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数字音量 D类功放(数字音量调节原理)

admin 01-27 07:55 156次浏览

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1放大器的基本功能

1.1放大器分类

传统的功率放大器主要有a (甲)和b (乙)类和a (b )甲乙)类,此外还有在开关状态下工作的d (丁)类放大器。

1.2放大器工作原理及特点概述

a类功率放大器在输入信号的整个周期中连续地向功率放大器元件流动,其中,晶体管总是在放大区域中操作,且晶体管在输入信号的整个周期中总是在线性放大区域中操作。 其优点是输出信号失真比较小,缺点是输出信号动态范围小、效率低,理想情况下其效率为50 %,考虑到晶体管饱和压降和贯通电流造成的损耗,a类功率放大器的最高效率为45 %左右

b型功率放大器在整个输入信号周期中,功率器件的导通时间为50 %。 这是因为,该晶体管在放大区域工作输入信号的正半个周期,在输入信号的负半个周期截止。 效率理想情况下为78. 5 %,比a类有很大提高,但非线性失真比a类放大器大,存在产生交叉失真、增加噪声的缺点。

AB级(甲乙级)功率放大器将上述两种放大器组合,使各功率器件的导通时间为50 %~100 %。 这类放大器是目前最为流行的,兼有效率和失真两方面的性能指标,设计该功率放大器时设置功率晶体管静态偏置电路,使其在甲乙类状态下工作。 这种类型的放大器的失真比乙型放大器小,但其效率比乙型放大器低一些。

d类功率放大器也被称为开关型功率放大器,现在也被称为数字功率放大器。 利用晶体管的高速开关特性和低饱和压降的特点,效率高,理论上可以达到100%,实际上可以达到90%。 该电路不需要严格的对称性,也不需要复杂的直流偏置和负反馈,大大提高了稳定性。 用相同功耗的管可以得到AB类放大器的4倍的输出。

d类放大器的功率器件受高频脉宽调制(PWM )脉冲信号控制,在开关状态下工作,理论上效率可达100 %。 因此可以大大降低能量损耗,减小放大器的体积,在体积、效率、功耗方面有较高要求时有很大的优势。 现代忠实音响系统多采用CD、dat (数字音频磁带)等数字音频设备,近年来发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也是数字音频信号源。 数字音频信号采用脉冲编码和调制技术(PCM ),信号分辨率通常为12位或16位,采样频率为44.1 khz (CD )或48 khz (dat )。 由于数字信号在存储、传输、数据输出方面的优点,开始需要数字放大器来代替传统的模拟放大器,这也引起了d类功率放大器的极大关注。 D类放大器具有较高的效率,但由于功率晶体管的开关工作方式,d类放大器引入的失真通常大于线性放大器,这是目前D类放大器在音频放大领域应用不广泛的主要原因。 随着半导体和微电子制造技术的发展,高速、大功率器件越来越多,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化,因此d类(丁类)音频功率放大器越来越受到重视。

1.3 D类功率放大器的特点

)1)效率高,发热量少

)2)节能、数字化、小巧、轻便

)3) d型放大器与AB型放大器的效率比较

比较条件:电源电压24V、负载4欧元、1000HZ、连续输出、整机效率

)4)畸变大

与其他几种类型的放大器相比,D类放大器的失真较大,这也是D类放大器至今未投入市场的主要原因之一。 但是,由于近年来对这种类型放大器保真度的研究方兴未艾,d类型放大器成为近几年热门研究的重点。

2.1设计思路

本设计采用Ti公司全d类音频放大器芯片TPA3004D2和MCS51系列微处理器设计红外遥控器数字音量控制立体声音频功率放大器。 TPA3004D2是d型立体声音频功率放大器芯片,每个通道具有12W的功率输出。 本方案用直流电压在40db至36 dB的增益范围内调整立体声音量。 我们知道要设计好电路,在设计之前必须全面了解该电路所用器件的功能特性。 在以下介绍中,首先对两个模块进行说明,然后在模块中使用8051单片机、EEPROM24C04、红外线一体接收头、D/A转换器MAX541及d类放大器芯片TPA3004D2的功能特性、特性部分器件的某些功能特性不常用,或者本电路不使用,所以这里不多介绍。 因为我们做事情要指挥全局,抓住重点。

2.2电路整体框图

电路整体框图如下图:

