数字幅频均衡功率放大器设计.doc

数字幅频均衡功率放大器摘要：系统以单片机和FPGA为控制核心，设计了一个684阶FIR数字滤波器，实现了经过带阻网络衰变后信号的幅频均衡。经测试，均衡处理后通频带内信号电压幅度波动小于1.2dB。系统输出采用分立的大功率MOS晶体管搭建甲乙类功放，经测试，8负载上最大不失真输出功率为14.5W，效率可达64%。此外，系统基于直接数字频率合成技术制作了扫频仪，通过数字峰检的方法，获得带阻网络的幅频响应特性，作为FIR滤波器的设计参考。同时，可在液晶显示屏上显示带阻网络的幅频特性曲线。关键字：幅频均衡 FIR数字滤波器 甲乙类功放 扫频VIII一、 系统方案设计1. 数字幅频均衡方案均衡器用于实现对带阻网络频率特性的补偿，以获得平坦的幅频响应。方案一：采用自适应滤波器。它以最小均方误差为准则，根据输入信号的改变，通过滤波器输出信号与参考信号之间的误差，自动调整滤波器的系数，以达到时变最佳滤波器，适合于未知信号或非平稳信号的处理。方案二：采用无限冲激响应滤波器（IIR）。IIR滤波器设计简单，实现的阶数较低。但它具有非线性相位，且由于其为反馈型结构（即传递函数存在极点），对滤波器参数的精度要求较高，否则可能引起振荡或发散。方案三：采用有限冲激响应滤波器（FIR）。FIR滤波器采用非递归结构，可以得到严格的线性相位，运算误差较小。且传递函数不存在极点，稳定性好。但与IIR滤波器相比，相同条件下需要的阶数更高，导致延迟时间较长。由于本系统对固定网络进行幅频均衡，方案一的优势无法体现。鉴于FPGA具有快速的数据处理能力，为保证系统的稳定性，选取方案三。 2. 功率放大方案方案一：甲类功率放大器。甲类功放非线性失真小，但效率低，理想情况下的最大效率为50%，不能满足题目要求。方案二：乙类功率放大器。互补推挽输出可解决效率与失真的矛盾，理想情况下的最大效率为78.5%。但存在交越失真，且实际应用时效率比理论值低得多。方案三：甲乙类功率放大器。它兼有甲类失真小和乙类效率高的优点，且准互补推挽输出可以克服交越失真。为同时满足题目对功放效率、输出功率与通频带的要求，选取方案三。3. 系统总体方案系统主要由前置放大模块、带阻网络、数字幅频均衡模块、低频功放模块和幅频特性测试仪五部分组成。图1 系统实现框图前置放大模块由高增益放大器与带通滤波器组成，实现增益为500倍的放大以及-1dB通频带为20Hz20kHz的滤波。带阻网络用于对前置放大电路输出信号进行滤波，其最大衰减量达到10.6dB。数字幅频均衡模块由A/D采样、FIR滤波器、D/A转换与低通滤波器组成，用于采集经过带阻网络衰减后的信号，用FIR滤波器对采集数据进行滤波，通过D/A转化与低通滤波后，输出均衡处理后的波形。低频功放模块由带通滤波器、预放大与功率放大电路组成，对数字均衡后的输出信号进行功率放大。此外，系统还增加了带阻网络幅频特性的测量与显示功能。其实现方法为：采取复用ADC与DAC的方式，基于直接数字频率合成原理输出扫频信号，通过采样量化与数字峰值检波，测量经过网络后每个频点的峰峰值。即可获得带阻网络的频率特性，进而利用MATLAB工具设计出FIR滤波器的系数。同时，带阻网络的频率特性曲线可在液晶屏上显示出来。二、理论分析与计算1. 前置放大电路设计根据题目最小放大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。本设计中放大器的增益较大、处理频段较低，所以应选取适合的运放，影响输出效果的主要参数有运放增益带宽积、噪声电压密度、输入失调电压等。为实现500倍增益的放大，采用两级运放级联。第一级选取低噪声、高精度运放OPA228，其噪声电压密度为，带宽为33MHz。由于其为电压反馈型运放，增益增大时频宽变窄，用它来构建小信号的高增益放大器，可以较好地抑制高频噪声，设置增益为250。第二级选取高精度运放OPA602，其最大输入失调电压为250uV，带宽为6.5MHz，实现增益为2的放大。电路均采用同相放大接法，其输入阻抗高的特性有利于小信号的提取。电路图如图2所示。图2 前置放大电路图2. 功率放大电路设计图3 功率放大电路图功率放大器如果要输出较大的功率，晶体管必须大振幅地工作，因此一般要工作在其非线性特征区域。一般来说晶体管电路高效率的同时，失真率也明显增大。因此要在效率与失真率之间取最合适的工作点。