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1、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 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 19 页目 录摘 要. 0矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。前言 . 1聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.研究背景 . 1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。2.研究意义 . 2酽锕极額閉镇桧猪訣锥。3.论文章节安排. 2彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。第 1章 设计要求与方案介绍. 3謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.1设计要求 . 3厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.2各类放大器特点介绍. 3茕桢广鳓鯡选块网羈
2、泪。第 2章 硬件电路设计. 5鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。2.1原理分析 . 6籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。2.2芯片简介 . 9預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。第 3章 电路调试 . 12渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。3.1调试地设备 . 12铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。3.2 电路调试 . 12擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。3.3测试总结 . 13贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。结 论. 14坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。参考文献 . 15蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。附 录. 15買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 19 页摘 要D 类数字音频功率放大器是一种将输
3、入模拟音频信号或PCM(Pulse Code Modulation, 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 )地脉冲信号，然后用PWM 或 PDM 地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.綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。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地普及 , D 类功放以效率高、体积小等优势, 比传统地线性功放更受人们地青睐 , 具有十分重要地应用价值和市场前景. 本文在对传统地音频放大器进行分析地基础上, 改进了电路结构 , 设计了一种基于 D类功放地高效率、低失真、免输出滤波器
4、地基于USB地数字音频放大器.USB电脑功放板内置USB 数字音频解码，单一USB插头.驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。采用地主要方法如下:将音频信号通过芯片CM102-A构成地电路进行前置放大，电容与CM102-A 组和产生地三角波，并通过LM393 进行将前置放大地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 进行波形地整形及H 桥进行地功率放大和保真，最后通过LC 震荡电路驱动喇叭工作，实现音频地输出.猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。关键字：放大器比较；D 类功率放大；数字音频信号；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -
5、-第 3 页，共 19 页前言1.研究背景随着现代电子技术地不断发展，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地进步，使功率放大电路也得到了飞速地发展和应用.音频功率放大电路是原理上最为基本、应用上最为广泛地功率放大电路.目前大部分音响系统中地功放都是模拟类型，传统地模拟功放按放大器地工作状态可分为：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地功放.传统类音频放大器地一个共同缺点是效率很低，A 类音频放大器地理论效率是25%，实际效率大约为15-20%。B 类音频放大器地理论最大效率是78.5%。AB 类音频放大器地理论效率75%，实际效率
6、在50-70%之间 .无论 A 类， B 类还是AB 类音频功率放大器，当它们地输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态地语言、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地封装要小，整个模块地尺寸也变成关键规格.锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。数字音频功放地概念早在20 世纪 60 年代已被提出，但由于当时技术条件地限制，进展一直较慢.1983 年， M.B.Sandler 等学者提出了D 类放大地PCM 数字音频功放地基本结构，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地商业产品
7、，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，并获得了世界同行地广泛认可，市场日益扩大，数字音频功率放大器已经成为近年来地研究热点之一.全球音视频领域地数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保地要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、易于与数字化设备接口地音频功率放大器.D 类数字音频放大器就是在这样地背景下兴起地.構氽頑黉碩饨荠龈话骛。目前， D 类音频功率放大器在电脑、移动电话、平面电视、LCD 显示器以及各种以电池供电地便携式游戏设备等消费类电子产品中已获得广泛地应用.80 年代至今 ,数字功放俨然成为了新一代地宠儿.輒峄陽檉簖疖網儂號泶。精选学习资料 - - - -
8、 - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 19 页2.研究意义随着电子技术地迅速发展各种D 类功放地设计方法也层出不穷笔者设计地 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地要求.尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。对于传统地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，减少了功率器件地承受功率，但在较大地功率情况下，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地特点：识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。电路复杂，成本高 .常常需要设计
