物理与电气工程学院课程设计报告重要全解.docx

物理与电气工程学院课程设计报告重要全解.docx

《物理与电气工程学院课程设计报告重要全解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理与电气工程学院课程设计报告重要全解.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

物理与电气工程学院课程设计报告重要全解

物理与电气工程学院课程设计报告

设计名称：

数字式音频功率放大器

院部：

物理与电气工程学院

专业班级：

电子信息科学与技术2班

学生姓名：

陈国鹏（080213082）

夏宇（080213091）

黄垒（080213095）

完成时间：

2015年12月13日星期日

指导老师：

徐晓峰

评阅意见：

评阅教师日期

目录

1摘要与原理……………………………………………………………3

2课程设计任务及要求……………………………………………3

2.1设计任务…………………………………………………3

2.2设计要求………………………………………………3

3方案论证…………………………………………………4

3.1高效率功率放大器…………………………………………………4

3.2信号转换电路的选择………………………………………………6

3.3功率测量电路………………………………………………………7

4.主要电路工作原理分析与计算……………………………………………7

4.1D类放大器的工作原理…………………………………………7

4.2D类功放各部分电路分析与计算………………………………7

4.3功率测量及显示电路功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成…………………………………………………………10

4.4短路自恢复保护电路短路自恢复保护电路…………………11

4.5过温保护电路…………………………………………………12

4.6系统的电路原理图……………………………………………12

5.故障分析…………………………………………………………………13

6.使用仪器设备清单………………………………………………………13

7.设计心得体会……………………………………………………………13

8.参考文献…………………………………………………………………14

一．摘要：

在本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一种高频脉宽调制信号（PEMPulseEncodeModulation）的控制器工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之处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。

本系统由ICL8038集成芯片构成三角波发生电路输出的三角波作为载波，经前置放大的音频信号作为基波，比较得出的PWM（脉宽调制）波驱动开关管，采用H桥互补对称输出电路，并有具有自恢复过温保护和自恢复输出短路保护功能。

关键字：

D类放大器（classDamplifier）、脉宽调制器（pulsewidthmodulator）、低通滤波（lowpass）

数字功放的原理：

输入模拟音频信号首先预处理（如音量调节，压限等），然后与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器，输出音频误差信号，三角波发生器产生高线性度三角波信号与音频误差信号一起送到比较器，产生PWM信号。

PWM信号送到驱动器进行预放大，同时在驱动信号间插入死区时间，以避免同一桥臂的两个场效应管同时导通带来的损耗。

二．课程设计任务及要求

1、设计任务：

设计并制作一个数字式音频功率放大器。

2、设计要求：

设计一个音频信号前置放大电路，同频带20Hz-200KHz；

设计三角波振荡器，其频率大于200KHz；

功率放大电路带负载时，最大不失真功率30W；

设计LC低通滤波器，使其还原音频信号，要求失真度＜0.1%；

输入音频电压50mv；输出音频额定功率30w（8欧姆负载时；电源电压为15v-18v直流电压；数字功法模块的频率响应为20Hz-20KHz。

三．方案论证

根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示

1、高效率功率放大器

（1）高效率功放类型的选择

方案一：

采用A类、B类、AB类功率放大器。

这三类功放的效率均达不到题目的要求

方案二：

采用D类功率放大器。

数字式功率放大器，末级功率元件工作在数字（开关）状态，具有效率高、功率密度大等优点，应用广泛。

所以我们选择D类功率放大器。

（2）高效D类功率放大器实现电路的选择

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，这是关键。

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。

若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作。

所以选择方案二。

②高速开关电路a.输出方式方案一：

选用推挽单端输出方式如图2所示。

电路输出载波峰峰值不可能超过12V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。

方案二：

选用H桥型输出方式。

此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达24V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。

所以选择方案二H桥型输出方式

b.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，对它要求是高速、低导通电阻、低损耗。

方案一：

选用晶体三极管、IGBT管。

晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，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。

方案二：

选用VMMOSFET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。

③滤波器的选择方案一：

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。

但电感等消耗功率增大，很难达到很高的效率。

方案二：

采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器，可在20KHz内平滑滤波，并能保输出较高的效率故比较之下选择二阶Butterworth低通滤波器。

综上所述，可得到如图3所示的高速开关和低通滤波电路

2、信号转换电路的选择

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2/5。

方案一：

采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。

方案二：

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。

所以选择方案二

3、功率测量电路

方案一：

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，但算法复杂，软件工作量大。

方案二：

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，得到音频信号电压的真有效值。

（原理框图如4图所示），软件工作量小，精度高，速度快。

四、主要电路工作原理分析与计算

1、D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5所示。

2、D类功放各部分电路分析与计算

（1）脉宽调制器

①三角波产生电路。

如图6所示，ILC8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调频信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。

