數(shù)字幅頻均衡的功率放大器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、數(shù)字幅頻均衡功率放大器摘要：本系統(tǒng)是采用FPGA來設(shè)計(jì)的數(shù)字幅頻均衡功率放大器，主要包括前置放大電路、帶阻衰減網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字幅頻均衡和音頻功率放大電路四個(gè)模塊構(gòu)成。前置電路采用兩級(jí)放大電路組成，放大倍數(shù)大于400倍。通過反復(fù)調(diào)整帶阻衰減網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使其達(dá)到題目的要求。通過MATLAB工具設(shè)計(jì)出與帶阻衰減網(wǎng)絡(luò)相對(duì)應(yīng)的一個(gè)帶通FIR濾波器，并根據(jù)返回的系數(shù)將該濾波器在FPGA中實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了幅頻均衡。功率放大部分采用“集成運(yùn)放+MOSFET”的組合模式，設(shè)計(jì)了一個(gè)CLASS-AB功率放大器。為了更好地實(shí)現(xiàn)幅頻均衡，本設(shè)計(jì)采用了分段的方式進(jìn)行均衡，即通過降采樣的方式降低了濾波器的階數(shù)要求。測試表明，本

2、系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)幅頻均衡，滿足系統(tǒng)基本要求和發(fā)揮功能要求。關(guān)鍵詞：幅頻均衡、FIR濾波器、AB類功放3一、系統(tǒng)方案1、幅頻均衡方案比較方案一：本題要求的輸入信號(hào)頻率在音頻段20Hz20KHz范圍，經(jīng)帶阻網(wǎng)絡(luò)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣， FFT算法分析信號(hào)的頻率成分，然后根據(jù)帶阻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性在頻域?qū)Ψl特性進(jìn)行補(bǔ)償，在頻域進(jìn)行均衡。然后經(jīng)過IFFT還原為時(shí)域信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是可采用DSP處理器完成FFT和IFFT算法，實(shí)現(xiàn)方便。缺點(diǎn)是難以兼顧頻率分辨率、頻率分析范圍和分析時(shí)間要求，而且DSP成本較高。方案二：帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)經(jīng)采樣后，采用yulewalk函數(shù)設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波，在時(shí)域進(jìn)行均衡。根據(jù)yulewalk

3、函數(shù)返回的IIR濾波器系數(shù)，在MATLAB Simulink組件中通過調(diào)用Altera 公司提供的DSP Builder庫來構(gòu)建一個(gè)IIR濾波器系統(tǒng)，最后在Quatus II中調(diào)用生成的HDL代碼，將該數(shù)字濾波器配置到FPGA中。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使用較低的階數(shù)而達(dá)到理想的幅頻均衡，這不僅降低了系統(tǒng)資源的消耗，而且還降低了工作量。但是IIR濾波器本身存在著非線性相位跟穩(wěn)定性的問題，所以在音頻處理中并不常用。方案三：帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)經(jīng)采樣后，采用fir2（任意濾波器）函數(shù)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波，在時(shí)域進(jìn)行均衡。為了降低FIR濾波器的階數(shù)要求，我們將2020kHz信號(hào)分成兩段均衡，針對(duì)這兩個(gè)頻率段的

4、信號(hào)采用不同的采樣率進(jìn)行采樣，通過MATLAB工具分別設(shè)計(jì)出不同采樣率對(duì)應(yīng)的FIR濾波器。最后根據(jù)返回的濾波器系數(shù)，調(diào)用Quatus II中FIR Compiler II IP核設(shè)計(jì)出兩個(gè)并行處理的FIR濾波器，實(shí)現(xiàn)幅頻均衡。由于Quatus II中有現(xiàn)成的FIR IP核可以調(diào)用，使用該方案可以大大縮短開發(fā)周期、提高效率，而且FIR濾波器本身具有線性相位跟穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。2、功率放大器方案比較設(shè)計(jì)要求末級(jí)輸出功率大于10W，效率要達(dá)到60%以上，輸出波形不能明顯失真，并且功放管必須采用分立的功率MOS管。所以考慮到上述條件，我們有兩種方案能在題目要求的20Hz20KHz頻率范圍內(nèi)滿足要求。方案一

5、：采用D類功放，調(diào)制信號(hào)與三角載波比較產(chǎn)生SPWM波，控制MOS管的通斷，最后經(jīng)過LC濾波得到調(diào)制波形。優(yōu)點(diǎn)：管子工作在開關(guān)狀態(tài)，主要損耗是開關(guān)損耗，效率可以達(dá)到80%以上；缺點(diǎn)：整個(gè)電路比較復(fù)雜和難調(diào)，SPWM的占空比調(diào)不好，輸出波形就會(huì)失真。方案二：采用AB類功放完成功率放大，在MOS管前面要進(jìn)行信號(hào)放大，使其有效值達(dá)到9V。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單易調(diào)，輸出波形沒有明顯的失真；缺點(diǎn)：由于管子一直工作在線性區(qū)，MOS管自身損耗很大，其理想最大效率為78%。雖然效率不高，但可以滿足題目要求的60%。綜上分析，采用FIR數(shù)字濾波器完成20Hz20KHz范圍內(nèi)對(duì)帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻均衡，功放采用AB類功放完成本設(shè)