乙类功放效率高，但集电极电流只流通半周期，会产生波形失真，在低频信号功率放大器的应用中，为了减少波形失真，此电路常被做成推挽式放大器来使用。甲乙类集电极电流的流通大于半个周期小于一个周期，为了减少失真，将工作点提高一点。通过对晶体管加入一定的偏置，可以克服乙类功放产生的交越失真。电路图如图3所示。前级以AD844为核心组成增益约为3.5倍的预放大电路，后级由NMOS管与PMOS管组成互补推挽输出，通过调节电位器R4和R5为晶体管提供一个适当的偏置电压，可避免交越失真。另外，为了提高功放效率，我们采用散热片对晶体管进行散热与保护。3. 数字幅频均衡电路设计（1） A/D采样电路设计采集信号的频率范围为20Hz20kHz，为防止频谱混叠，采样速率应大于奈奎斯特频率。若采样速率太低，一个周期内采集点数太少，波形输出时会存在较大失真；若采样速率太高，相同条件下所需滤波器的阶数更高，增加了滤波器的空间和时间复杂度。最终我们设定采样频率为最高频率分量的4倍，即80kHz。为了减小量化噪声对系统的影响，应选择位数高、精度高的ADC。选取高精度16位并行A/D转换器ADS8505，其最高采样速率为200ksps，输入电压范围为10V，无杂散动态范围高达105dB。具体电路图见附录中图9。（2） D/A转换电路设计由于通频带内输出波形的电压幅度波动在1.5dB以内，应选择位数高、精度高的DAC。选用高速、14位的DAC904，其最高更新速率达165Msps，功耗低至170mW。由于采样频率为80kHz，对于频率为20kHz的信号一个周期只能采集4个点，为保证输出波形不失真，后级需接平滑滤波器。鉴于开关电容滤波器具有陡峭的衰减特性，选用8阶低通椭圆滤波器MAX297，设定截止频率为20.6kHz，能较好地滤除高频噪声。具体电路图见附录中图10。（3） FPGA内部FIR滤波器电路设计FIR滤波器的差分方程表达式为：式中，yn和xn分别表示输出和输入序列，hm是滤波器系数，N是滤波器阶数。由直接型结构图可见，N阶FIR滤波器要用N+1个系数表示，通常需要用N+1个乘法器和N个加法器来实现，即在FPGA内需完成相应的乘加运算。并行FIR滤波器具有速度快、易于设计的特点，但滤波器阶数较高时需要占用大量的资源，采用串行优化算法可减少资源占用量。图4 直接型FIR滤波器结构图4. 数字处理算法设计（1）线性均衡的数字滤波器设计常用于均衡的线性滤波器是一个横向滤波器，它由若干个抽头延迟线组成。可设计一个FIR数字带通滤波器，使通频带内信号经过带阻网络与数字幅频均衡后，获得平坦的幅频响应。数字滤波器的设计过程为：测量带阻网络的幅频特性，得出所需FIR滤波器的频率响应。根据FIR滤波器的频响特性，利用Matlab计算出滤波器系数。通过Matlab仿真，验证所设计的系统是否符合题目要求。（2）FIR滤波器的频率特性为了获得较好的结果，应根据带阻网络的实测频响来设计数字滤波器。需要得到fs/2范围内的频响特性（fs为采样速率即80kHz），故由DDS模块产生扫频信号，频率范围为20Hz40kHz以20Hz步进。扫频信号经过前级放大与带阻网络后，通过A/D采样与数字峰值检波，测出各频点的峰峰值，即可得到模拟部分的实际频率响应，则FIR滤波器的频率响应。利用Matlab绘制两者的频率响应曲线，观察图5与图6可知，两者具有相反的频率响应特性。 图5 带阻滤波器频率响应曲线 图6 带通滤波器频率响应曲线（3）FIR滤波器系数与阶数设计根据FIR滤波器的频率特性，利用MATLAB软件可以设计出滤波器系数。我们采用切比雪夫逼近法（又称为等波纹逼近法），它基于最大误差最小准则，通过Park-McClellan算法，利用已知滤波器的特性，计算出所需滤波器的系数。在MATLAB中，调用remez函数即可实现。滤波器阶数越高逼近误差越小，但阶数太高会占用过多的资源开销和时间开销。综合考虑FPGA的系统资源、运算时间与逼近误差，我们设置FIR滤波器的阶数为684阶。（4）MATLAB仿真得到滤波器系数后，利用MATLAB绘制其幅频响应曲线h1，同时绘制带阻滤波器的频率响应曲线h2（dB表示）。将两者相加，可得到两滤波器级联后的频率响应。仿真图见附录中图15，由图可知，输出信号电压波动在0.5dB范围内，设计符合系统要求。三、总体电路设计系统电路主要由前级信号调理与波形采集模块、波形输出与后级功放模块组成。