数字幅频均衡功率放大器设计报告

PAGE72009全国大学生电子设计竞赛题目F：《数字幅频均衡功率放大器》参赛学生：梁杰徐宋静刘玉河指导教师：赵正敏杨定礼学校：淮阴工学院院系：电子与电气工程学院2009年9月5日摘要：本系统采用DSP作为主控制器，通过前置放大、滤波，经AD转换，对信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过离散傅氏变换（DFT）运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，最后通过低频功放将信号放大，并通过计算机辅助设计软件MATLAB将处理后的参数送入DSP,同时将信息在液晶屏上显示出来。关键词：DSP、FFT、数字均衡、低频功放、MATLAB1引言随着数字信号处理(DSP)技术的发展，DSP技术已广泛应用于各个领域。借助于现代数字电子及数字信号处理技术，古老的音响技术也焕发出新的活力。本次大赛中我们选择了F题，围绕这一课题我们进行方案选择与论证、系统的软硬件设计与调试，基本实现了课目的各项指标也要求。并在此基础上，撰写了本报告的。整个系统分为前置放大、信号滤波、数字均衡及功率放大几个部分，以下分别介绍。2前置放大器的设计2.1前置放大的硬件设计和带阻网络2.1.1前置放大的硬件设计可控增益宽带放大器由芯片AD603构成。AD603为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器，AD603的带宽为90MHz时，其增益高达30dB.本课题中，我们选择两片AD603，构成如图.1所示的自动增益控制放大器。图.1可编程放大电路2.1.2带阻网络设计本题中要求，所制作的带阻网络对前置放大电路所输出的信号进行滤波，根据题目要求，本次制作的带阻网络电路图如图.2所示。图.2带阻网络根据题目中所给的阻带网络结构，我们采用Multisim进行了辅助分析与设计，其幅频特性的分析结果如图.4所示。图.3波特图根据图.3可知，在以10kHz时输出信号电压幅度为基准，达到了最大衰减的要求。3数字均衡方法比较与选择在音响系统中，均衡器可以分别调节音频信号的各频率成分增益，从而可以补偿扬声器和声场的缺陷。均衡器可分为三类：图示均衡器，参量均衡器和房间均衡器。传统的均衡器仅将音频信号按高频、中频、低频三段频率进行调节。采用数字信号处理技术可以实现对音频信号的更精细的调节，这类均衡器称为数字均衡器。数字均衡器可以作成图示EQ、参量EQ或者两者兼有的EQ，不仅性能指标优异，操作方便，而且还可同时储存多种用途的频响均衡特性，以供不同节目要求选用。数字均衡可以做到10段参量均衡和29段图示均衡，结合其它功能，如噪声门功能等。在本次设计中，我们给出了一个有参量EQ或者两者兼有的EQ。其设计过程如下：3.1数字均衡器实现方案选择方案一：采用ARM（嵌入式系统）实现数字均衡基于精简指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的数字信号处理能力，可以用来实现简单的数字均衡器，但当均衡器的功能及性能要求较高时，ARM就不能胜任了。方案二：采用基于DSP的数字信号处理系统数字信号处理器具有强大的数字信号处理功能，能够胜任较为复杂的音频信号的各种处理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事务管理。往往要结合其它处理器，实现友好的人机界面。方案三：大规模可编程器件利用大规模可编程器件实现的算法是以逻辑运算完成的最大优越性在于“高速”，实现算法的系统延时非常小，但价格较高。综合以上各种因素，并考虑到我们的知识与能力，我们选择DSP实现音频信号的数字均衡，并以DSP实现简单的人机界面。3.2数字均衡算法选择3.2.1软件理论实现方案有三种，如下：方案一：带通滤波器根据数字均衡基本原理，我们可以采用一组中心频率和带宽符合一定要求、增益可调的带通滤波器（band-passfilter）实现均衡，并采用MATLAB等计算机辅助分析与设计工具，选择设计理想的滤波器，生成滤波函数的时域冲激响应系数，最后在DSP中以时域卷积的形式实现滤波与均衡。方案二：傅立叶变换傅立叶变换是将信号从时域变换到频域的一种变换形式，是信号处理领域中的一种重要的分析工具。离散傅立叶变换（DFT）是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式。在信号的频谱分析、系统分析、设计和实现中都会用到DFT的计算。快速傅立叶变换（FFT）算法，这是一种快速计算的DFT，可以明显降低运算量，大大地提高了DFT的运算速度。序列x(n)的DFT表达式为：DSP芯片的出现使FFT的实现变得更为方便。由于大多数DSP芯片都具有在单指令周期内完成乘法累加操作的功能，并且提供了专门的FFT指令，这使得FFT算法在DSP芯片中的实现速度更快，从而更加证实了用DSP的好处。综上所述，由于使用了DSP芯片，而DSP芯片里提供了专门的FFT指令，所以软件理论采用了傅立叶变换的方式。4低频功放的硬件设计由于甲类功率放大器的效率小于50%，所以不符合题目中≥60%的要求。B类功率放大器虽然效率较高，但是其交越较大，所以也不符合要求。