電子課程設(shè)計報告 USB 聲卡功放制作

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1、電子課程設(shè)計報告 USB聲卡功放制作 電子課程設(shè)計報告 USB聲卡功放制作 姓 名： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師 ： 信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息系 2013 年 7 月 2 日 目 錄 摘 要 3 前言

2、4 1.研究背景 4 2.研究意義 5 3.論文章節(jié)安排 5 第1章 設(shè)計要求與方案介紹 6 1.1設(shè)計要求 6 1.2各類放大器特點介紹 6 第2章 硬件電路設(shè)計 9 2.1原理分析 9 2.2芯片簡介 12 第3章 電路調(diào)試 15 3.1調(diào)試的設(shè)備 15 3.2 電路調(diào)試 15 3.3測試總結(jié) 16 結(jié) 論 17 參考文獻 18 附 錄 19 摘 要 D類數(shù)字音頻功率放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調(diào)制）數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈

3、沖信號，然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通、斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。 近年來,隨著MP3、PDA、手機、筆記本電腦、車載音響等便攜式多媒體的普及, D類功放以效率高、體積小等優(yōu)勢,比傳統(tǒng)的線性功放更受人們的青睞,具有十分重要的應(yīng)用價值和市場前景。 本文在對傳統(tǒng)的音頻放大器進行分析的基礎(chǔ)上,改進了電路結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種基于D類功放的高效率、低失真、免輸出濾波器的基于USB的數(shù)字音頻放大器。USB電腦功放板內(nèi)置USB數(shù)字音頻解碼，單一USB插頭。 采用的主要方法如下:將音頻信號通過芯片CM102-A構(gòu)成的電路進行前置放大，電容與CM102-A組和產(chǎn)生的三角波，并通過

4、LM393進行將前置放大的正弦波與三角波進行比較處理，進行脈寬調(diào)制產(chǎn)生矩形波，并將矩形波傳遞到CD40106進行波形的整形及H橋進行的功率放大和保真，最后通過LC震蕩電路驅(qū)動喇叭工作，實現(xiàn)音頻的輸出。 關(guān)鍵字：放大器比較；D類功率放大；數(shù)字音頻信號； 0 前言 1.研究背景 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路被廣泛應(yīng)用于各類電子電路中。而近十幾年來半導(dǎo)體技術(shù)的進步，使功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用。音頻功率放大電路是原理上最為基本、應(yīng)用上最為廣泛的功率放大電路。目前大部分音響系統(tǒng)中的功放都是模擬類型，傳統(tǒng)的模擬功放按放大器的工作狀態(tài)可分為：A類、B類、

5、AB類等形式。A類、AB類功放是音響系統(tǒng)中最為常用的功放。傳統(tǒng)類音頻放大器的一個共同缺點是效率很低，A類音頻放大器的理論效率是25%，實際效率大約為15-20%;B類音頻放大器的理論最大效率是78.5%;AB類音頻放大器的理論效率75%，實際效率在50-70%之間。無論A類，B類還是AB類音頻功率放大器，當(dāng)它們的輸出功率小于額定輸出功率時，效率就會明顯降低，播放動態(tài)的語言、音樂時平均工作效率只有30%左右。在半導(dǎo)體設(shè)計潮流走向輕薄短小之際，不僅半導(dǎo)體組件本身的封裝要小，整個模塊的尺寸也變成關(guān)鍵規(guī)格。 數(shù)字音頻功放的概念早在20世紀60年代已被提出，但由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，進展一直較慢。19

6、83年，M.B.Sandler等學(xué)者提出了D類放大的PCM數(shù)字音頻功放的基本結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)要點是如何把PCM信號變成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了數(shù)字音頻功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此，第4代音頻功率放大器—數(shù)字音頻功率放大器進入了工程應(yīng)用領(lǐng)域，并獲得了世界同行的廣泛認可，市場日益擴大，數(shù)字音頻功率放大器已經(jīng)成為近年來的研究熱點之一。全球音視頻領(lǐng)域的數(shù)字化浪潮以及人們對音視頻設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求，迫使人們盡快研究開發(fā)高效、節(jié)能、易于與數(shù)字化設(shè)備接口的音頻功率放大器。D類數(shù)字音頻放大器就是在這樣的背景下興起的。 目前，D類音頻功率放大器在電腦、移動電話、平面電視、LCD顯示器以及各種

