【正文】 脈沖調(diào)制型放大器中有一個(gè)矩形脈沖振蕩器，將所需放大的音頻信號(hào)去調(diào)制矩形脈沖振蕩器，使它產(chǎn)生的矩形脈沖的脈寬隨音頻信號(hào)的幅度而變化。晶體管開(kāi)關(guān)工作的實(shí)質(zhì)是將電源的功率轉(zhuǎn)換給負(fù)載。脈沖寬度調(diào)制型放大器的主要特點(diǎn)是效率高，可達(dá)90％以上；晶體管功耗極小，可用中小功率管制作大功率放大器。但諧波失真較大，會(huì)輻射脈沖干擾。圖32是D類(lèi)功率放大器的框圖，D類(lèi)音頻功率放大器在工作方式上與產(chǎn)生控制電壓信號(hào)的開(kāi)關(guān)電源相似。圖34表示了PWM波形隨輸入信號(hào)的變化而變化。脈沖調(diào)制型放大器的基本工作程序與原理為：（1）把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的工作頻率可以設(shè)定為數(shù)十千赫茲至數(shù)百千赫茲；方波的寬度則隨輸入模擬信號(hào)的大小而改變。此濾波器的截止頻率決定放大器頻寬響應(yīng)的高頻界限。采用脈寬調(diào)制后，音頻信號(hào)便成為一系列用“0”和“l(fā)”表示的寬度可變的脈沖串，脈沖的寬度越寬，信號(hào)的幅度就越大。由于受到脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)流的作用，輸出晶體管將迅速地時(shí)而飽和導(dǎo)通工作，時(shí)而截止不工作。脈沖串在由晶體管放大后，便由LC低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而恢復(fù)為原有的音樂(lè)波形。D類(lèi)放大技術(shù)基本上是一邊輸入加有三角波而另一邊輸入加有音頻信號(hào)的比較器，輸入信號(hào)可以是帶有或沒(méi)有反饋的數(shù)字或模擬信號(hào)。模擬音頻信號(hào)進(jìn)入前置放大器放大后的信號(hào)，與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波進(jìn)入比較器進(jìn)行比較。這樣把輸入信號(hào)的大小轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵雒}沖的寬窄，相當(dāng)于用輸入信號(hào)去調(diào)制載波，從而形成占空比隨輸入信號(hào)幅度變化的輸出調(diào)制波，即PWM技術(shù)。對(duì)于高頻載波三角波信號(hào)，為了減小輸出音頻信號(hào)的非線(xiàn)性失真，要求三角波信號(hào)的兩個(gè)斜邊對(duì)稱(chēng)且具有高的線(xiàn)性度。因此，一般載波信號(hào)(三角波)的頻率和調(diào)制信號(hào)(取正弦波)的頻率滿(mǎn)足如下關(guān)系：=(10～20)。功率放大器的通頻帶為10kHZ，取三角波信號(hào)的頻率為120kHz。PWM工作方式呈現(xiàn)出一定的缺點(diǎn)：首先，PWM過(guò)程在許多實(shí)現(xiàn)中會(huì)增加固有的失真；其次，PWM載波頻率的諧振在調(diào)幅(AM)無(wú)線(xiàn)電波段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生EMI；最后，PWM脈寬在全調(diào)制附近非常小。因此，在基于PWM的放大器中經(jīng)常達(dá)不到全調(diào)制，可達(dá)到的最大輸出功率要小于理論上的最大值，即只考慮電源電壓、晶體管導(dǎo)通電阻和揚(yáng)聲器阻抗的情況。D類(lèi)集成電路放大器可以使用一個(gè)比線(xiàn)性放大器更小的、更便宜的封裝。模擬輸入的D類(lèi)放大器也需要數(shù)模變換器，但數(shù)字輸入型電路可以有效地集成一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器功能。該元件(特別是電感)將占用電路板空間并增加成本。但是，在對(duì)成本敏感的、低功耗的應(yīng)用中，電感的成本是巨大的。此外，即使不考慮成本，LC濾波器所占用的電路板空間對(duì)于小外形尺寸的應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是一個(gè)問(wèn)題。D類(lèi)功率放大器是用音頻信號(hào)的幅度去線(xiàn)性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)LC低通濾波器后輸出音頻信號(hào)。理論上為100％，實(shí)際電路也可達(dá)到80％～95％。方案二：采用圖41所示方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作，故選用此方案。此方式可充分利用電源電壓，浮動(dòng)輸出載波的峰峰值可達(dá)10V，可以有效地提高可以輸出功率。