數(shù)字幅頻均衡功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-2021全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 題目F：數(shù)字幅頻均衡功率放大器參賽學(xué)生：梁杰 *宋靜 玉河 指導(dǎo)教師： 正敏 定禮 學(xué) 校：工學(xué)院 院 系： 電子與電氣工程學(xué)院2021年9月5日摘要：本系統(tǒng)采用DSP作為主控制器，通過前置放大、濾波，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，對信號進(jìn)展采樣，把連續(xù)信號離散化，然后通過離散傅氏變換DFT運(yùn)算，在時域和頻域?qū)σ纛l信號各個頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)展分析和處理，最后通過低頻功放將信號放大，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB將處理后的參數(shù)送入DSP,同時將信息在液晶屏上顯示出來 。 關(guān)鍵詞：DSP、FFT、數(shù)字均衡、低頻功放、MATLAB1 引言隨著數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的開

2、展，DSP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。借助于現(xiàn)代數(shù)字電子及數(shù)字信號處理技術(shù)，古老的音響技術(shù)也煥發(fā)出新的活力。本次大賽中我們選擇了F題，圍繞這一課題我們進(jìn)展方案選擇與論證、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，根本實(shí)現(xiàn)了課目的各項(xiàng)指標(biāo)也要求。并在此根底上，撰寫了本報(bào)告的。整個系統(tǒng)分為前置放大、信號濾波、數(shù)字均衡及功率放大幾個局部，以下分別介紹。2 前置放大器的設(shè)計(jì)2.1 前置放大的硬件設(shè)計(jì)和帶阻網(wǎng)絡(luò)2.1.1 前置放大的硬件設(shè)計(jì) 可控增益寬帶放大器由芯片AD603構(gòu)成。AD603為單通道、低噪聲、增益變化圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器，AD603的帶寬為90MHz時，其增益高達(dá)30dB.本課題中，我們選擇兩片A

3、D603，構(gòu)成如圖.1所示的自動增益控制放大器。圖.1可編程放大電路2.1.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)此題中要求，所制作的帶阻網(wǎng)絡(luò)對前置放大電路所輸出的信號進(jìn)展濾波，根據(jù)題目要求，本次制作的帶阻網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖.2所示。圖.2帶阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)題目中所給的阻帶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，我們采用Multisim進(jìn)展了輔助分析與設(shè)計(jì)，其幅頻特性的分析結(jié)果如圖.4所示。 圖.3波特圖根據(jù)圖.3可知，在以10kHz時輸出信號電壓幅度為基準(zhǔn)，到達(dá)了最大衰減的要求。3 數(shù)字均衡方法比擬與選擇在音響系統(tǒng)中，均衡器可以分別調(diào)節(jié)音頻信號的各頻率成分增益，從而可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場的缺陷。均衡器可分為三類：圖示均衡器，參量均衡器和房間均衡器。傳統(tǒng)的

4、均衡器僅將音頻信號按高頻、中頻、低頻三段頻率進(jìn)展調(diào)節(jié)。采用數(shù)字信號處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對音頻信號的更精細(xì)的調(diào)節(jié)，這類均衡器稱為數(shù)字均衡器。數(shù)字均衡器可以作成圖示EQ、參量EQ或者兩者兼有的EQ，不僅性能指標(biāo)優(yōu)異，操作方便，而且還可同時儲存多種用途的頻響均衡特性，以供不同節(jié)目要求選用。數(shù)字均衡可以做到10段參量均衡和29段圖示均衡，結(jié)合其它功能，如噪聲門功能等。在本次設(shè)計(jì)中，我們給出了一個有參量EQ或者兩者兼有的EQ。其設(shè)計(jì)過程如下：3.1 數(shù)字均衡器實(shí)現(xiàn)方案選擇方案一：采用ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字均衡基于精簡指令集RISC的32位ARM微控制器具有一定的數(shù)字信號處理能力，可以用來實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字均衡

5、器，但當(dāng)均衡器的功能及性能要求較高時，ARM就不能勝任了。方案二：采用基于DSP的數(shù)字信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號處理器具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，能夠勝任較為復(fù)雜的音頻信號的各種處理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事務(wù)管理。往往要結(jié)合其它處理器，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。方案三：大規(guī)?？删幊唐骷么笠?guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)的算法是以邏輯運(yùn)算完成的最大優(yōu)越性在于高速，實(shí)現(xiàn)算法的系統(tǒng)延時非常小，但價(jià)格較高。 綜合以上各種因素，并考慮到我們的知識與能力，我們選擇DSP實(shí)現(xiàn)音頻信號的數(shù)字均衡，并以DSP實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)界面。3.2 數(shù)字均衡算法選擇3.2.1 軟件理論實(shí)現(xiàn)方案有三種，如下：方案一：帶通濾波器根據(jù)數(shù)字