3电路原理图介绍

本课题内容繁多,而且为了让读者更清楚地了解设计流程,本电路原理图分为两个模块介绍,分别为单片机模块和D类放大器模块。

3.1单片机模块介绍

单片机是为实现控制功能而设计的微型计算机是计算机的进一步小型化。 其应用首先是控制功能,实现计算机控制。 其实现手段通过嵌入方式、即嵌入到对象环境中来进行

为一个智能化控制单元。由于被控对象种类繁多,其应用也非常广泛,比如工业控制领域、家用电器领域、办公自动化领域、商业流通领域、汽车电子及航空航天电子等等。它的应用也从根本上改变了传统控制系统设计思想和设计方法,取代以微控制技术来实现,这是一个全新的概念。随着单片机应用技术的推广普及,微控制技术必将不断发展、完善。
  此部分电路实现的功能是由一体化红外接收头接收5米外遥控器的遥控代码,然后把遥控编码传送到单片机的中断输入口。

3.1.1 模块原理图

3.1.2 红外一体接收头的功能特性及电路连接
(1)红外遥控的概念及特点
  所谓遥控,就是指对被控对象,按照所预定的意图对其内部参数、工作状态等进行远距离操纵。遥控技术公现代工农业生产、科研、国防等领域均有非常广泛的应用,随着现代科技的发展,它们的应用也越来越普遍。
   现代遥控技术也十分普遍地应用于各类家电中,例如电视遥控、电灯遥控、电风扇遥控、空调遥控等。这类应用提高了家电的功能和档次,更重要的是给使用者带来极大的方便。设有遥控的电视,使用者不必离开座位,只需要使用手持红外遥控器就可以进行节目切换,以及对音量、对比度、亮度等的调节。
  遥控的种类很多,若以遥控信息传送方式来区分,可以分为:有线遥控和无线遥控两大类,而无线遥控又包含了红外遥控、超声波遥控和无线电遥控三类。有线遥控和无线遥控可以达到很远的距离,而红外遥控和超声波遥控只能在十几米之内,因此多用于家电方面。
红外遥控是以红外线作为载体来传送遥控命令的。红外线的波长介于红光和微波之间,0.77—3UM为近红外区,3—30UM为中红外区,30—1000UM为远红外区。红外线在通过云雾尘埃等充满悬浮粒子的物质时不易发生散射,有较强的穿透力,还具有不易受干扰,易于产生等优点,因此被广泛用语遥控装置。相比较前面两种遥控装置来看,红外遥控具有以下优点:
  它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术,被众多的硬件和软件平台所支持:

通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发;主要是用来取代点对点的线缆连接;新的通讯标准兼容早期的通讯标准;小角度,短距离,点对点直线数据传输,保密性强;传输速率较高,目前4M速率的FIR技术已被广泛使用,16M速率的VFIR技术已经发布;不影响周边环境、不干扰其它电器设备。由于其无法穿透墙壁,所以不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰;电路调试简单,只要按给定电路连接无误,一般不需任何调试即可投入工作;编解码容易,可进行多路遥控。
(2) 红外一体接收头的功能特性
  红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738或者TSOP4838。该接收模块是一个三端元件,使用单电源+5V电源,具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长(950nm以外)的红外光不敏感的特点,其引脚功能介绍如下:
VCC 接系统的电源正极(+5V);
GND 接系统的地线(0V);
OUT 脉冲信号输出
  通常接CPU的中断输入引脚(例如8051的13脚INT1)。采取这种连接方法,软件解码既可以工作于查询方式,也可以工作于中断方式。
  为保证红外接收模块TSOP4838接收的准确性,要求发送端载波信号的频率应尽可能接近38kHz,因此在设计脉冲振荡器时,要选用精密元件并保证电源电压稳定。再有,发送的数位“0”至少要对应14个载波脉冲,这就要求传送的波特率不能超过2400bps。利用上述红外收发电路构成的红外信道最大通信距离为8m。
  TSOP4838的工作原理为:首先,通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号,再由前放大器和自动增益控制电路进行放大处理。然后,通过带通滤波器和进行滤波,滤波后的信号由解调电路进行解调。最后,由输出级电路进行反向放大输出。
(1)红外接收头在电路中有效地抑制了电源干扰。
(2)当电压低于3.3V时输出电压不能连续地支持外围电路。

(3) 红外接收部分的电路连接
   红外接收头的输出管脚OUT接到三极管9018的B极,目的是把接收信号放大,再把放大后的信号输入到单片机的中断口INT1。电阻R-RED对红外接收头起保护作用,最右边两个电容起到滤波的作用。

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