雖然電路輸出載波峰峰值不會(huì)超過(guò)電源電壓，但最大輸出功率基本滿(mǎn)足該設(shè)計(jì)要求，且電路較簡(jiǎn)單可行，故選用此方案。為提高功率放大器的效率和輸出功率，開(kāi)關(guān)管的選擇非常重要，對(duì)它的要求是高速、低導(dǎo)通電阻、低損耗。晶體三極管需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，并存在儲(chǔ)存時(shí)間，開(kāi)關(guān)特性不夠好，使整個(gè)功放的靜態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗較大；IGBT管的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降太大。VMOSFET管具有較小的驅(qū)動(dòng)電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開(kāi)關(guān)特性，故選用高速VMOSFET管。缺點(diǎn)是負(fù)載上的高頻載波電壓得不到充分衰減。 主要電路工作原理設(shè)計(jì)與分析一般的脈寬調(diào)制D類(lèi)功放的原理方框圖如下圖44所示。圖44 D類(lèi)放大器工作原理圖45 D類(lèi)放大器的工作波形示意圖①三角波產(chǎn)生電路。NE5532不僅具有較寬的頻帶和轉(zhuǎn)換速率（擺率），而且可以在較低的電壓下滿(mǎn)幅輸出，既保證能產(chǎn)生線(xiàn)性良好的三角波，而且可使功放在低電壓下正常工作的要求。載波頻率的選定既要考慮抽樣定理，又要考慮電路的實(shí)現(xiàn)，選擇150 kHz的載波，使用四階Butterworth LC濾波器，輸出端對(duì)載頻的衰減大于60dB，能夠滿(mǎn)足要求，所以選用載波頻率為150 kHz。選用LM311精密、高速比較器，電路如圖47所示，因供電為5V電源，為給V+=，取R12=R15，R13=R14，4個(gè)電阻均取10 kΩ。圖47 比較器電路前置放大器電路如圖48所示。因此必須對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行前置放大，其增益應(yīng)大于5。雖然效果不是非常理想，但是基本上能夠反映出調(diào)節(jié)的能力，通過(guò)設(shè)置，可以使前置放大的增益達(dá)到8左右。圖48 前置放大電路電路如圖49所示開(kāi)關(guān)放大電路。對(duì)于MOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)啟電壓小，IRF9530和IRF530 MOS對(duì)管的參數(shù)基本滿(mǎn)足以上要求，故采用。圖49 開(kāi)關(guān)放大電路為了能夠使輸出信號(hào)時(shí)清晰的輸出，必須要濾波，除去噪聲。圖410 LC低通濾波電路音量設(shè)置及顯示電路采用單片機(jī)控制兩個(gè)16路模擬開(kāi)關(guān)芯片CD4067，通過(guò)兩個(gè)加減按鍵的控制，LCD1602實(shí)時(shí)顯示音量。圖411 音量顯示部分電路MCS51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司在1980年推出的一種高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)。在5l子系列中，主要有803l、8058751三種同檔次機(jī)型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM)大小有所不同。與51子系列不同在于，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器增至256個(gè)字節(jié)：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器增至8KB（8032無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）；有3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；有6個(gè)中斷源。它們可通過(guò)接口電路與外圍設(shè)備相連構(gòu)成可以完成各種控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)。②MCS51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部各基本部件之間通過(guò)總線(xiàn)交換信息?？偩€(xiàn)按傳送信息不同來(lái)分，可分為數(shù)據(jù)總線(xiàn)(DB)、控制總線(xiàn)(CB)、地址總線(xiàn)(AB)。數(shù)據(jù)總線(xiàn)是雙向的，控制總線(xiàn)是傳送CPU發(fā)出的控制信號(hào)，也可以是其它部件輸入到微處理器的信息，對(duì)于每一條控制線(xiàn)，其傳送方向是固定的。地址總線(xiàn)是單向的，只能是CPU向外傳送地址信息。