AB类功放存在着交越失真，也不符合，所以选择D类功率放大器。D类功放具有效率高、体积小、输出功率大等优点。对于D类功放有三种方案4.1采用专用的D类功放器件此类经典D类功放主要由脉冲宽度调制器、开关放大器和低通滤波器等三部分组成，由三角波发生器、比较器和音频输入信号构成脉宽调制器(PWM)；两只输出场效应管组成开关放大器；LF和CF构成低通滤波器，用以恢复音频信号。驱动级用来驱动开关放大器，使放大器输出信号为在和间切换的高频方波。图.4经典D类功放结构示意图4.2基于或的D类功率放大器件首先对输入的音频PCM信号进行采样,然后进入DSP处理系统进行数字变换和滤波,包括差值运算器,数字低通滤波器和Σ-△调制器。然后用已经获得的二进制序列法去控制MOS管的通断,并通过模拟的0~24K的低通滤波器传输到模拟输出。此方案是利用DSP芯片的高速计算能力,实现了数字功率放大器的功能及数字处理本身的特性,整个放大过程的精度、信噪比和延时都可以通过对算法的修改来实现,。比PWM技术具有更大的灵活性,且能实现较好的还原效果。4.3采用可编程器件实现D类功率放大器在全数字音频功率放大器的设计中，采用了CPLD来实现将PCM数字语音数据转换成PWM信号，并在D类放大器的实现上采用了改进的PWM方案，实现了D类放大器具有效率高、滤波器设计简化等特点。信号经过AD转换器进入DSP器件，再经过由CPLD构成的脉冲宽度调制器，产生的信号用来驱动级由MOS管构成的开关放大器，经滤波之后将信号反馈到输入端，与输入值作比较来减少输出波形的失真度。如图.5所示。图.5低频功放的组成框图本次设计中，我们采用由高速模拟比较器、波形发生成及PID环节构的控制器。5硬件系统的设计5.1DSP的硬件设计本开发板配有8位数码管显示、16个按键的控制电路、外接21引脚液晶显示、2个138译码器、AD与DA转换器和丰富的外部扩展接口。具体功能和应用介绍如下。5.1.1DSP芯片介绍此次竞赛采用TMS320C5416芯片，这个芯片的特点有：1采用哈佛结构，能同时对程序存储器、数据存储器进行操作；2采用多种线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作；3采用流水线操作；4配有专用的硬件乘法—累加器，可在一个周期内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硬件配置强；支持多处理结构；省电管理和低功耗。5.1.2按键电路本实验板有16个小按键，按键读写控制由138译码器（U10）的11、12脚结合两块SN74HC573芯片控制，以识别按键操作。138再由DSP的A12到A15端口（高四位地址）控制按键的选通。按键电路可以用于控制数码管显示、液晶显示等等，这主要由编程控制5.1.3液晶电路实验板上提供外接21脚液晶，我们采用外接型号为ATM240128的液晶显示屏。液晶显示内容由DSP的D0到D7端口外接10千欧电阻提供数据。液晶的现实控制由138译码器控制LCD使能端口、DSP_R/W控制WR和RD端口、DSP_A0、A1分别控制LED背景光源负极和数据命令选择端。5.1.4AD\DA转换器实验板AD转换器由贴片芯片TLV1571组成，DA转换器由贴片芯片TLV5619组成。TLV1571是TI公司专门为DSP配套制作的一种10位并行A/D转换器，具有速度高、接口简单、功耗低的特点，外围电路中通过A/D转换器把模拟信号转换为数字信号，再由DSP实时地对大量数据进行数字技术处理。TLV5619是美国德州仪器公司推出的高速低功耗DAC器件,它是带有12位并行数字输入的电压输出型DAC。该器件与TMS320系列器件的并行接口兼容,采用2.7~5.5V单电压供电。当使用LDAC管脚时,它可以异步更新缓冲区的数据。当设置为低功率时,其功耗仅为50nW。6软件设计6.1软件流程图如图.10所示。图.10软件流程图7系统测试系统测试过程中，首先通过MATLAB仿真，按照竞赛要求设计20hz-20khz的衰减小于1.5分贝，得到滤波系数h(n),然后通过ccs进行数字信号处理。首先通过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，然后将输入的信号与h(n)进行卷积，得到滤波的信号，本设计考虑到实行性，及稳定性采用40阶的FIR滤波器。在调试的过程中，遇到的问题很多，如实时性，首先用80阶的FIR,不能完成实时性，后来，通过调试改为40阶FIR滤波器。D类功放的测试分控制电路部分、功率主回路部分及系统总体测试。首先完成了，D类功放主回路的调试与测试，这部分调试通过后，再调试控制回路，完成了其中的高速PWM发生器，PID环节。8设计总结我们花了两个多月的时间来准备电子设计大赛，从9月2日起，比赛正式开始，到今日为止，整整四天三夜。在这些天的奋斗过程中，大家互相合作，互补不足。俗话说：“三个臭皮匠，顶个诸葛亮。”在这四天三夜里，我们集聚了个人的所长，及时的完成了我们选的题目。在这次的次赛中，我们对电子制作有了更加浓厚的兴趣，对数字信号处理、数字均衡、DSP及相关期间有了更进一步的了解，我们再完成任务的同时，也锻炼了我们吃苦耐劳的能力。但，由于初次参加此类比赛，对有些