总体电路框图如图7所示，图中包含核心芯片以及部分电路特性。图7 总体电路框图四、程序设计系统软件主要有两种工作模式：1.测量模式，用于计算所需数字滤波器的系数。实现过程：DDS模块产生扫频信号，通过A/D采样与数字峰值检波获得带阻网络的幅频特性，作为Matlab设计FIR滤波器的参考。同时，可在液晶屏上显示幅频响应特性曲线。2.工作模式，对当前波形进行数字幅频均衡处理。实现过程：对经过带阻网络的信号采样量化，经过FIR数字滤波器处理后，由D/A转换输出波形。 图8 程序流程图五、测试方案与测量结果1. 测试仪器直流稳压稳流电源：型号SG1733SB3A数字信号源：型号Agilent 33120A60M数字存储示波器：型号Tektronix TDS1002万用表：型号Fluke 17B2. 测试方案与测试结果（1）前置放大电路测试放大倍数测试。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。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15Hz22kHz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）15201001k10k20k22k输出幅度（V）5.246.327.127.167.086.246.12结论：经测试，-1dB通频带为20Hz20kHz。输出电阻测试。根据电阻分压原理，在放大电路输出端接入一300电阻到地，测量信号源输出电压与经过输出电阻的输出电压，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：600。具体测试电路见附录中图16。（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20Hz20KHz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2 带阻网络最大衰减测试频率（Hz）203006001k2k10k20k输出幅度（V）2.800.7680.6640.6400.7842.162.60结论：经测试，带阻网络最大衰减为10.6dB。（3）数字幅频均衡电路测试输入电阻测试。根据电阻分压原理，在信号源与带阻网络输出之间接入一300电阻，测量信号源输出电压与经过该电阻分压后的输出电压，由电压比值可计算出输入电阻阻值。经测量输入电阻为：600。具体电路见附录中图17。通频带电压幅度波动测试设定输入信号为有效值5mV的正弦信号，在频率范围20Hz20kHz的范围内抽取足够多的测试点，进行电压幅度波动的测试。表3 数字幅频均衡电路通频带电压幅度波动测试频率（Hz）201004001k4k10k20k输出幅度（mV）856840824928944888776结论：经测试，通频带电压幅度波动在1.2dB以内。（4） 功率放大电路测试无失真输出功率测试。设定输入信号为有效值5mV，频率范围为20Hz20kHz的正弦信号，在RL=8负载上用示波器测量输出电压峰峰值Vo，利用公式，计算出输出功率。具体数据见附录中表9。经测量，无失真输出功率不小于10W。最大输出功率达到14.5W。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1Hz30kHz的范围内抽取足够多的测试点，进行-3dB通频带的测试。表4 功率放大电路通频带测试频率（Hz）201002005001k10k20k输出幅度（V）2227.428.827.630.428.820.2结论：经测试，-3dB通频带为20Hz20kHz。功率放大电路效率测试。设定输入信号为有效值5mV、频率10kHz的正弦信号，用示波器和万用表分别测量功率放大电路输出电流和电压，与其直流电源供给电流和电压，根据两者功率比值，从而计算出电路效率。表5 功率放大电路效率测试正电流（mA）负电流（mA）正电压（V）负电压（V）输出功率（W）效率67053017.91812.64.5%3. 测试结果分析及总结系统采用FIR数字滤波器与甲乙类功放，实现了数字幅频均衡功率放大器。通频带内电压幅度波动在1.2dB以内，最大无失真输出功率达14.5W，效率达64%。