③MCS51系列單片機(jī)一些引腳功能介紹：電源引腳Vcc和Vss：Vcc(40腳)：電源端，接+5V。通常Vcc和Vss之間應(yīng)接高頻和低頻濾波電容。若使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。若使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳作為外部時(shí)鐘的輸入端。在存取片外存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存低8位地址。此引腳的第二功能PROG是對(duì)片內(nèi)帶有4K字節(jié)EPROM的8751固化程序時(shí)，作為編程脈沖輸入端。是片外程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。當(dāng)EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)．將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。RST／VPD(9腳)：復(fù)位信號(hào)輸入端。復(fù)位以后，P0—P3口均為高電平，SP指針重新賦值為07H，PC被賦值為0000H。作輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖，但這四個(gè)通道的功能并不完全相同。CD4067為十六路模擬開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部包括一個(gè)16選1的譯碼器和被譯碼輸出所控制的16個(gè)雙向模擬開(kāi)關(guān)，當(dāng)禁止端INH為低電平0時(shí)，X0－X15中被選中的一個(gè)輸入端與輸出公共端X（即1腳）接通，被選通端由外部地址輸入端A1～A4決定，當(dāng)INH為高電平1時(shí)，處于禁止?fàn)顟B(tài)，所有模擬開(kāi)關(guān)均不接通。接收模塊板的第17腳接有一個(gè)發(fā)光二極管LED，可以同步指示接收成功信號(hào)。調(diào)試之前對(duì)所有導(dǎo)線(xiàn)用萬(wàn)用表檢驗(yàn)線(xiàn)路通暢情況，確定各模塊工作正常。LC濾波對(duì)輸出音質(zhì)方面也有很大影響，對(duì)電感的調(diào)節(jié)也需要耐心調(diào)。在改進(jìn)系統(tǒng)性能質(zhì)量方面，可以盡量減小運(yùn)放和比較器的靜態(tài)功耗。另外VMOSFET管對(duì)整個(gè)功放的效率和最大不失真輸出功率也有很大影響。5 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的D類(lèi)音頻功率放大器，采用了PWM調(diào)制方式，通過(guò)論證和設(shè)計(jì)了運(yùn)算放大器電路、比較器電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率輸出及濾波電路等模塊，經(jīng)過(guò)調(diào)試和測(cè)量，基本上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，有些指標(biāo)還有待于進(jìn)一步提高。對(duì)于提高效率,可以降低載波頻率,但輸出電壓的諧波成分及失真增加。謝 辭在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我得到了高鵬老師的悉心指導(dǎo)。在我困惑的時(shí)候指出了正確的努力方向，指導(dǎo)我去圖書(shū)館查閱了許多相關(guān)資料，還幫助我收集了很多資料，使我在畢設(shè)過(guò)程中少走很多彎路。同時(shí)，在此也非常感謝我的同學(xué)們給我提供的幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到的問(wèn)題不單單是有關(guān)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的問(wèn)題，在PCB制作上，由于經(jīng)驗(yàn)欠缺出現(xiàn)了不少問(wèn)題，在大家的熱心幫助指導(dǎo)下才得以完成。感謝幫助過(guò)我的老師與每一位同學(xué)。參考文獻(xiàn)[1] [M].廣東：廣東科技出版社，1997：58~100.[2] [J].安陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(2)：1~9.[3] [M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1984.[4] [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2006. 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