电子课程设计报告-usb-声卡功放制作-学位论文.doc
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1、电子课程设计报告 USB声卡功放制作 电子课程设计报告 USB声卡功放制作 姓 名: 专 业: 班 级: 学 号: 指 导 教 师 : 信息科学与工程学院电子信息系 2013 年 7 月 2 日目 录摘 要3前言41.研究背景42.研究意义53.论文章节安排5第1章 设计要求与方案介绍61.1设计要求61.2各类放大器特点介绍6第2章 硬件电路设计92.1原理分析92.2芯片简介12第3章 电路调试153.1调试的设备15 3.2 电路调试153.3测试总结16结 论17参考文献18附 录19摘 要 D类数字音频功率放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM(Pulse Code Modulati
2、on,脉冲编码调制)数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通、断音频功率放大器,也称为开关放大器。近年来,随着MP3、PDA、手机、笔记本电脑、车载音响等便携式多媒体的普及, D类功放以效率高、体积小等优势,比传统的线性功放更受人们的青睐,具有十分重要的应用价值和市场前景。 本文在对传统的音频放大器进行分析的基础上,改进了电路结构,设计了一种基于D类功放的高效率、低失真、免输出滤波器的基于USB的数字音频放大器。USB电脑功放板内置USB数字音频解码,单一USB插头。采用的主要方法如下:将音频信号通过芯片CM1
3、02-A构成的电路进行前置放大,电容与CM102-A组和产生的三角波,并通过LM393进行将前置放大的正弦波与三角波进行比较处理,进行脉宽调制产生矩形波,并将矩形波传递到CD40106进行波形的整形及H桥进行的功率放大和保真,最后通过LC震荡电路驱动喇叭工作,实现音频的输出。关键字:放大器比较;D类功率放大;数字音频信号;0前言1.研究背景随着现代电子技术的不断发展,集成电路被广泛应用于各类电子电路中。而近十几年来半导体技术的进步,使功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛的功率放大电路。目前大部分音响系统中的功放都是模拟类型,传统的模拟功放按放大
4、器的工作状态可分为:A类、B类、AB类等形式。A类、AB类功放是音响系统中最为常用的功放。传统类音频放大器的一个共同缺点是效率很低,A类音频放大器的理论效率是25%,实际效率大约为15-20%;B类音频放大器的理论最大效率是78.5%;AB类音频放大器的理论效率75%,实际效率在50-70%之间。无论A类,B类还是AB类音频功率放大器,当它们的输出功率小于额定输出功率时,效率就会明显降低,播放动态的语言、音乐时平均工作效率只有30%左右。在半导体设计潮流走向轻薄短小之际,不仅半导体组件本身的封装要小,整个模块的尺寸也变成关键规格。数字音频功放的概念早在20世纪60年代已被提出,但由于当时技术条
5、件的限制,进展一直较慢。1983年,M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM数字音频功放的基本结构,主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM。1999年意大利POWERSOFT公司推出了数字音频功放的商业产品,从此,第4代音频功率放大器数字音频功率放大器进入了工程应用领域,并获得了世界同行的广泛认可,市场日益扩大,数字音频功率放大器已经成为近年来的研究热点之一。全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求,迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口的音频功率放大器。D类数字音频放大器就是在这样的背景下兴起的。目前,D类音频功率放大器在电脑、移动电话、平面电视
6、、LCD显示器以及各种以电池供电的便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛的应用。80年代至今,数字功放俨然成为了新一代的宠儿。2.研究意义随着电子技术的迅速发展各种D 类功放的设计方法也层出不穷笔者设计的D 类功放效率可达到86.9%以上在负载是4 时最大输出功率可达71 W 且音质较好基本可满足家庭音响的要求。对于传统的音频功率放大器工作时,直接对模拟信号进行放大,工作期间必须工作于线性放大区,功率耗散较大,虽然采用推挽输出,减少了功率器件的承受功率,但在较大的功率情况下,仍然对功率器件构成极大地威胁,功率输出受到限制。模拟功率放大器还存在以下的特点: 电路复杂,成本高。常常需要设计复杂
7、的电路和过流,过压,过热等保护,体积较大,电路复杂。效率低,输出功率不可能做的很大。D类开关音频功率放大器的工作基于PWM模式:将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成成正比变化的PWM波,然后经过驱动电路,加到功率MOS的栅极,控制功率器件的开关,实现放大,将放大的PWM信号送入滤波器,则还原音频信号。D类功率放大器工作于开关状态,理论效率可达100%,实际的运用也可达80%以上。功率器件的耗散功率小,产生热量少,可以大大地减少散热器的尺寸,连续输出功率很容易达到数百瓦。功率MOS有自我保护电路,可以大大的简化保护电路,而且不会引起非线性失真。这样可以更好的跟上了
8、音频领域数字化的浪潮同时也满足了人们对节能环保的要求。具有一定的现实意义。3.论文章节安排本论文大致可分为三个部分:第一部分主要介绍了设计要求和功率放大器的一些基本知识;第二部分主要介绍D类功率放大器的原理和USB音频功放板的设计、CM102A芯片介绍、电路组装与调试;第三部分是论文总结第1章 设计要求与方案介绍1.1设计要求设计一个基于USB供电内有数字音频解码器的电脑功放板,支持XP、vista、Windows7系统。采用D类放大器,以4扬声器计左右声道输出功率0.5W,无需外接电源,USB数字音频解码电路,替代电脑板载声卡,摆脱主板高频干扰,保证音质纯净。组装电路,调试实现音频放大功能,
9、经简单的检测验证。1.2各类放大器特点介绍 A类放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单,调试方便。但效率较低,晶体管功耗大,功率的理论最大值仅有25,且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。 B类放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC,0)处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内,Q1导通Q2截止,输出端正半周正弦波;同理,当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示),所以必须用两
10、管推挽工作。其特点是效率较高(78%),但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V至 0.6V之间时, Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。 AB类放大器的主要特点是:晶体管的导通时间稍大于半周期,必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大,可以抵消偶次谐波失真。有效率相对提高,晶体管功耗也较小。 D类功率放大器主要特点是:用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度,功率输出管工作在高频开关状态,通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态,故具有极高的效率。理论上为100,实际电路也可达到8095。随着P
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