机电一体化毕业设计论文数字式音响控制器的原理及设计.doc

上饶职业技术学院毕 业 论 文题目：【数字式音响控制器的原理及设计】姓名：饶学号：学院：上饶职业技术学院专业：机电一体化指导老师： 2011 年 12 月 15 日 引言 本设计的基本思路是分两个系统一通道选择系统和音量控制系统进行设计，然后进行整合。这样分系统的设计，大大降低了设计复杂度，各系统的设计和修改只影响系统本身，而不会影响其他系统，这样就使电路有了局部性。系统的原理框图如图1所示。 系统的设计没有考虑输入设备，输入的音频信号不予以考虑，默认是优良的音频信号；在这里将输入的8个音频输入进行选择以达到8种音效，我们通过一级放大电路将选择的音频送入到音量控制系统，这之间的传输采用的是直接耦合，直接连接到了音量控制电路的输入端，之后进行音量的自由选择，这样就实现了音效和音量的控制。1 通道选择系统11 系统实现功能1)对8个通道实行选择；2)通道选择用按键实现，按一次，通道选择加1，加至第8通道，再按回到第1通道；3)持续按下按键，每200ms转下一个通道；4)一位LED实现通道选择的显示。12 电路总体框图13 系统工作原理 通道选择系统由计数脉冲发生器、二进制计数器、数据分配器等部分组成。原理图见附录图示。其工作原理如下：555及其外围电路组成计数脉冲发生器，当电路接通电源后，它将输出一连串周期约为200ms的脉冲信号，通过按钮A1将脉冲信号送入加法计数器74LS161作为计数脉冲；计数器输出送入作为数据分配器使用的74LS138，通过数字输出控制“电子开关”，对与“电子开关”相连接的各个通道进行选择输出；同时计数器输出到译码显示电路，进行通道选择的数字显示。按下A1，工作加法计数状态，计数器输出按BCD码依次变为高电平，数据分配器按照计数器送入的BCD码分配相应的数据，控制相应“电子开关”对通道进行选择，进而实现对通道的数字控制选择；同时LED数码管显示所选通道。(例如：按下A1持续450ms，计数器记录为2，相应BCD码为010，送入数据分配器，则要分配控制第2通道开启，选择第2通道的音频输入；LED数码管显示为2)14 各部分电路原理 (1)计数器电路。74LS161是四位同步加法计数器，当时钟脉冲信号施加于CP端时，进行加法计数开始计数。CO是进位信号输出端，可供级联使用；PE控制P0P3并行数据输入，Q0Q3是计数器状态输出端。 (2)通道选择电路。74LS138是3-8译码器和分配器，当E3=1，且E1=E2=0时分配器工作，A0A3是输出控制端，Y0Y7是输出端。“电子开关”采用两支NPN和PNP三极管和前置运放构成，由Y0Y7经过反相器74LS04后控制，开关输出通过控制各通道经过的运算放大电路，进行选择，如图3所示。 (3)译码显示电路。74LS248是BCD一七段译码器，适用于共阴极管子；OC输出、有2K上拉电阻、1电平驱动，AD是输入端，ag是译码输出端。与共阴极数码管接线如图4所示。 (3)译码显示电路。74LS248是BCD一七段译码器，适用于共阴极管子；OC输出、有2K上拉电阻、1电平驱动，AD是输入端，ag是译码输出端。与共阴极数码管接线如图4所示。 (4)脉冲产生电路。555时基电路，又称为555集成定时器，是一种将模拟功能和逻辑功能巧妙地集成在同一硅片上的新颖线性集成电路，一般采用陶瓷双列直插封装形式。在图6所示的电路中，产生计数脉冲的555时基电路工作于无稳态(自激多谐振荡)状态，其输出脉冲信号周期为：T=(R1+2R2)×C2×In2，频率为其倒数。由此可见，要改变计数脉冲的频率可以通过改变R1、R2和C2的值来实现。 在调试本电路时，一般在按下按钮A1，通道变换一次的时间可适当改变R1、R2或C2取值来选取。本次采用200ms为周期，可相应调整。(如R1=280k，R2=20k，C2=1F)振荡电路构成如图5所示。2 音量控制系统21 实现功能 1)用两个按键控制音量，一个用于增加音量，一个用于减小音量；2)音量控制分为8档，每按键一下，增加或减小一档；3)当音量增加(减小)到最大(最小)时，继续按音量增减开关无效，即音量被保持，不再继续增(减)；4)持续按下按键，每200ms音量变化一档；5)用一位LED数码管显示音量的大小。22 电路总体原理框图23 电路工作原理音量控制系统由计数脉冲发生器、双向移位寄存器、编码器、可变音频衰减器和电流-电压转换器等部分组成(见图6)。其工作原理如下：555及其外围电路组成计数脉冲发生器(图5)，当电路接通电源后，它将输出一连串周期约为200ms的脉冲信号，送入寄存器CLK端，作为移位脉冲。两片74LS194串接成8位双向移位寄存器，通过74HC148对寄存器输出进行8-3优先编码，编码后的输出分别送入七段译码器74LS248和DA转换器DAC0832。按下A1，工作在加计数状态，寄存器编码后各位输出依次变为高电位，即DAC0832输入的数字量依次增大，从而使DAC0832对输入音频信号的衰减减小，达到增大输出音量的目的，同时LED数码管显示音量，松开按钮A1后，移位寄存器停止工作，原来的计数状态被锁定，输出音量保持不变。