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1、数字幅频均衡的功率放大器(F题)摘要：本设计是一个数字幅频均衡的功率放大器，输入信号经过增益为500的前级放大网络、最大衰减10dB的带阻网络及阻抗匹配网络后，采用数字滤波算法对通过带阻网络的信号进行数字幅频均衡，将数字滤波器频响曲线数据导入NEC单片机实现数字滤波。对信号实时测频与采样，通过数字滤波器修正该频点幅值，用DA输出滤波后信号，从而实现数字幅频均衡。经过此处理后，以10kHz时输出信号电压幅度为基准，通频带20Hz20kHz内的电压幅度波动在1.5dB以内，满足了题目要求。对数字均衡后的输出信号进行功率放大，末级功放管采用了分立的大功率MOS晶体管。输出效率大于60%，输出电压波形
2、无明显失真，达到了要求。关键词： 数字滤波器 单片机 功率放大一 系统方案11 控制处理模块：方案一:采用中小规模集成电路构成的控制电路.方案二:采用可编程逻辑器件构成控制器. 方案三：采用以单片机为核心的单片机最小系统. 方案一外围器件多,易出故障.方案二最大特点是使用FPGA，系统处理速度快，可较好的实现信号的实时处理。但在对A/D，D/A的时序控制上，FPGA编程较为复杂，且系统规模大，成本高。而用单片机，系统规模可以做得很小，成本较低。具有容易掌握,可靠性高等优点,故采用方案三,即采用NECD78F1166.12数字幅频均衡模块: 方案一：数字滤波法,让信号通过FIR数字滤波器，其频响
3、曲线与前端帯阻网络频响曲线叠加后得到幅频均衡的频响曲线。从而实现数字幅频均衡,但是很难设计出满足特定频响要求的FIR数字滤波器。 方案二：快速傅里叶法，得到其频谱，对其幅频曲线修正，使得各频点相对10KHZ频点均幅。再将频谱序列经FFT逆变换输出。实现数字幅频均衡。但是通过FFT来对信号进行处理速度较慢,不能很好的实现音频均衡器的实时特性.方案三：频率补偿法,用扫频法对帯阻网络扫频，求得其频率响应，计算得到数字滤波器频响。 实时处理时对信号进行采样，同时实时测量信号频率，根据数字滤波器频响得到修正系数，用D/A输出均幅信号，从而实现数字幅频均衡。且滤波器设计方法便捷，只需得到前端帯阻网络频响后
4、进行简单运算,此方案易于实现.综上所述,采用方案三2.功率放大模块方案一：采用常规脉冲宽度调制器LM4651、大功率MOSFET、LC低通滤波器组成D类音频功率放大电路。LM4651可驱动MOSFET工作，该电路实现起来较为简便，但是LM4651价格昂贵，性价比较低。方案二：完全采用分立元件组成D类功率放大电路。此电路组成框图如下：低通滤波开关放大电路比较器三角波发生器三角前置幅频均衡电路此种方案充分应用了脉宽调制D类功放的原理，但外围电路复杂且难以满足带宽要求,调试也较困难。方案三：采用分立元件构成MOS管功率放大电路,放大倍数容易控制且失真度可以做到很小,容易实现.因此选择方案三14 总体
5、方案设计本系统采用NEC单片机NECD78F1166作为数据处理和控制核心，系统分为前级小信号放大，帯阻网络、数字幅频均衡、功率放大等功能模块。系统总体框图如下：数字幅频均衡器DA输出AD采样MCU数字滤波功率放大器带阻滤波网络阻抗匹配网络 前置 放大测频图1系统总体框图二 理论分析与设计2.1 前置放大电路设计放大增益控制的实现原理图见下图。运放芯片采用具有很高的增益带宽积及优良动态响应的仪表放大器芯片INA103,INA103噪声低至1nV/,该运放的放大倍数A=1+000/10=501.通频带可达到300KHz以上，且-1dB点为150KHz以上，足以满足题目要求.输出电阻为600欧姆,
6、。图2前置放大原理图2.2 功率放大电路设计为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点，其中甲类(=180，50%)，乙类(=90，78.5%),丙类(78.5%)。本方案使用分立的大功率MOS晶体管构成甲乙类互补推挽功率放大电路,使得功率放大电路输出功率10W，输出电压波形无明显失真且-3dB通频带为20Hz20kHz,这样便很好的满足了题目的要求。 图3 功率放大电路原理图2.3 数字幅频均衡电路设计数字幅频均衡模块由MCU，A/D，D/A，前端匹配等组成。测频与数字滤波运算由MCU1完成，通过16位数据总线将滤波系数g传递至MCU2,A/D采样，数字滤波与D/A输出则由MCU
