that the efficiency is too low. The supreme working efficiency of the A amplifier of power of audio freq

9、uency is 50%, the supreme working efficiency of the B amplifier of power of audio frequency is 78. 5%, the working efficiency of the AB amplifier of power of audio frequency lies between the two. But no matter As, Bs or the AB amplifier of power of audio frequency, when their output power is smaller

10、 than amount output power, efficiency can reduce obviously, broadcast dynamic language , only 30% about working efficiency have on average at the music. Audio frequency power amplifier weak to is it there is quite a lot of electric energy that is transformed into heat energy when working to mean, th

11、at is to say , the amplifiers of power of audio frequency of these types should have enough big radiators. So As, Bs and AB power amplifier weak audio frequency have, heavy volume have, audio frequency power amplifier, people of ideal. In D in the article audio frequency power device , power of ampl

12、ifier modulate the control of the signal (PEM ) by one high-frequency pulse width originally , make it work in switch state, efficiency its in theory can up to 100%, but a insufficient one its is it is it can produce high frequency interfere and noise to lie in to appear, but if design the low open

13、wave filter and rational choice components and parts parameter meticulously, its tone quality noise can meet people's demands. Keyword: D amplifier of power of audio frequency; PWM modulating device Amplifier circuit of power of H bridge. 1引言 一般认为，功率放大器根据其工作状态可分为5类。即A类、AB类、B类、C类和D类。在音频功放领域中，C类功放

14、是用于发射电路中，不能直接采用模拟信号输入，其余4种均可直接采用模拟音频信号输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。其中D类功放比较特殊，它只有两种状态，即通、断。因此，它不能直接放大模拟音频信号，而需要把模拟信号经“脉宽调制”变换后再放大。外行曾把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”，事实上，这种放大器还不是真正意义的数字放大器，它仅仅使用PWM调制，即用采样器的脉宽来模拟信号幅度。这种放大器没有量化和PCM编码，信号是不可恢复的。传统D类的PWM调制，信号精度完全依赖于脉宽精度，大功率下的脉宽精度远远不能满足要求。因此必须研究真正意义的数字功放，即全（纯）数字功率放大器。数字功放

15、是新一代高保真的功放系统，它将数字信号进行功率转换后，通过滤波器直接转换为音频信号，没有任何模拟放大的功率转换过程。CD唱机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）都可作为数字音源，用光纤和同轴电缆口直接输出到数字功放。此外，数字功放也具备模拟音频输入接口，可适应现有模拟音源。国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和

16、音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。2数字功放的方案论证与设计2.1数字功放和模拟功放的区别数字功放由于工作方式与传统模拟功放完全不同，因此克服了模拟功放固有的一些缺点，并且具备了一些独有的特点。 2.1.1过载能力与功率储备 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加. 由于数字功放采用

17、开关放大电路，效率极高，可达75%90%（模拟功放效率仅为30%50%），在工作时基本不发热。因此它没有模拟功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之前后无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特性，瞬态响应好，“爆棚感”极强。 2.1.2功放的失真度比较 在所做的两次功放中可以看出，模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常严格。而数字功放对开关管的配对无特殊要求，基本上不需要严格的挑选即可使用。模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而

18、会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。 2.1.3 扬声器的匹配问题 由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（48）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。2.2 D类音频功率放大器基本原理 一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如下图2.1所示。图2.2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

19、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2.1 D类放大器的工作原理 图2.2 D类放大器的工作波形示意图 3 D类音频功率放大器各部分的分析与实现3.1 前置音量放大电路前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路。其目的是对输入的功率放大器的各种信号源进行加工处理，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配。对其要保证低噪声，高信噪比，高转换速率，输出电阻要小及频带要宽等要求。为此在差分输入对管要选用低噪声优质的结型场效应管，运算放大器应选用低噪声，高速器件，电阻电容选用高精度，高稳定度及高质量元件。实验的方法测试可以用LM324来仿真，所

20、以我最终采用的前置放大电路如图3.1所示。 图3.1 前置放大电路图这个电路通过从输入端引进输入信号，通过功率放大器LM324N将信号放大之后，通过滑动变阻器R5端输出.通过改变R3和R5的值可以调节电压增益以达到控制语音信号强度的目的.3.2 三角波发生电路三角波相当于是高频载波信号,用来与放大的语音信号混叠产生PWM信号,三角波的发生电路如图3.2. 图3.2 三角波发生电路 3.3比较器电路选用LM311精密、高速比较器，电路图3.3所示，因供电为5V单电源，为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取10 k。由于三角波Vp-p=2.5V，所以要

21、求音频信号的Vp-p不能大于2V，否则会使功放产生失真。PWM调制器：把原始音频信号加上一定直流偏置后送到运放的正输入端，另通过自激震荡产生一个三角波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零，直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1:1的方波，当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1:1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1:1。这样，比较器输出

22、的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM(脉宽调制)或PDM（脉冲持续时间调制）。音频信息被调制到脉冲波形中。比较器电路图如图3.3: 图3.3比较器电路从我们得到的PWM波形可以看出，方波受到高频信号的干扰，这是我们在下来要解决的重要问题之一。3.4 驱动电路 此电路主要完成两个功能：（1）将 PWM 信号整形变换成互补对称的输出驱动信号；（2）通过门电路的串并完成延时与后级H桥电路的驱动。驱动电路电路图如图3.4所示： 图3.4 驱动电路用 CD40106 施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极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。