按下A2，工作在减计数状态，工作原理与加计数状态相反。DAC0832及其外围元件组成可变音频衰减器，其工作原理详见DAC0832的工作原理。由于DAC0832的模拟输出量为电流信号，因此电路中接一运算放大器LM081作为电流，电压转换器，将输出的模拟电流信号变换为电压信号输出。24 各部分电路原理 (1)双向移位寄存电路。74LS194是4位双向移位寄存器，当脉冲加到CLK端时，进行移位操作，DSR和DSL分别为右移和左移串行数码输入端，Q0Q7并行数码输出端，S0右移状态，S1左移状态控制端。级联电路如图7所示。(例如：按下A1寄存电路实现串行右移，按下A2时进行串行左移) (2)音量控制电路。DA芯片的功能是将输入的数字量转换成与其成比例的模拟量，输出模拟量的大小随输入数字量的不同而变化。 DAC0832是用CMOS工艺集成的8位数据输入DA芯片，具有20个引脚，其引脚排列如图11所示，其输出模拟量可有28=256个不同的等级。 DAC0832输出与输入的数字关系可以用下式表示： 式中，D0D7是输入的二进制数据“1”或“0”，VREF为参考电压，RREF、R0为参考电阻。从上式可见，输出电压VOUT随D0D7取值不同成比例变化。如果用模拟输入信号Vi取代参考电压VREF，则可建立输出电压VOUT与模拟输入信号Vi的比例关系，且该比例受控于数字量D0D7，受控等级达256级，这就是后面介绍的数字式音量控制电路的依据。此处只要求8档，所以只输入D10D12。电路连接如图8。 (3)编码电路。74HC148是8-3优先编码器，当E1=0时编码器工作，07是数码输入端，A1A2是编码输出端，引脚，真值表，如图9所示。 (4)译码及显示电路。该电路可参照通道数字选择系统中的译码及显示电路(如图4)。3 总结 数字式音响控制器完全是基于数字、模拟电子技术的基本知识设计的，主要采用了组合逻辑电路和时序逻辑电路，采用的元器件也都是平常时常接触的集成电路。这次设计中主要选用的都是TTL电路，虽然其功耗大，兼容性不稳定，但是应用是十分广泛的。经过电路仿真和实物测试，此音响控制器可以广泛应用于数字音响设备中。 数字式音箱通常指一种内装数字分频网络和功率放大器的音箱。数字式音箱输入的信号为数字比特流，在用数字信号处理的方法将音频频谱分割后，便分别将这些信号变换为模拟信号，然后再由各自的功率放大器放大后再去推动音箱中的相应发音单元。 首先来说一下UX-WD700的功能，它可以播放的盘片类型相当多，DVD、VCD、CD、CD-RW、MD这些盘片它都可以读取，还可以播放传统的磁带和接收广播，而且它还可以在其中的一部分盘片介质上写入要录制的歌曲。比如它有两个MD插入口，你可以将自己喜欢的碟片放在左边，然后把一张空白的放在右边，按下录制键，UX-WD700会帮你进行转录，也就是我们通常说的翻录一张。如果你觉得以前翻录的时候时间很长，那么UX-WD700为你考虑的很周到，它可以帮你进行2倍速度的翻录，时间缩短一半，很不错的功能吧。在你选择从CD盘片录制歌曲到MD碟片上时，UX-WD700更能提供惊人的5倍速翻录功能，使您的等待时间大大减短。具体的说这个机器就是个翻录专家，它可以在各个不同的介质之间进行转录，从这张图片介绍上我们就能看得明明白白。数字音响系统与模拟音响设备的差别有哪些 激光唱片唱机和数字磁带录音机都属于数字音响设备，它们与密纹唱片和传统的磁带录音机模拟音响设备相比，有着很大的差异，其基本的不同点是： 数字音响设备每秒所传送的码数（码率）很高，因而所需要的带宽很大，至少为模拟音响设备的50倍以上。 数字音响设备记录的不是连续的波形，而是只有0、1二值的bit（比特）。 例如，模拟磁带录音机记录的是声音的原来连续的信号，因此在录放过程中所受到诸如磁带噪声等的影响，要叠加在声音原信号上使音质变差。尽管可用降噪系统或高级磁带等减小噪声的影响，但无法从根本上加以消除。数字录音机对上述这种磁带噪声的影响能完全予以消除。而且，由于数字录音机是以比特形式记录和传送的，故一路信息可以很方便地分割成几路磁迹记录，也可以将几路信息通过时分复用方法重叠在一个磁迹中记录。由于数字音响设备记录的只有0、1二值，故没有线性的要求。在模拟式录音机中，为减小失真，对磁头工作的线性状态提出很高的要求，而在数字录音机中，磁头只工作在磁饱和和无磁两种状态，用1和0二值表示，对线性没有要求。研究数字技术 对城市功能和形态的影响,意在预测数字技术 时代的城市空间演变趋向,对城市规划与设计具有指导价值.运用综合分析与逻辑推理的方法,探讨了基于数字技术 的城市空间理论以及城市空间的网络复合性演变.数字技术 衍生的虚拟空间使城市空间的可达性最大化,通过节省时间、成本并提高效率的方式拓展物质空间,城市区位取决于数字区位与地理区位的综合作用XP4是一款整合本公司经典的音箱处理器和有源音箱功率放大技术，为系统后级的X4a 音箱提供可经调教的音频信号和功率持久的直流电源支持的复合设备。