7、以電池供電的便攜式游戲設(shè)備等消費類電子產(chǎn)品中已獲得廣泛的應(yīng)用。80年代至今,數(shù)字功放儼然成為了新一代的寵兒。 2.研究意義 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展各種D 類功放的設(shè)計方法也層出不窮筆者設(shè)計的D 類功放效率可達到86.9%以上在負載是4 時最大輸出功率可達71 W 且音質(zhì)較好基本可滿足家庭音響的要求。 對于傳統(tǒng)的音頻功率放大器工作時，直接對模擬信號進行放大，工作期間必須工作于線性放大區(qū)，功率耗散較大，雖然采用推挽輸出，減少了功率器件的承受功率，但在較大的功率情況下，仍然對功率器件構(gòu)成極大地威脅，功率輸出受到限制。模擬功率放大器還存在以下的特點： 電路復(fù)雜，成本高。常常需要設(shè)計復(fù)雜的電路

8、和過流，過壓，過熱等保護，體積較大，電路復(fù)雜。效率低，輸出功率不可能做的很大。 D類開關(guān)音頻功率放大器的工作基于PWM模式：將音頻信號與采樣頻率比較，經(jīng)過自然采樣，得到脈沖寬度與音頻信號幅度成成正比變化的PWM波，然后經(jīng)過驅(qū)動電路，加到功率MOS的柵極，控制功率器件的開關(guān)，實現(xiàn)放大，將放大的PWM信號送入濾波器，則還原音頻信號。 D類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，理論效率可達100%，實際的運用也可達80%以上。功率器件的耗散功率小，產(chǎn)生熱量少，可以大大地減少散熱器的尺寸，連續(xù)輸出功率很容易達到數(shù)百瓦。功率MOS有自我保護電路，可以大大的簡化保護電路，而且不會引起非線性失真。這樣可以更好的跟上

9、了音頻領(lǐng)域數(shù)字化的浪潮同時也滿足了人們對節(jié)能環(huán)保的要求。具有一定的現(xiàn)實意義。 3.論文章節(jié)安排 本論文大致可分為三個部分： 第一部分主要介紹了設(shè)計要求和功率放大器的一些基本知識； 第二部分主要介紹D類功率放大器的原理和USB音頻功放板的設(shè)計、CM102—A芯片介紹、電路組裝與調(diào)試； 第三部分是論文總結(jié) 第1章 設(shè)計要求與方案介紹 1.1設(shè)計要求 設(shè)計一個基于USB供電內(nèi)有數(shù)字音頻解碼器的電腦功放板，支持XP、vista、Windows7系統(tǒng)。采用D類放大器，以4Ω揚聲器計左右聲道輸出功率0.5W，無需外接電源，USB數(shù)字音頻解碼電路，替代電腦板載聲卡，擺脫主板高頻干擾，保

10、證音質(zhì)純凈。組裝電路，調(diào)試實現(xiàn)音頻放大功能，經(jīng)簡單的檢測驗證。 1.2各類放大器特點介紹 A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設(shè)定在負載線的中點附近,晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25％，且有較大的非線性失真。 由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計基本上不在再使用。 B類放大器的主要特點是：放大器的靜態(tài)點在(VCC，0)處，當(dāng)沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同

11、理，當(dāng)Vi為負半波正弦波(如圖虛線部分所示)，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是"交越失真"較大。即當(dāng)信號在-0.6V至 0.6V之間時， Q1 Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計師摒棄。 AB類放大器的主要特點是：晶體管的導(dǎo)通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д妗＝惶媸д孑^大，可以抵消偶次諧波失真。有效率相對提高，晶體管功耗也較小。 D類功率放大器主要特點是：用音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關(guān)

12、狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100％，實際電路也可達到80％～95％。 隨著PWM調(diào)制器技術(shù)和擴頻技術(shù)的應(yīng)用，D類放大器將在音頻功放應(yīng)用領(lǐng)域盛行起來。現(xiàn)代D類放大器除具有AB類放大器的所有優(yōu)點(即良好的線性和最小的電路板空間)外，更具有高效、低功耗等優(yōu)點。有多種D類放大器可供選用，以滿足各類應(yīng)用需求。這些應(yīng)用包括低功耗便攜式應(yīng)用(如蜂窩電話和筆記本電腦)，電池壽命、電路板空間和EMI兼容性要求在這類應(yīng)用中至關(guān)重戛還包括大功率應(yīng)用(如車載音響系統(tǒng)或平板顯示器），最大限度降低散熱需求和發(fā)熱量在這類應(yīng)用中必不可少。D類放大器固然性