6、均衡根本原理，我們可以采用一組中心頻率和帶寬符合一定要求、增益可調(diào)的帶通濾波器band-pass filter實(shí)現(xiàn)均衡，并采用MATLAB等計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)工具，選擇設(shè)計(jì)理想的濾波器，生成濾波函數(shù)的時域沖激響應(yīng)系數(shù)，最后在DSP中以時域卷積的形式實(shí)現(xiàn)濾波與均衡。方案二：傅立葉變換傅立葉變換是將信號從時域變換到頻域的一種變換形式，是信號處理領(lǐng)域中的一種重要的分析工具。離散傅立葉變換DFT是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式。在信號的頻譜分析、系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中都會用到DFT的計(jì)算?？焖俑盗⑷~變換FFT算法，這是一種快速計(jì)算的DFT，可以明顯降低運(yùn)算量，大提高了DFT的運(yùn)算速度。序列*(

7、n)的DFT表達(dá)式為：DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)變得更為方便。由于大多數(shù)DSP芯片都具有在單指令周期完成乘法累加操作的功能，并且提供了專門的FFT指令，這使得FFT算法在DSP芯片中的實(shí)現(xiàn)速度更快，從而更加證實(shí)了用DSP的好處。綜上所述，由于使用了DSP芯片，而DSP芯片里提供了專門的FFT指令，所以軟件理論采用了傅立葉變換的方式。4 低頻功放的硬件設(shè)計(jì)由于甲類功率放大器的效率小于50%，所以不符合題目中60%的要求。B類功率放大器雖然效率較高，但是其交越較大，所以也不符合要求。AB類功放存在著交越失真，也不符合，所以選擇D類功率放大器。D類功放具有效率高、體積小、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。對于D

8、類功放有三種方案 4.1 采用專用的D類功放器件此類經(jīng)典D 類功放主要由脈沖寬度調(diào)制器、開關(guān)放大器和低通濾波器等三局部組成，由三角波發(fā)生器、比擬器和音頻輸入信號構(gòu)成脈寬調(diào)制器( PWM )；兩只輸出場效應(yīng)管組成開關(guān)放大器；LF 和 CF 構(gòu)成低通濾波器，用以恢復(fù)音頻信號。驅(qū)動級用來驅(qū)動開關(guān)放大器，使放大器輸出信號為在和 間切換的高頻方波。圖.4經(jīng)典D 類功放構(gòu)造示意圖4.2 基于或的D類功率放大器件首先對輸入的音頻PCM信號進(jìn)展采樣, 然后進(jìn)入DSP 處理系統(tǒng)進(jìn)展數(shù)字變換和濾波, 包括差值運(yùn)算器, 數(shù)字低通濾波器和- 調(diào)制器。然后用已經(jīng)獲得的二進(jìn)制序列法去控制MOS管的通斷, 并通過模擬的02

9、4K 的低通濾波器傳輸?shù)侥M輸出。此方案是利用DSP 芯片的高速計(jì)算能力, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)字功率放大器的功能及數(shù)字處理本身的特性, 整個放大過程的精度、 信噪比和延時都可以通過對算法的修改來實(shí)現(xiàn),。比PWM技術(shù)具有更大的靈活性, 且能實(shí)現(xiàn)較好的復(fù)原效果。4.3 采用可編程器件實(shí)現(xiàn)D類功率放大器在全數(shù)字音頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，采用了CPLD來實(shí)現(xiàn)將PCM數(shù)字語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PWM信號，并在D類放大器的實(shí)現(xiàn)上采用了改良的PWM方案，實(shí)現(xiàn)了D類放大器具有效率高、濾波器設(shè)計(jì)簡化等特點(diǎn)。信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP器件，再經(jīng)過由CPLD構(gòu)成的脈沖寬度調(diào)制器，產(chǎn)生的信號用來驅(qū)動級由MOS管構(gòu)成的開關(guān)放大器，經(jīng)濾波