在专业音响设备中,房间频率均衡处理并不是通过听音,而是需要使用专用的频谱分析装置进行调节。房间的频率均衡处理不当,放音效果将有可能出现一些奇怪的问题,如产生某种特殊的谐振音。因此,许多设备生产厂家纷纷推出了可以进行实时频谱分析的自动房间均衡器,使普通的音响师也能方便地使用此类设备。音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的CD、DAT、MD、DVD等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却长期在数字化的大门外徘徊。人们对音响重放高保真度的追求是永无止境的，而模拟功率放大器经过了几十年发展，在技术上已经相当成熟，可以说已难于有新的突破。随着生活水平的提高，环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，人们再一次把目光投向数字功放。其实早在20世纪60年代末期就有人着手数字放大器的研究，为什么在这数十年以来的音响发展历程，一直不见其产品面市？究其原因，是在数字音频放大器的设计与制作过程中，最大的难题就是高速转换控制系统。因为其需要极高的精确度，但在如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应，以及如何避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破，故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前，举步维艰。如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日渐突显，新品不断推出，也越来越受到人们的关注了。低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。工作在开关状态下的D类功率放大器却很容易实现，大功率，高效率，低失真。传统的音频功放工作时，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:1.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。2.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有自保护电路，可以大大简化保护电路，而且不会引入非线性失真。对于高电感的扬声器，在设计电路时，是可以省去低通滤波器LPF)，这样可以大大的节省体积和花费。而且有更高的保真度，这一点，在国外的SVD类功率放大器中已经开始运用，如:TEXAS公司的TPA2002D2。近年来，国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用PWM方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，D类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。2 音响的基础知识2.1 声音的基本特性音量:它与声波的物理量“振幅”有关，声波的振幅大，人耳就感觉声音响，音量大，反之，则声音轻，音量小，音量的大小是人耳听音的主观感觉。音调:是人耳对声音调子高低的主观感觉，声调的高低与声音的物理量“频率”对应人耳的听觉范围:20hz20KHz称之为可听声，低于20Hz称为次声，高于20KHz称为超声，人耳对3K4K的声音最敏感。音色:又叫音品或音质，它是由声音的波形决定的，电子管功放的偶次谐波多，奇次谐波少，声音柔美，甜润，晶体管功放奇次谐波多，声音冷艳，清丽。2.2 音响的结构及参数前置放大器和功率放大器，前置放大器承担控制任务为主，对各种节目源信号进行选择和处理，对微弱信号放大到0.5-1V，进行各种音质控制，以美化音色。功率放大器，承担放大任务，是将前置放大器输出的音频信号进行功率放大，以推动扬声器发声。有电压放大，电流放大，要求是宏亮而不失真。2.3 放大器的技术指标1.额定功率:音响放大器输出失真度小于某一数值(r<1%)的最大功率称为额定功率，表达式；P= U/R, U为负载两端的最大不失真电压，R为额定负载阻抗。测量条件如下:信号发生器输出频率为1KH，电压U=20mV正弦信号。功率放大器的输出端接额定负载电阻凡(代替扬声器)，输入端接U，逐渐增大输入电压U，直到U的波形刚好不出现谐波失真(r<1%)，此时对应的输出电压为最大输出电压。测量后应迅速减小U，以免损坏功率放大器。2.频率响应放大器的电压增益相对于中音频f (1KHz)的电压增益下降3dB时所对应的低音音频f和高音音频f称为放大器的频率响应。