13、能出色，也面臨著不少的設(shè)計挑戰(zhàn)。在進行50W ～500W的大功率的D類音頻放大器的應(yīng)用設(shè)計中，面臨以下問題：對于許多音頻設(shè)備設(shè)計者而言為一新領(lǐng)域，特別是在EMI和濾波設(shè)計方面；過電流保護設(shè)計比較復(fù)雜。隨著D類音頻放大器的技術(shù)的發(fā)展，今后音頻系統(tǒng)有望完全替代AB類音頻放大器。 第2章 硬件電路設(shè)計 2.1原理分析 D類功放是放大元件處于開關(guān)狀態(tài)時的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進入飽和狀體，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負載直接接通。

14、理想的晶體管因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種損耗只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。 D類放大器是將輸入前置放大器對信號進行濾波和電平轉(zhuǎn)移，另外還包括鋸齒波振蕩器、兩個比較器、兩個MOSFET和兩個H橋。每一個比較器采樣音頻信號，采樣周期由振蕩頻率決定，故振蕩器頻率對D類放大器的性能影響很大。比較器輸出脈寬調(diào)制的方波，用于驅(qū)動H橋。H橋輸出差動方波，構(gòu)成低阻信號源給LC濾波器和負載。D類放大器使用多種調(diào)制器拓撲結(jié)構(gòu)，而最基本的拓撲組合了脈寬調(diào)制(PWM)以及三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖2給出一個基于PWM 的

15、半橋式D類放大器簡化框圖。它包括一個脈寬調(diào)制器，兩個輸出MOSFET和外部低通濾波器(LF 和CF)。如圖2所示，P溝道和n溝道MOSFET用作電流導(dǎo)向開關(guān)，將其輸出節(jié)點交替連接至VDD和地。由于輸出晶體管使輸出端在 或地之間切換，所以D類放大器的最終輸出是一個高頻方波。大多數(shù)D類放大器的開關(guān)頻率(fsw)通常在250kHz～1．5MHz之間。音頻輸入信號對輸出方波進行脈寬調(diào)制，音頻輸入信號與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的三角波(或鋸齒波)進行比較，可得到PWM信號。這種調(diào)制方式通常被稱作“自然采樣”，其中三角波振蕩器作為采樣時鐘。方波的占空比與輸入信號電平成正比。沒有輸入信號時，輸出波形的占空比為50％。

16、圖3為PWM 輸出波形。 為了從PWM波形中提取出放大后的音頻信號，將D類放大器的輸出信號通過低通濾波器來恢復(fù)音頻信號。圖2中的LC低通濾波器作為無源積分器(假設(shè)濾波器的截止頻率比輸出級的開關(guān)頻率至少低一個數(shù)量級)，它的輸出等于方波的平均值。 此外，低通濾波器可防止在阻性負載上耗散高頻開關(guān)能量。假定濾波后的輸出電壓(VO-AVG)和電流( IAVG)在單個開關(guān)周期內(nèi)保持恒定，因為 fsw比音頻輸入信號的最高頻率要高得多。因此，占空比與濾波后的輸出電壓之間的關(guān)系，可通過對電感電壓和電流進行簡單的時域分析得到。 流經(jīng)電感的瞬時電流為： 其中，VL(t)是電感瞬時電壓。

17、 利用開關(guān)波形占空比來表示濾波后的輸出電壓： D是輸出開關(guān)波形的占空比。 2.2芯片簡介 CM102—A：一種用于外部音頻播放即插即用的高度集成的USB立體聲音頻揚聲器控制芯片。 引腳線圖 引腳說明： 引腳號 名稱 功能描述 1 PAEN 功率放大器控制輸入，高電平有效 2 GPIO 通用輸入輸出 3 XO 輸出12 mhz振蕩器 4 XI 輸入12 mhz振蕩器 5 DVDD5V 5V電壓供應(yīng) 6 REGV 調(diào)節(jié)器輸出3.3V 7 USBDP USB數(shù)據(jù)D+ 8 USB

18、DM USB數(shù)據(jù)D- 9 DVSS 數(shù)字地址 10 TEST 測試模式 11 VREF 連接外部去耦電容器 12 VOLADJ 模擬量控制輸入 13 AVDD 模擬電路電源供應(yīng) 14 LOL 左聲道 15 LOR 右聲道 16 AVSS 模擬接地 17 SPDIFO S / PDIF數(shù)據(jù)輸出 18 PDSW 關(guān)閉電源開關(guān)控制信號輸出 第3章 電路調(diào)試 3.1調(diào)試的設(shè)備 為了方便調(diào)試，找出電路相關(guān)電路故障及測量相關(guān)數(shù)據(jù)，我們使用了很多專業(yè)調(diào)試設(shè)備，如表5-1所示。 電腦