载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150kHz的载波，使用二阶BultterworthLC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150kHz。

②比较器：

选用LM311精密、高速比较器，电路如图7所示，因供电为+12V，-12V双电源，为给V+=V-提供0V的静态电位取R12=R15，R13=R14，4个电阻均取10kΩ。

（2）驱动电路IR2110双通道，栅极驱动高压高速功率器件，集成驱动芯片。

特点：

工作频率可达500KHz,开通管段延迟小，分别是120ns,94ns.具有防死区功能，其硬件图如图8所示。

①自举电容设计

（a）Qg充分导通所需要的栅极电荷

（b）悬浮驱动的最宽导通时间②自举二极管选择

②自举二极管选择

二极管承受电流是栅极与开关频率之积，反向漏电流的小的快恢复二极管。

（3）H桥互补对称输出电路

H桥互补对称输出电路对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IRF840的参数能够满足上述要求，故采用之。

互补PWM开关驱动信号交替开启Q1和Q4或Q2和Q3，分别经过两个二阶Butterworth滤波器滤波后推动滤波器。

本电路采用二Butterworth低通滤波器，对滤波器的要求是上限频率大于等于200KHz，在通频带内特性基本平坦。

经过多次计算和匹配,得到了一组较佳的参数L1=30uH,L2=30uH,C1=1.1uF,C2=1.1uF。

19.95KHz处下降2.464dB，可保证20KHz的上限频率，且通频带内曲线基本平坦。

其硬件图如图3所示.

3、功率测量及显示电路功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。

①真有效值转换器选用高精度的AD637芯片（图9），其外围元件少、频带

宽，精度高于0.5％。

②系统以单片机ATmega16为核心部件,经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送回单片机ATmega16，其内部的A/D转换器进行转换，并对转换结果进行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。

VR最小系统见附录二。

4、短路自恢复保护电路短路自恢复保护电路

如图10所示，由单片机控制继电器配合控制。

正常工作时，继电器不吸合，指示灯LED0不亮。

当8Ω负载端出现输出过流，电流大于2A时，AD637有效值转换大于V，单片机控制继电器得电吸合，电路中连入.6Ω大功率电阻分流。

从而降低负载电流，同时检测电路继续维持检测，直负载端恢复正常，继电器恢复常态，达到自恢复的过流保护。

当负载端出现短路时，电流达到4A此时极容易对前端造成损害，应立即切断前端电路。

此时采用控制IR2110使能端的方法，控制其截止驱动开关，从而达到了短路保护的作用。

5、过温保护电路

采用18b20温度传感器时刻监测开关管的温度，达到温度保护的目的。

6.系统的电路原理图

图12电路原理图

五．故障分析

电阻的发热使得失真度大于0.1%，从而输出的音频功率会达不到技术指标。

电容的充电，放电过程也会造成滤波产生较大的波动，会造成调制过程中产生较大的误差。

六.使用仪器设备清单

1.50W输出电压15v的变压器

2.3-5A耐压100v全桥整流器

3.3300u，0.22u的电容

4.数字功放模块

5．3W-5W的扬声器

6.9x15cm规格的双面铜绿色的万能板

七.设计心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

经过两个星期的努力，团队合作终于完成设计。

从搜集资料到图纸绘画，在到报告完成，是一个团队的密切配合的功劳。

从中深刻体会到团队的重要性，也学会了不少新的知识，体验到克服困难完成目标的快乐。

我们设计电路任然比较简单，只实现了其基本功能，电路有很多值得改进与增加的地方，开始我想了一些功能，但是由于实验条件限制或者能力精力的不足，后没有仿真出来。

比如：

按键调试功能、显示功能、自动断电上电功能。

并且本次设计业存在一定的缺陷，比如：

三角波信号必须稳定，但是本设计的电路产生的三角波不是十分稳定，有一定的波动；所有的电路参数指标要求严格，不然做出的设计放大效果就不好。

希望在以后的学习中，能够学到更多的知识，增长自己的能力，在以后的设计中做的更好。

通过课程设计更使我们明白了学习是用来服务的，我们不能只学习书上的知识，我们学习是为了更好的生活，要学以致用，要能够联系实际。

最后特别感谢指导老师徐晓峰对我们的指导与帮助。

八.参考文献

1.余孟尝，数字电子技术基础简明教程（第三版）（高等教育出版社）

2.杨素行，模拟电子技术基础简明教程（第三版）（高等教育出版社）

3.胡宴如，耿苏燕，高频电子线路（高等教育出版社）

4．李建兵，周长林，EDA技术基础教程—Multisim与Protel的应用（国防工业出版社）