测量条件如下:调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率f从20Hz-20KHz(保持U=20mV不变)测出负载电阻上对应的输出电压U。3.输入灵敏度使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压(有效值)称为灵敏度。4.噪声电压使输入为零时，输出负载凡上的电压称为噪声电压U。测量:使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载RL的电压波形，用交流电压表测量其有效值。3 放大器的简介功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即A类、AB类、B类、C类、D类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。1. A类放大器我们略去电路直接从特性曲线来讨论工作状态，见图3-1中左边为晶体管输入特性，固定置偏所形成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出线性范围，集电极工作状态处于截止区和饱和点之内，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为180度，(导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计算，全周导通时为180度)。这种放大状态失真度较小，只受器件特性曲线的影响，若器件线性好则失真最小，但是，当无交流输入时，有约一半幅度(Q点)的直流电流，其损耗为I × V，故效率是最低的，低于50%，所以这种A类功率放大仅用于很小功率的收音机，助听器中，也有用于高级的Hi-Fi功放中。图3-1 A类放大器2. B类放大器图3-2 B类放大器静态置偏为Q点，处于截止点上，因此信号输入时，只有半周导通(导通角为90度) ，如图3-2所示，。集电极输出半个正弦波。这种状态失真度就很大了，所以一般乙类放大器都用双管做成推挽式，每管工作半周构成完整的正弦波以减少失真。乙类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流，因而没有直流功率损耗，效率超过50%，但由于曲线起始端的非线性，常将推挽放大器的两管均少量正向置偏，其导通角大于半周，故效率不能做得很高达60%-70%.工作介于AB之间，故又称AB类功放。其情况如图3-3, 3-4。图3-3 推挽电路形式IBVBEIBVBE图3-4 AB类放大和B类放大3. C类放大器情况如图3-5，静态置偏点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分管子才导通(导通角小于90度)，效率更高，但由于失真过大，难用于音频功放，多用于高频功放作为倍频用，集电极电流呈脉冲状，谐波丰富，再用高Q电路调谐于基波频率，滤处谐波成分，使输出完整波形的正弦波。CVceIcIb=0Q图3-5 C类放大器 4. D类放大器以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。如果输入波形其他边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作与脉冲放大状态的D类放大器。D类放大器工作于开关状态，无信号时无电流，而导电时，没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达100%，实际在80-90%,是实用放大器中效率最高的。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，电路板可作的很小，大大减少了体积重量。并且由于工作比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响很小。D类放大器与线性音频放大器（如A类、B类和AB类）相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器（如AB类）来说，偏置原件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。因为D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过负载的电流方向，所以输出级的功耗极低。D类放大器的功耗主要来自输出晶体管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销。放大器的功耗主要以热量的形式耗散。D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可以省去散热器，因此非常适用于紧凑型大功率应用。近年来，受以下两个主要因素的影响，这样的局面正逐渐扭转，使D类放大器在很多应用领域引起了人们的广泛关注。