7、2完成。NEC单片机时钟周期最高可达20MHZ，内置16位乘法器可提高运算速度。由于前级信号动态范围与本系统不匹配，故在系统前端采用衰减网络与加法器实现前级与本级的匹配。信号频率为20-20khz，采用TLC0820，其转换时间小于3us，实测得采样速率可达200k以上，对音频信号采样已足够。采用片内D/A,简化了系统。数字幅频均衡框图如图所示：输出信号TLC0820AD采样MCU1DA输出匹配网络-6dB衰减网络加法器数据总线输入信号MCU2测频，数字滤波图4数字幅频均衡电路2.4 数字处理算法设计用单片机控制DDS对帯阻网络扫频，求得其频率响应H（）,以频率为10KHZ 时的 H（0）为基
8、准，根据 g（）= H（0）/H（）求得各频点的修正系数函数g（），考虑到单片机进行整型运算，特别是位运算比较快，将 g（）放大64倍,g2（）= g（）*64= H（0）/H（）*64得g2（）。即数字滤波器频响。将数字滤波器频响数据导入单片机内存，实时处理时对信号进行采样得信号电压的数字编码signal_in，同时实时测量信号频率，根据数字滤波器频响得到修正系数，根据signal_out=(signal_in* g2（）)6得到输出信号电压编码（6代表位运算右移六位），由于本系统A/D,D/A均为8位，将电压编码用D/A输出，即得均幅信号，从而实现数字幅频均衡。三.电路与程序设计3.1整体
9、电路设计MCU1ADC阻抗匹配网络带阻网络前级放大INA103MCU2DAC功率放大电路图5 系统框图3.2工作流程:测频开始计算数字滤波系数传输系数开始AD采样DA输出数字滤波 图6 mcu1工作流程图 图7 mcu2 工作流程图四.测试方案与测试结果4.1测试仪器仪器名称型号指标数量双通数字示波器DSO3202A200MHz1函数信号发生器DG3121A30MHz1数字万用表DM3051精度53/41稳压电源GPS-3303C030V1扫频仪SA1030D30MHz14.2系统指标参数测定：1 前级放大电路增益带宽测定Vin = 5mV(Vrsm)freq20Hz100Hz200Hz500
10、Hz1KHz2KHz5KHz10KHz20KHzVout(V)2.512.522.532.532.522.522.522.542.53G(dB)54.0154.0554.0854.0854.0554.0554.0554.1254.08-1dB带宽:190kHz -3dB带宽：314kHzVin = 10mV(Vrsm)freq20Hz100Hz200Hz500Hz1KHz2KHz5KHz10KHz20KHzVout(V)5.05.15.25.15.15.35.35.35.3G(dB)53.9854.1554.1054.1554.1554.4854.4854.4854.48-1dB带宽:186k
11、Hz -3dB带宽：316kHz在20Hz20kHz频带内，电压幅度波动在0.15dB内，且放大倍数为500倍，满足题目要求。2 带阻网络特性Freq(Hz)204080160320366640G(dB)-3.75-9.05-12.5-14.75-16-17.6-15.9Freq(Hz)1.262K2.518K5.024k10.024k15.172K20KG(dB)-15.35-13.60-10.45-6.45-4.65-3.85该带阻网络在10kHz的增益为-6.45dB,而该网络的最小值366Hz的-17.6dB,满足该题目要求。3.数字幅频均衡电路测试测试方法：通过扫频仪对网络进行测试，
12、以10KHz时的dB数为标准，可得如下测量值：频率数值（dB）10K-14.6520K-14.555K-14.751K-14.55500Hz-14.75300Hz-14.10100Hz-14.7550Hz-14.20430Hz-14.35 经过数字幅频均衡处理后，以10kHz时输出信号v3电压幅度为基准，通频带20Hz20kHz内的电压幅度波动在1.5dB以内,满足题目要求.4 功率放大电路特性当输入正弦信号vi电压有效值为5mV、功率放大器接8W电阻负载时：题目要求实测通频带带宽20Hz20kHz5Hz120kHz功率放大器效率60%62.5%输出功率10W10W13.3W波形无明显失真波形
13、较好4.4测试结果分析经过测试，基本达到题目要求.5. 设计总结此系统较好的完成了题目的要求，具体完成情况总结如下：（1）前置放大电路增益为53.98dB(500倍)，输出电阻为600W，1dB带宽为186kHz;（2）带阻网络最大衰减为-11.23dB（以10K时输出信号幅值为基准）（3）数字幅频均衡电路输入电阻为50W， 经过数字幅频均衡处理后，以10kHz时输出信号v3电压幅度为基准，通频带20Hz20kHz内的电压幅度波动在0.8dB以内。（4）功率放大电路输出功率为13.3W（当输入正弦信号vi电压有效值为5mV、功率放大器接8W电阻负载时）。（5）功率放大电路-3dB通频带为5Hz120kHz（6）功率放大电路效率为62.5%