误差的主要来源有A/D采样的量化误差、放大器的非线性误差、有限字长效应等。我们选取低噪声、高精度的器件，并采取一系列抗干扰措施以提高数字处理精度与波形输出质量。此外，利用MATLAB进行参数设计，在FPGA内实现FIR数字滤波器，具有精度高、处理速度快、性价比高等特点。附录附录 题目完成情况题目要求完成情况基本部分小信号放大倍数不小于400倍完成，放大倍数约为500倍-1dB通频带为20Hz20KHz完成前置放大电路输出电阻为600完成带阻网络最大衰减10dB完成，最大衰减为10.6dB数字幅频均衡电路输入电阻为600完成幅频均衡处理后通频带20Hz20kHz内的电压幅度波动在1.5dB以内完成，扩展到1.2dB以内发挥部分8负载输出功率10W，输出电压波形无明显失真完成，最大无失真输出功率为14.5W功率放大电路-3dB通频带为20Hz20kHz完成功率放大电路的效率60%完成，并扩展到64%其它完成，主要有扫频功能,带阻网络幅频特性显示；附录 电路原理图1. A/D采样电路图图9 A/D采样电路图2. D/A转换电路图图10 D/A转换电路图3. -1dB通频带为20Hz20kHz带通滤波器电路图图11 带通滤波器电路图4. -3dB通频带为20Hz20kHz带通滤波器电路图图12 带通滤波器电路图5. 低通平滑滤波器电路图图13 低通平滑滤波器电路图附录 Matlab仿真图 图14 带通与带阻滤波器频率特性曲线 图15 输出电压幅值波动曲线附录 详细测试数据1.前置放大电路测试数据通频带测试数据表6 前置放大电路-1dB通频带测试频率（Hz）1520501005001k2k输出幅度（V）5.246.327.127.147.207.167.16频率（Hz）5k8k10k15k18k20k21k输出幅度（V）7.167.127.046.846.606.246.12输出电阻测试。根据电阻分压原理，在放大电路输出端接入一600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：600。图16 输出电阻测试网络2.带阻网络最大衰减测试数据表7 带阻网络最大衰减测试频率（Hz）2050100200300400600输出幅度（V）2.802.281.500.9500.7680.6960.664频率（Hz）8001k2k5k10k15k20k输出幅度（V）0.6480.6400.7841.352.162.562.603.数字幅频均衡电路测试数据输入电阻测试。根据电阻分压原理，在信号源与带阻网络输出之间接入一。电阻，测量信号源输出端A电压与经过该电阻分压后的输出电压，根据电压比值，即可计算出输入电阻阻值。经测量输入电阻为：600。图17 输入电阻测试网络通频带电压幅度波动测试数据表8 数字幅频均衡电路通频带电压幅度波动测试频率（Hz）20501002004008001k输出幅度（mV）856840840872824904928频率（Hz）2k4k8k10k14k18k20k输出幅度（mV）9209449448888248727764.功率放大电路测试数据无失真输出功率测试数据表9 无失真输出功率测试频率（Hz）1002005001k5k10k15k输出幅度（V）27.428.827.630.429.428.827输出功率（W）11.7312.9611.9014.4413.5112.9611.39通频带测试数据表10 功率放大电路通频带测试频率（Hz）201005001k5k10k20k输出幅度（V）20.327.427.630.429.428.820.2结论：经测试，-3dB通频带为20Hz20kHz。附录 重要的源程序部分系统源程序代码：always (posedge clk or negedge n_rst)beginif(!n_rst)beginRC=1b1;ad_over=1b1;cc_max=1b1;count=4d0;cc=10d0;clr=1b0;choose=1b1;max=16h8000;min=16h7fff;FF=1b0;state1=S0;endelsecase(next_state)S0: ;S1:beginif(!FF) get_a_data;else ;endS2:beginFF=1b0;endS3:beginif(!FF) get_a_data;else