首先，是市场需要。D类放大器的某些优点推动了手机和LCD平板显示器这两个终端设备市场的迅速发展。对于手机来说，扬声器和PTT (Push-to-Talk，一键通)模式需要D类放大器的高效率，以延长电池寿命。LCD平板显示器的发展对电子器件提出了“低温运行(cool running)”的需求，这是由于工作温度的升高将影响显示颜色对比度。而D类放大器的高效率意味着驱动电子设备时功耗更低，使LCD平板显示器工作时发热更少，图像显示效果更好。影响D类放大器应用的第二个因素便是自身技术的发展。根据市场需要，一些制造商改进了D类放大技术，使D类放大器具有更理想价格的同时，也具备了与AB类放大器相近的音频性能。此外，一些新型的D类放大器输出调制方案还可以降低实际应用的EMI。 4 D类功放的原理及仿真4.1 D类功放的工作原理D类功率放大器的原理，首先将脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）音频数据流通过专门的等比特数字处理器（EquibitDSP）变换为脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）的数据流。采用脉宽调制后，音频信号便成为一系列的用“0”和“1”表示的宽度可变的脉冲串，脉冲的宽度越宽，信号的幅度就越大。将这些脉宽调制的数据流去推功率放大器的常规晶体输出管。由于受到脉宽调制数据流的作用，晶体输出管将迅速地时而饱和导通工作，时而截止不工作。晶体管导通工作时间越长，信号幅度便越大，于是晶体输出管为扬声器提供的电流也时而因管子导通而有电流流过，时而因管子截止而没有电流流过，音频信息便包含在这些接通、断开的周期过程中。脉冲串在由晶体管放大后，便由LC低通滤波器进行平滑处理，从而恢复为原有的音乐波形。D类放大器的电路工作方式为开关状态，作为放大音频正弦信号，还需模/数转换电路，将音频模拟信号先变为脉冲方波，从而进行放大。其原理方块图如图4-1,波形图如图4-2。输出A / DLPF 输入D/ A图4-1 D类放大器的原理方块图图4-2将正弦波变为脉冲波的脉宽调制电路从图4-1的结构可知，两个放大器反相连接，实际上构成推挽状态，起到开关作用去控制与电源串联的负载回路(RL)，低通滤波器LPF可以滤去脉冲波的高频部分，得到基波成分，所以实际上成为数/模(D/A)转换电路，重新将脉冲波还原成为正弦波。从电路看，当两支形状短路阻抗为0，开路阻抗为无穷大时，电路效率100%。因为扬声器是感性负载，对于高电感的扬声器如中频扬声器，D类功放可以不用低通滤波器，直接与扬声器相联。图4-2表示如何将正弦波变为脉冲波，让脉冲波的宽度受正弦波幅度调制，称为PWM信号，即“脉宽调制”信号。这里没有应用一般概念的A/D变换电路，而是用一个幅度与放大的正弦信号近似的三角波，共同作为变换器输入，相当于反相比较器。当三角波幅度大于正弦波幅部分，变换电路输出"1"；而三角波幅小于正弦波幅处，变换电路均输出"0"；这样即将输入的正弦信号变为宽度随正弦信号波幅变化的PWM波。D类功放使用的开关管采用功率型MOSFET，即大功率场效应管，并为保证足够的激励电压而设有驱动电路，使FET能充分的开启和关断。图4-3是PWM波的频谱，当放大单一频率正弦时，其频谱中除低频段存在与输入信号同频率的基波成分外，还存在各次谐波的频谱。因此用LPF低通滤波器就可以滤去高频谐波而得到正弦基波成分，因此，可使数模转换电路非常简化。f输入信 号的频率谐波频谱图4-3 PWM波的频谱4.2 D类功放的EDA仿真4.2.1 EDA仿真概述EDA（Electronic Design Automation ）是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。主要能辅助进行三方面的设计工作，既IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术经过了三个阶段的发展。从70年代的（CAD）阶段和80年代的（CAE）阶段，到90年代的电子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念，同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过EDA仿真软件，进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。本课题研究时采用简单易用的EWB软件，其操作简单、直观，对计算机的要求低，特别适合初学者和在校的学生使用。图44给出了电路建模EDA仿真分析时一般的步骤根据流程图的步骤，重点应该做好课题建模、仪器的连接、运行仿真试验、分析结果等工作。建模过程中，各级电路的元器件参数选择必须 准确，应防止节点的虚脱和注意地端的连接。测试仪器的使用，应注意相关的对话框设置，做到各项选择符合其电路要求。