6、計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)功能框圖二、理論分析與設(shè)計(jì)1、帶阻網(wǎng)絡(luò)特性分析網(wǎng)絡(luò)電路和參數(shù)分別如圖2、圖3所示。網(wǎng)絡(luò)中間串聯(lián)支路電阻取為50omh，在題目要求的600ohm負(fù)載條件下帶阻網(wǎng)絡(luò)在749Hz處相對(duì)于10kHz處最大衰減為10.27dB10dB，滿足題目要求。 圖2 帶阻網(wǎng)絡(luò)電路 圖3 實(shí)測帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線2、幅頻均衡濾波器設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)對(duì)圖3幅頻特性的網(wǎng)絡(luò)均衡，需要設(shè)計(jì)一個(gè)與其相反的帶通濾波器即可。為了降低FIR濾波器的階數(shù)要求，我們將200kHz信號(hào)分成兩段均衡（20Hz200Hz、200Hz20kHz），針對(duì)這兩個(gè)頻率段的信號(hào)采用不同的采樣率進(jìn)行采樣，通過MATLAB工具

7、分別設(shè)計(jì)出不同采樣率對(duì)應(yīng)的FIR濾波器。下圖分別為10k、50k采樣率對(duì)應(yīng)的濾波器幅頻特性曲線。 圖4 50k采樣率對(duì)應(yīng)的幅頻特性 圖5 10k采樣率對(duì)應(yīng)的幅頻特性三、電路設(shè)計(jì)1、前置放大電路設(shè)計(jì)前置放大電路如圖6所示，由OPA2227構(gòu)成的兩級(jí)放大電路，每級(jí)的放大倍數(shù)分別為19.1倍、21倍，共放大403倍400倍，滿足題目要求。圖6 前置放大電路2、ADC預(yù)處理設(shè)計(jì)圖7 ADC預(yù)處理電路為了不影響前級(jí)帶阻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，特在衰減網(wǎng)絡(luò)后加了一級(jí)跟隨器，起阻抗變換作用。為了提高ADC采樣的準(zhǔn)確性，特在ADC前級(jí)加了一跟隨器和抗混疊低通濾波電路。由于我們采用的ADC是TI公司的THS0842，內(nèi)

8、部參考電壓為1V，所以在兩跟隨器之間加了一個(gè)純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電平調(diào)整。3、方波整形電路設(shè)計(jì)圖8 方波整形電路為了不影響前級(jí)帶阻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，在整形電路前加了一級(jí)跟隨器。為了消除干擾，我們將LM393電壓比較器接成了滯回比較器。后級(jí)二極管為肖特基二極管，隔掉LM393輸出的負(fù)電壓，便于FPGA測頻。4、DAC后級(jí)處理電路設(shè)計(jì)圖9 DAC后級(jí)處理電路由于本設(shè)計(jì)采用了變采樣率的方法進(jìn)行均衡，針對(duì)20Hz200Hz的信號(hào)采用的是10kHz的采樣率，需要濾除200Hz以上的諧波才能保證輸出波形不失真，而對(duì)于200Hz20kHz的信號(hào)采用的是50kHz的采樣率，需要濾除20kHz以上的諧波才能保證輸出

9、波形不失真，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率可變的低通濾波器。在此我們采用的是MAXIM公司的開關(guān)電容濾波器MAX297，該濾波器是一個(gè)8階的橢圓型低通濾波器，能夠有效地濾除各諧波成分。由于開關(guān)電容輸出信號(hào)帶有一定的開關(guān)噪聲，故在末級(jí)加了一個(gè)二階有源平滑濾波器，濾除開關(guān)噪聲。5、功率放大電路設(shè)計(jì)圖8 功率放大電路題目要求功率為10W，效率要達(dá)到60%以上，我們選擇AB類功率放大器實(shí)現(xiàn)。為保證滿足8負(fù)載下，輸出功率10W，輸出電壓有效值要 8.95V，為了保證效率，MOS管電源電壓取18V供電，因功率級(jí)采用MOS管源極輸出，運(yùn)放推動(dòng)需要一定的電壓擺率，因此，前置運(yùn)放供電電壓要高于功率級(jí)電壓，取20V供電