19、 一臺 電烙鐵 一套 信號/電源線 一套 萬用表 一塊 喇叭 兩個 示波器 一臺 3.2 電路調(diào)試 1.不通電檢查 檢查連線電路安裝焊接完畢后，不急于通電，先認真檢查接線焊接是否正確，包括虛焊、假焊、短路等。虛焊與假焊都是指焊件表面沒有充分鍍上錫層,焊件之間沒有被錫固住,是由于焊件表面沒有清除干凈或焊劑用得太少以及焊接時間過短所引起的接觸不良。短路是焊件之間由于焊劑過多出現(xiàn)不應(yīng)該的連接，在實驗中時常發(fā)生，以為問題是由元器件造成的。 2.通電觀察 用USB連線將連接好的功放板接入電腦，首先要觀察有無異常現(xiàn)象，包括有無冒煙，是否聞到異常氣味，手摸元件是否發(fā)燙

20、，電源是否有短路現(xiàn)象。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除故障后方可重新通電。然后再測量各元件引腳的電壓，而不是只測量各路總電源電壓，以保證元器件正常工作。再接入喇叭，播放音樂聆聽音質(zhì)和聲音。 3.3測試總結(jié) 經(jīng)過實驗與調(diào)試，我們制作出了符合要求的USB數(shù)字功率放大電路，取得較好的播放效果。 結(jié) 論 音樂是一種生活享受，音樂使我們放松，動感的音響大街小巷隨處可見，而正是由于高保真音響的基本組成系統(tǒng)── 音源器材、功率放大器、音箱等對音樂的重放， 給許多的音響愛好者和家庭帶來了快樂。其中功率放大器是最為重

21、要的一部分，其電路越是簡潔，電信號在傳輸過程中的損失就越小，電路對電信號的影響也就越小，失真也就越小，重放的音質(zhì)也就越好。在此次的課程設(shè)計中，不僅加深了我對專業(yè)知識的理解，更加的拓寬了知識面，就在完成本設(shè)計那一刻我感受到了動手學(xué)習(xí)莫大的快樂。 本設(shè)計詳細討論D類功放的工作原理，各類型放大器比較，優(yōu)越性。對于本系統(tǒng)設(shè)計，有些指標(biāo)還有待于進一步提高。例如：在功放效率，最大不失真功率等方面還有較大的潛力可挖，這些都有待于我們通過對電路的改進和對元器件的最佳選擇進一步完善。 在這次課程設(shè)計中，我走了許多彎路，特別是在硬件的焊接上出現(xiàn)較大問題，導(dǎo)致前期作品不能夠通過檢驗，但這同時使我從中積累了許多經(jīng)

22、驗教訓(xùn)，正是這些經(jīng)驗教訓(xùn)使我們對D類放大器的工作原理有了更深刻的認識，對集成電路的設(shè)計有了更深刻的理解，進一步鞏固了自己所學(xué)的專業(yè)知識，無論理論還是實踐方面都有了較大的提高。但由于時間短、動手能力不是很強以及設(shè)備和資料缺乏，所以本次的設(shè)計自己各方面還存在著很多不足的地方，要學(xué)習(xí)的東西還很多。 最后終于做完了，自己有種如釋重負的感覺。為此我想：實踐才是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)！有些東西必須通過實踐才能看出自己的不足。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了著手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。

23、 參考文獻 [1]華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京

24、高等教育出版社.2001. [2]張 平.關(guān)于D類音頻功率放大器的應(yīng)用.安陽大學(xué)學(xué)報.2002年02期. [3]龔 偉.D類音頻放大器控制方式綜述.重慶大學(xué)報.2003年02期. [4]方佩敏.D類音頻功率放大器.電子世界.2003年08期. [5]CM102-A+/102S+ USB 2CH Audio Controller for Speaker. 附 錄 序號 名稱 型號規(guī)格 位置 數(shù)量 1 USB母座 JP1 1 2 2P接線柱 KM301-2P,5.08間距 JP2、JP3 2 3 發(fā)光二極管 紅色、5mm LED 1

25、4 晶振 12M Y 1 5 電阻 22? R1、R2 2 6 電阻 1M? R5 1 7 電阻 1.5K? R3 1 8 電阻 10K? R4 1 9 電阻 680? R6 1 10 瓷片電容 22pF C3、C4 2 11 瓷片電容 100pF C1、C2 2 12 電解電容 10uF C7、C9 2 13 電解電容 220uF C5、C6 2 14 電解電容 100uF C8 1 15 集成電路 CM102 IC 1 附件一：元件清單 附錄二：電路原理圖 17