运行仿真试验的目的就是得出分析数据、电路波形特性及各种相关参数。YN元件参数调整仿真测试确定研究课题仿真建模设定测试点及要求选定测试仪器仿真测试数据综合分析结果 图44 EDA仿真分析流程图4.2.2 D放大器原理仿真概述根据上面的研究，D类音频功率放大器主要有三角波发生器、电压比较器、场效应管驱动电路和低通滤波器构成，现将仿真电路设计如下。图45 D类放大器的仿真电路其中输入信号为1KHz的正弦波，抽样信号为200KHz由的三角波，由EWB中的信号发生器提供，幅度为2V，占空比为50；电压比较器采用EWB中的理想运算放大器，输出的极值为5V5V；场效应管驱动电路采用理想场效应管构成的开关放大电路；低通滤波器为LC二阶滤波器。4.2.3 输入信号抽样PWM波的形成仿真图46 PWM波的形成仿真4.2.4 输出信号PWM波的频谱仿真分析图47 傅里叶分析的设置4.3 D类功放的优点在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。 和模拟功率放大器相比较，D类功率放大器有以下明显优势： （1）直接接收CD、DVD等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号，直接以数字信号进行放大，体现了与数字音源的完美结合。 （2）高、中、低频无相对相移，声音清晰透明，声像定位准确。由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。 （3）瞬态响应好，即“动态特性”好。由于它不需传统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，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特征。 （4）无过零失真。传统功放一般都存在由于对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真。 （5）能量转换效率极高，体积小，可靠性高。耗电量仅为同功率等级模拟放大器的三分之一。其电源使用效率高达90%以上，节约能源，也符合环保要求。而B类放大器效率仅为78%（理论值），A类功放的效率就更低。由于D类功放极高的效率，半导体器件的温升明显减小，失真率也就显著减小。 （6）适合于大批量生产。产品的一致性好，生产中无需调试，只要保证元器件正确安装即可。5 D类功放的硬件设计5.1 D类功放的设计原理在音响领域里人们一直坚守着A类功放的阵地。认为A类功放声音最为清新透明，具有很高的保真度。但是，A类功放的低效率和高损耗却是它无法克服的先天顽跌。B类功放虽然效率提高很多，但实际效率仅为50左右，在小型使挠式音响设备如汽车功放、笔记本电脑音频系统和专业超大功率功放场合，仍感效率偏低不能令人满意。所以，效率极高的D类功放，因其符合绿色华命的潮流正受着各方面的重视。由于集成电路技术的发展，原来用分立几件制作的很复杂的调制电路，现在无论在技术上还是在价格上均已不成问题。而且近年来数字音响技术的发展，人们发现D类功放与数字音响有很多相通之处，进一步显示出D类功放的发展优势。D类功放是放大力件处于开关工作状态的一种放大模式。无倍号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通*理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为100，B类功放的效率为785，A类功放的效率才50或25(按负载方式而定)。D类功放实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而，开关功能(也就是产生数字信号的功能)随着数字音频技术研率的不断深入，用于HiF1音频放大的道路却口益畅通。20世纪60年代，设计人员开始研究D类功故用于音频的放大技术，70年代Bose公司就外始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功故，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。共今关键的一步就是村音频信号的调制。图5-1是D类功放的基本结构，可分为三个部分：图5-1 D类功放的基本结构第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后故在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，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11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乎长，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，方被占空比小于1：1。