10、。四、程序設(shè)計(jì)程序主要由頻率測量模塊、FIR濾波器模塊以及開關(guān)電容時(shí)鐘控制模塊組成。FPGA內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)0.5s的門控信號(hào)，在這0.5s內(nèi)對(duì)輸入的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)值小于100，選擇采樣率為10k對(duì)應(yīng)的FIR濾波器輸出，反之選擇另一個(gè)FIR濾波器輸出，同時(shí)改變采樣率及開關(guān)電容的時(shí)鐘。下圖是綜合之后的RTL級(jí)視圖：五、系統(tǒng)測試及分析1、測試方法與測試儀器(1)、帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性測試方法 帶阻網(wǎng)絡(luò)經(jīng)阻抗匹配后用掃頻儀測量其的幅頻特性曲線。(2)、系統(tǒng)測試方法 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出電壓有效值為4mV的單頻正弦信號(hào)接入系統(tǒng)，手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率在20Hz20KHz的范圍內(nèi)變化，同時(shí)用兩臺(tái)雙通道示

11、波器分別觀測前置放大輸出信號(hào)、均衡后輸出信號(hào)、功放推動(dòng)級(jí)電壓和功放在8負(fù)載上輸出的電壓信號(hào)波形，并記錄各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅度值和功放電源電流。通過計(jì)算即可知電壓放大倍數(shù)和電壓幅度在帶內(nèi)的平坦度。(3)、測試儀器： Tektronix TDS1002 雙通道數(shù)字示波器，60MHz；SUING TFG6060 DDS 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，15MHz；YB1732A 直流穩(wěn)壓電源，3A。2、測試數(shù)據(jù)說明：電壓單位：(V) 電流單位：(A) 且均為有效值 (1) 均衡器測試數(shù)據(jù)測試條件：功放電源電壓19V, ViRMS = 4mV 正弦信號(hào)頻率（Hz）前置放大輸出電壓帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出電壓幅頻均衡輸出電壓204.82

12、.161504.81.640.941004.81.021.023004.80.581.005004.80.521.009004.80.521.0010004.80.521.0450004.81.081.00100004.81.721.00150004.81.920.92 200004.82.080.84以均衡幅度1V為標(biāo)準(zhǔn)，輸出幅度波動(dòng)如下表：頻率/Hz2040507090100200300400500600800波動(dòng)/dB0-1-0.5-0.9-1.1-0.920.170000.170頻率/Hz9001000300050007000900010000120001400016000180002

13、0000波動(dòng)/dB00.30.1700000-0.35-0.7-1.3-1.5(2) 功放的測試數(shù)據(jù) 測試條件：功放電源電壓18V , ViRMS = 4mV 正弦波頻率（Hz）電源電流負(fù)載電壓電源功率單位：W輸出功率單位：W電源效率200.5359.1414.511.054.2%5000.529.1014.210.755.7%10000.529.0413.610.055.3%100000.458.12.58.7358.8%200000.406.7011.318.3059.8%3、測試結(jié)果分析 從上面的幅頻均衡表格可以發(fā)現(xiàn)，該數(shù)字幅頻均衡器在20Hz20kHz的頻率范圍內(nèi)滿足1.5dB波動(dòng)。但

14、功率放大部分由于PCB的做工問題及管子的不對(duì)稱性，導(dǎo)致功率放大部分沒有滿足題目發(fā)揮部分的要求，而且當(dāng)頻率高于5kHz是波形會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。六、總結(jié)要想達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，必須提高功率放大器的效率，及解決波形失真問題。通過這段時(shí)間的訓(xùn)練我們學(xué)會(huì)了如何用數(shù)字信號(hào)處理的方法來解決模擬電路中的信號(hào)處理問題，同時(shí)加強(qiáng)了我們的團(tuán)隊(duì)合作能力，提高了動(dòng)手能力及分析問題的能力。參考文獻(xiàn)1 FIR Compiler II MegaCore Function User Guide.2 劉長學(xué).用SG3525作調(diào)制器的D類音頻功放J.常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2002,(2).3 王永虹，徐煒，郝立平.ARM Cortex-M

15、3微控制器原理與實(shí)踐.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2008.4 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心,MATLAB7 輔助信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2001.附錄：濾波器設(shè)計(jì)MATLAB代碼% yulewalk 濾波器設(shè)計(jì)例% f: 數(shù)組，各“關(guān)鍵”頻率點(diǎn)% f: 數(shù)組，各“關(guān)鍵”頻率點(diǎn) = 實(shí)際f *2 / Fs -其中Fs=44000Hz% m：數(shù)組，維數(shù)和 f 相同。目標(biāo)濾波器在上述頻率點(diǎn)的幅度放大倍數(shù)% n: 濾波器階數(shù)n = 5;m = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2 8.403 13.1 13.2 13.3 13.5 8.77 6.756 5.376 4.31 3.389 2.898 2.469;f = 0 0.0005 0.0015 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.006 0.008 0.01 0.013 0.017 0.023 0