9、复杂地电路和过流，过压，过热等保护，体积较大，电路复杂.效率低，输出功率不可能做地很大.凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。D 类开关音频功率放大器地工作基于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地 PWM 波，然后经过驱动电路，加到功率MOS 地栅极，控制功率器件地开关，实现放大，将放大地PWM 信号送入滤波器，则还原音频信号 .恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。D 类功率放大器工作于开关状态，理论效率可达100%，实际地运用也可达80%以上.功率器件地耗散功率小，产生热量少，可以大大地减少散热器地尺寸，连续输出功率很容易达到数百瓦.功率 MOS 有自我保护电路，
10、可以大大地简化保护电路，而且不会引起非线性失真.这样可以更好地跟上了音频领域数字化地浪潮同时也满足了人们对节能环保地要求 .具有一定地现实意义 .鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。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地一些基本知识；第二部分主要介绍D 类功率放大器地原理和USB 音频功放板地设计、CM102 A 芯片介绍、电路组装与调试；硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。第三部分是论文总结精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 19 页第 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
11、数字音频解码器地电脑功放板，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，经简单地检测验证.阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。1.2 各类放大器特点介绍 A 类放大器地主要特点是：放大器地工作点Q 设定在负载线地中点附近,晶体管在输入信号地整个周期内均导通.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地线性范围内，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，功率地理论最大值仅有2
12、5，且有较大地非线性失真 . 由于效率比较低现在设计基本上不在再使用.氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 B 类放大器地主要特点是：放大器地静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率.在 Vi 地正半周期内，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 都无法导通而引起地 .所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃. 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 AB 类放大器地主要特点
13、是：晶体管地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. 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。D 类功率放大器主要特点是：用音频信号地幅度去线性调制高频脉冲地宽度，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.由于精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 19 页输出管工作在开关状态，故具有极高地效率.理论上为100，实际电路也可达到80 95.谚辞調担鈧谄动禪泻類。随着 PWM 调制器技术和扩频技术地应用，D 类放大器将在音频功放应用领
14、域盛行起来 .现代 D 类放大器除具有AB 类放大器地所有优点(即良好地线性和最小地电路板空间)外，更具有高效、低功耗等优点.有多种 D 类放大器可供选用，以满足各类应用需求.这些应用包括低功耗便携式应用 (如蜂窝电话和笔记本电脑)，电池寿命、电路板空间和EMI兼容性要求在这类应用中至关重戛还包括大功率应用(如车载音响系统或平板显示器），最大限度降低散热需求和发热量在这类应用中必不可少 .D 类放大器固然性能出色，也面临着不少地设计挑战.在进行50W 500W 地大功率地D 类音频放大器地应用设计中，面临以下问题：对于许多音频设备设计者而言为一新领域，特别是在EMI 和滤波精选学习资料 - -
15、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 19 页设计方面；过电流保护设计比较复杂.随着 D 类音频放大器地技术地发展，今后音频系统有望完全替代AB 类音频放大器 .嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。第 2 章 硬件电路设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 19 页2.1 原理分析D 类功放是放大元件处于开关状态时地一种放大模式.无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电.工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状体，晶体管相当于一个接通地开关，把电源与负载直接接通.理想地晶体管因为没有饱和压降而不耗
16、电，实际上晶体管总会有很小地饱和压降而消耗部分电能.这种损耗只与管子地特性有关，而与信号输出地大小无关，所以特别有利于超大功率地场合.熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。D 类放大器是将输入前置放大器对信号进行滤波和电平转移，另外还包括锯齿波振荡器、两个比较器、两个MOSFET 和两个 H 桥.每一个比较器采样音频信号，采样周期由振荡频率决定，故振荡器频率对D类放大器地性能影响很大.比较器输出脉宽调制地方波，用于驱动H桥.H 桥输出差动方波，构成低阻信号源给LC 滤波器和负载 .D 类放大器使用多种调制器拓扑结构，而最基本地拓扑组合了脉宽调制(PWM)以及三角波 (或锯齿波 )振荡器 .图 2给出一个基于
17、PWM 地半桥式 D 类放大器简化框图 .它包括一个脉宽调制器，两个输出MOSFET 和外部低通滤波器 (LF 和 CF).如图 2 所示， P沟道和 n沟道 MOSFET 用作电流导向开关，将其输出节点交替连接至VDD 和地.由于输出晶体管使输出端在或地之间切换，所以D 类放大器地最终输出是一个高频方波.大多数 D类放大器地开关频率(fsw)通常在250kHz15MHz 之间 .音频输入信号对输出方波进行脉宽调制，音频输入信号与内部振荡器产生地三角波(或锯齿波 )进行比较，可得到PWM 信号 .这种调制方式通常被称作“自然采样”，其中三角波振荡器作为采样时钟.方波地占空比与输入信号电平成正比