23、驱动电路晶体三极管选用2SC8050和2SA8550对管。这个电路是我唯一一个感觉看不懂的电路了,通过这个电路,我们能够将之前得到的PWM信号变成2个互补对称的脉冲方波信号,以便进行下一步的功率放大操作.3.5 H桥互补对称输出电路 这个电路本来是准备用MOS管的,但是不知道为什么,只要用MOS管,不管怎么调,在protel上面进行电路检查的时候都要报错,所以这里我们就采用了模电里面的三极管桥式对称电路进行放大.对之前在驱动电路里面得到的2个对称脉冲在这里进行放大.我设置的是2个输入信号都是10VP-P,得到的新信号的电压能够达到25VP-P,即达到了功率放大的作用.具体的电路图如图3.5:

24、图3.5 H桥互补对称输出电路3.6 低通滤波器 最后一级需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来。 我们电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图3.6所示)， 上限频率20 kHz，在通频带内特性基本平坦。经过截止频率公式f=，从而初步确定一组参数L1=22uH,L247uH，C1=l.68H

25、，C2=1H。20kHz处下降2.75dB，可保证20 kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100 kHz、166.4 kHz处分别下降43.55dB、62.26dB，完全满足对高频的滤出。 图3.6 4阶Butterworth低通滤波器 由于电路太大,在一个窗口里面装不下所有的部分,所以这里我就直接把输入的信号直接与方波进行比较器之后滤波,得到的波形还是很理想的.不过在方波信号和语音信号的频率差别不大的时候滤波效果不是很理想. 3.7电源模块我们这次设计的数字功放所有模块都采用5V电源供电，所以电源一块设计起来比较简单，我们就采用集成稳压块L7805CV。L7800系列输出电流为1.5A

26、，这足够满足我们的要求，无需再去扩流，电路图如图3.7所示。 图3.7 电源模块电路图3.8输出信号频率调节电路其实这个部分对于整个数字功放的意义不大,它的主要功能就是调整输出语音信号的频率(即音调).个人的想法就是通过输出信号与另一个载波做乘法,将其输出频率改变.其电路仿真如图3.8所示: 图3.8 模拟乘法器电路4系统调试及数据分析4.1 前置放大电路仿真结果说明一下,前面电路图都已经给出,这里就直接给出仿真结果,不再给出电路图了.前置放大器的仿真如图4.1-4.3 图4.1 前置放大器protel电路 图4.2 前置放大器multisim仿真结果 图4.3 前置放大器pcb连线结果4.2

27、 三角波发生电路仿真结果.三角波发生电路仿真结果如图4.4-4.6: 图4.4 三角波发生电路protel电路 图4.5 三角波发生电路multisim仿真结果 图4.6 三角波发生电路pcb连线结果4.3 比较器电路仿真结果.比较器电路仿真结果如图4.7-4.9: 图4.7.比较器电路protel电路图 图4.8.比较器电路multisim仿真结果 图4.9.比较器电路pcb连线结果4.4 驱动电路仿真结果.驱动结果仿真电路如图4.10-4.12: 图4.10 驱动电路protel电路图 图4.11 驱动电路multisim仿真结果 图4.12 驱动电路pcb连线结果.4.5 H桥互补对称电

28、路仿真结果:H桥互补对称电路仿真如图4.13-4.15: 图4.13 H桥互补对称电路protel电路 图4.14 H桥互补对称电路multisim仿真结果 图4.15 H桥互补对称电路pcb连线结果 4.6 低通滤波电路仿真结果.低通滤波电路仿真结果如图4.16-4.18: 图4.16 低通滤波protel电路 图4.17 低通滤波multisim仿真结果 图4.18 低通滤波pcb连线结果.4.7 电源部分仿真结果.电源部分仿真结果如图4.19-4.21: 图4.19 电源部分protel电路 图4.20 电源部分multisim仿真结果. 图4.21 电源部分pcb连线结果4.8 输出音

29、频频率调节电路仿真结果.频率调节电路仿真结果如图4.22-4.24: 图4.22 频率调节protel电路 图4.23 频率调节multisim仿真结果 图4.24 频率调节pcb连线结果.第五章.心得体会 首先,这次protel应用设计的作用是非常明显的,它不仅让我对protel这个软件的运动熟练度大大加强,并且也让我对之前学习的电路知识又进行了巩固.埋头在寝室里做了几天的电路设计.虽然很累,但是收获的喜悦可以将这一切的苦累都抹去.作为一名工科生,非常重要的一点就是要将自己所学的知识运用到实践生活当中去,我觉得这次的课设就让我在这个方面有了很大的收获.其次,在这次的设计当中我也碰到了相当多的问题,因为这个课题本来是在网上找的,其中大部分的电路设计也是别人的成果.但是当我自己进行实际仿真时候,却发现许多东西都有错误,.而导致我不能够这么轻松的完成这个课题.而我的共做就是在前人的基础上