这样，比较器输出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(Pulse Width Modulation脉宽调制)或PDM(Pulse Duration Modulation 脉冲持续时间调制)波形。音频信息被调制到脉冲波形中。第二部分就是D类功故，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。第三部分需把大功率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的充电时间大子放电时间，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致，所以原音频传号被恢复出来，见图5-2。图5-2 模拟D类功放工作原理 D类功放设计考虑的角度与AB类功放完全不同。此时功放管的线性已没有太大意义，更重要的是开关响应和饱和压降。由于功放管处理的脉冲频率是音频信号的几十倍，且要求保持良好的脉冲前后沿，所以管子的开关响应要好。另外，整机的效率全在于管子饱和压降引起的管耗。所队饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。若干年前，这种高频大功率管的价格昂贵，在一定程度上限制了D类功放的发展。现在小电流控制大电流的MOSFET已普遍运用于工业领域，特别是近年来UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上应用，器件的障碍已经消除。调制电路也是D类功放的一个特殊环节。要把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。频率过低达到同样要求的THD标准，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。频率高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD就小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件小的高频损耗、射频的趋肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHZ。同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真。所以要实现高保真，出现了很多与数字音响保真相同的考虑。还有一个与音质有很大关系的因素就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。该低通滤被器工作在大电流下，负载就是音箱。严格地讲，设计时应把音箱阻抗的变化一起考虑进去，但作为一个功放产品指定音箱是行不通的，所以D类功放与音箱的搭配小更有发烧友驰骋的天地。实验证明，当失真要求在0.5以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。5.2 D类功放的设计要素虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要设计考虑，包括：输出晶体管尺寸选择；输出级保护；音质处理；抗电磁干扰( EMI)；LC滤波器设计；系统成本；散热。 5.2.1 输出晶体管尺寸选择选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小，要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小(典型值为0.1W0.2W)。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容(CG)。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f，其中C是电容，V是充电期间的电压变化，f是开关频率。如果电容或频率太高，这个“开关损耗”就会过大，所以存在实际的上限。因此，晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定，而在低输出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。5.2.2 输出级保护输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害： 过热: 尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高的功率，仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险