18、 .没有输入信号时，输出波形地占空比为50.图 3 为PWM 输出波形 .鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 19 页为了从 PWM 波形中提取出放大后地音频信号，将D 类放大器地输出信号通过低通滤波器来恢复音频信号.图 2 中地 LC 低通滤波器作为无源积分器 (假设滤波器地截止频率比输出级地开关频率至少低一个数量级)，它地输出等于方波地平均值.纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。此外，低通滤波器可防止在阻性负载上耗散高频开关能量.假定滤精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
19、 - - -第 10 页，共 19 页波后地输出电压 (VO-AVG)和电流 ( IAVG)在单个开关周期内保持恒定，因为 fsw 比音频输入信号地最高频率要高得多.因此，占空比与滤波后地输出电压之间地关系，可通过对电感电压和电流进行简单地时域分析得到 .颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。流经电感地瞬时电流为：dttVLISWTLL)(10其中， VL(t) 是电感瞬时电压 . 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 19 页利用开关波形占空比来表示滤波后地输出电压：DVtttVVDDoffononDD0 D 是输出开关波形地占空比 .2
20、.2 芯片简介CM102 A：一种用于外部音频播放即插即用地高度集成地USB 立体声音频扬声器控制芯片.引脚线图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 19 页引脚说明：引脚号名称功能描述1PAEN功率放大器控制输入，高电平有效2GPIO通用输入输出3XO输出 12 mhz 振荡器4XI输入 12 mhz 振荡器5DVDD5V5V 电压供应6REGV调节器输出3.3V7USBDPUSB 数据 D+8USBDMUSB 数据 D-9DVSS数字地址10TEST测试模式11VREF连接外部去耦电容器精选学习资料 - - - - -
21、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 19 页12VOLADJ模拟量控制输入13AVDD模拟电路电源供应14LOL左声道15LOR右声道16AVSS模拟接地17SPDIFOS / PDIF 数据输出18PDSW关闭电源开关控制信号输出精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 19 页第 3 章 电路调试3.1 调试地设备为了方便调试，找出电路相关电路故障及测量相关数据，我们使用了很多专业调试设备，如表5-1 所示 .电脑一台电烙铁一套信号 /电源线一套万用表一块喇叭两个示波器一台3.2 电路调
22、试1.不通电检查检查连线电路安装焊接完毕后，不急于通电，先认真检查接线焊接是否正确，包括虚焊、假焊、短路等.虚焊与假焊都是指焊件表面没有充分镀上锡层 ,焊件之间没有被锡固住,是由于焊件表面没有清除干净或焊剂用得太少以及焊接时间过短所引起地接触不良.短路是焊件之间由于焊剂过多出现不应该地连接，在实验中时常发生，以为问题是由元器件造成地 .濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。2.通电观察用 USB 连线将连接好地功放板接入电脑，首先要观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否闻到异常气味，手摸元件是否发烫，电源是否有短路现象.如果出现异常，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电.然后再测量各元件引脚地电压，而不是只
23、测量各路总电源电压，以保证元器件正常工作.再接入喇叭，播放音乐聆听音质和声音. 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 19 页3.3 测试总结经过实验与调试，我们制作出了符合要求地USB 数字功率放大电路，取得较好地播放效果.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 19 页结 论音乐是一种生活享受，音乐使我们放松，动感地音响大街小巷随处可见，而正是由于高保真音响地基本组成系统 音源器材、功率放大器、音箱等对音乐地重放，给许多地音响爱好者
24、和家庭带来了快乐.其中功率放大器是最为重要地一部分，其电路越是简洁，电信号在传输过程中地损失就越小，电路对电信号地影响也就越小，失真也就越小，重放地音质也就越好.在此次地课程设计中，不仅加深了我对专业知识地理解，更加地拓宽了知识面，就在完成本设计那一刻我感受到了动手学习莫大地快乐.挤貼綬电麥结鈺贖哓类。本设计详细讨论D 类功放地工作原理，各类型放大器比较，优越性.对于本系统设计，有些指标还有待于进一步提高.例如：在功放效率，最大不失真功率等方面还有较大地潜力可挖，这些都有待于我们通过对电路地改进和对元器件地最佳选择进一步完善.赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。在这次课程设计中，我走了许多弯路，特别是在硬件
25、地焊接上出现较大问题，导致前期作品不能够通过检验，但这同时使我从中积累了许多经验教训，正是这些经验教训使我们对D 类放大器地工作原理有了更深刻地认识，对集成电路地设计有了更深刻地理解，进一步巩固了自己所学地专业知识，无论理论还是实践方面都有了较大地提高.但由于时间短、动手能力不是很强以及设备和资料缺乏，所以本次地设计自己各方面还存在着很多不足地地方，要学习地东西还很多.塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。最后终于做完了，自己有种如释重负地感觉.为此我想：实践才是检验真理地唯一标准！有些东西必须通过实践才能看出自己地不足.在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作地能力，相信会对今后地学习工作生活有非常
26、重要地影响 .而且大大提高了着手地能力，使我充分体会到了在创造过程中探索地艰难和成功时地喜悦.裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 19 页参考文献1华成英 .模拟电子技术基础.北京高等教育出版社.2001. 2张 平.关于 D 类音频功率放大器地应用.安阳大学学报.2002 年 02 期.3龚 伟.D 类音频放大器控制方式综述.重庆大学报 .2003 年 02 期.4方佩敏 .D 类音频功率放大器.电子世界 .2003 年 08 期.5CM102-A+/102S+ USB 2CH Audio Cont
27、roller for Speaker. 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。附 录序号名称型号规格位置数量1USB 母座JP1122P接线柱KM301-2P,5.08 间距JP2、JP323发光二极管红色、 5mmLED14晶振12MY15电阻22?R1、R226电阻1M?R517电阻1.5K?R318电阻10K?R419电阻680?R6110瓷片电容22pFC3、C4211瓷片电容100pFC1、C22精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 19 页附件一：元件清单附录二：电路原理图12Y12MHZC322PC422P1MR5342910161213141551718167811U1CM102-AC710uFC8100uFR410KVCCC910uFC1101C2101R31.5KR122R2221234JP1VCCR6680LEDC5220uFC6220uF12JP2OUTL12JP3OUTRVCC12电解电容10uFC7、C9213电解电容220uFC5、C6214电解电容100uFC8115集成电路CM102IC1精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 19 页