10、之后將信號反應(yīng)到輸入端，與輸入值作比擬來減少輸出波形的失真度。如圖.5所示。圖.5 低頻功放的組成框圖本次設(shè)計(jì)中，我們采用由高速模擬比擬器、波形發(fā)生成及PID環(huán)節(jié)構(gòu)的控制器。5 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 DSP的硬件設(shè)計(jì)本開發(fā)板配有8位數(shù)碼管顯示、16個按鍵的控制電路、外接21引腳液晶顯示、2個138譯碼器、AD與DA轉(zhuǎn)換器和豐富的外部擴(kuò)展接口。具體功能和應(yīng)用介紹如下。5.1.1 DSP芯片介紹 此次競賽采用TMS320C5416芯片，這個芯片的特點(diǎn)有：1采用哈佛構(gòu)造，能同時對程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)展操作；2采用多種線構(gòu)造，可同時進(jìn)展取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作；3采用流水線操作；4配有專用的硬件乘

11、法累加器，可在一個周期完成一次乘法和一次累加操作；5具有的特殊DSP指令；6快速的指令周期；7硬件配置強(qiáng)；支持多處理構(gòu)造；省電管理和低功耗。5.1.2 按鍵電路本實(shí)驗(yàn)板有16個小按鍵，按鍵讀寫控制由138譯碼器U10的11、12腳結(jié)合兩塊SN74HC573芯片控制，以識別按鍵操作。138再由DSP的A12到A15端口高四位地址控制按鍵的選通。按鍵電路可以用于控制數(shù)碼管顯示、液晶顯示等等，這主要由編程控制5.1.3 液晶電路實(shí)驗(yàn)板上提供外接21腳液晶，我們采用外接型號為ATM240128的液晶顯示屏。液晶顯示容由DSP的D0到D7端口外接10千歐電阻提供數(shù)據(jù)。 液晶的現(xiàn)實(shí)控制由138譯碼器控制L

12、CD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分別控制LED背景光源負(fù)極和數(shù)據(jù)命令選擇端。5.1.4 ADDA轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)板AD轉(zhuǎn)換器由貼片芯片TLV1571組成，DA轉(zhuǎn)換器由貼片芯片TLV5619組成。TLV1571 是TI 公司專門為DSP 配套制作的一種10 位并行A/D 轉(zhuǎn)換器，具有速度高、接口簡單、功耗低的特點(diǎn)，外圍電路過A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由DSP 實(shí)時地對大量數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)字技術(shù)處理。TLV5619是美國儀器公司推出的高速低功耗DAC器件, 它是帶有12位并行數(shù)字輸入的電壓輸出型DAC。該器件與TMS320系列器件的并行接口兼容, 采用2.75

13、.5 V單電壓供電。當(dāng)使用LDAC管腳時, 它可以異步更新緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置為低功率時, 其功耗僅為50 nW。6 軟件設(shè)計(jì)6.1軟件流程圖如圖.10所示。圖.10 軟件流程圖7 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試過程中，首先通過MATLAB仿真，按照競賽要求設(shè)計(jì)20hz-20khz的衰減小于1.5分貝 ，得到濾波系數(shù)h(n),然后通過ccs進(jìn)展數(shù)字信號處理。首先通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將輸入的信號與h(n)進(jìn)展卷積，得到濾波的信號，本設(shè)計(jì)考慮到實(shí)行性，及穩(wěn)定性采用40階的FIR濾波器。在調(diào)試的過程中，遇到的問題很多，如實(shí)時性，首先用80階的FIR,不能完成實(shí)時性，后來，通過調(diào)試改為40階FIR濾波器。D類功放的測試分控制電路局部、功率主回路局部及系統(tǒng)總體測試。首先完成了，D類功放主回路的調(diào)試與測試，這局部調(diào)試通過后，再調(diào)試控制回路，完成了其中的高速PWM發(fā)生器，PID環(huán)節(jié)。8 設(shè)計(jì)總結(jié)我們花了兩個多月的時間來準(zhǔn)備電子設(shè)計(jì)大賽，從9月2日起，比賽正式開場，到今日為止，整整四天三夜。在這些天的奮斗過程中，大家互相合作，互補(bǔ)缺乏。俗話說：三個臭皮匠，頂個諸亮。在這四天三夜里，我們集聚了個人的所長，及時的完成了我們選的題目。在這次的次賽中，我們對電子制作有了更加濃厚的興趣，對數(shù)字信號處理、數(shù)字均衡、DSP及相關(guān)期間有了更進(jìn)一步的了解，我們再完