智能FU-7膽功率放大器


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第1章 緒論
1.1 本課題的目的
功率放大器是機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器發(fā)展至今，有許多種類和應(yīng)用，在工業(yè)方面，有數(shù)控機(jī)床的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有應(yīng)用于新型磁軸承開(kāi)關(guān)，也有在電力電子控制技術(shù)種的應(yīng)用。在通訊方面，有幾百毫瓦的蜂窩電話發(fā)射機(jī)、有基站幾十瓦的功率放大器、也有上千瓦的電視信號(hào)發(fā)射機(jī)。但所有的功率放大器，其設(shè)計(jì)所遵循的基本規(guī)律幾乎是相同的。而它的設(shè)計(jì)包含了電子電路技術(shù)、模擬控制理論、測(cè)試技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)智能化的單片機(jī)控制技術(shù)等。因此以電子管音頻功率放大器設(shè)計(jì)制作作為載體。實(shí)現(xiàn)興趣與理論實(shí)踐相結(jié)合，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程不枯燥無(wú)味，從而既實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率放大器的理論學(xué)習(xí)，又進(jìn)行一次高性能智能型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)與制作，進(jìn)一步發(fā)揮和鞏固四年來(lái)所學(xué)的知識(shí)，在實(shí)踐中鍛煉自己，在鍛煉中提高自己專業(yè)水平。
1.2功率放大器的發(fā)展
功率放大器的歷史很悠久，常被認(rèn)為是個(gè)很老的課題。甲、乙、甲乙類·丙類的劃分方傳可以追溯到上世紀(jì)30年代，現(xiàn)今這樣的概念仍然被廣泛使用。然而，隨著現(xiàn)代通信體制的發(fā)展，特別是數(shù)字調(diào)制技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。功率放大器所涉及的許多概念正被重新定義或者修正?，F(xiàn)代功率放大器設(shè)計(jì)中，引入了很多過(guò)去沒(méi)有的概念和技術(shù)。功率放大器的設(shè)計(jì)考慮的因素越來(lái)越多，設(shè)計(jì)中折衷考慮的過(guò)程也越發(fā)復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)過(guò)程也和傳統(tǒng)方法大相徑庭，引入了建模、仿真等新工具。并且出現(xiàn)了很多新的電路方案，例如:結(jié)合DSP技術(shù)的反饋技術(shù)，卡特生環(huán)等。
功率放大器發(fā)展至今，己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍用，民用通信，工業(yè)控制，生活享受等各領(lǐng)域。相應(yīng)的功率放大器研究也成了未來(lái)的趨勢(shì)和熱點(diǎn)。隨著材料，計(jì)算機(jī)，以及功率放大器相關(guān)理論的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)指標(biāo)更優(yōu)的功率放大器，不久將會(huì)出現(xiàn)，并服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域
1.3功率放大器分類
放大器分類根據(jù)不同的觀點(diǎn)有多種分法。按工作狀態(tài)可分為甲、乙、丙類，以及甲乙類等。按其本身特點(diǎn)分類，可分為低噪聲放大器，寬帶功率放大器，功率放大器。按照用途分類，又可分為音頻功率放大器、驅(qū)動(dòng)類功率放大器等。在本課題中將要研究甲類的音頻功率放大器。



圖1-1 各工作狀態(tài)的定義區(qū)別在于靜態(tài)工作點(diǎn)的選取

1.4音頻功率放大器設(shè)計(jì)初步設(shè)想
該款只能功率放大器主要為高保真音頻信號(hào)輸出所設(shè)計(jì)，應(yīng)用于如下設(shè)備：CD，VCD，及其他高保真音頻輸出設(shè)備等?？紤]到諸多因素的影響，最終決定將其設(shè)計(jì)成雙聲道10.8W（負(fù)載為4Ω和8Ω）的音頻功率放大器。希望它在負(fù)載阻抗為8Ω時(shí)的失真度為15% 。
希望要設(shè)計(jì)的該音頻功率放大器要具有以下特點(diǎn)和功能：
雙通道
有低功耗關(guān)斷模式
有熱關(guān)斷功能，有效的進(jìn)行溫度保護(hù)
有電子管保護(hù)功能，有效的對(duì)電子管進(jìn)行保護(hù)
有液晶顯示功能，實(shí)時(shí)顯示信號(hào)電壓和溫度
有自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)功能
外圍器件少
1.5 設(shè)計(jì)任務(wù)與難點(diǎn)
智能功率放大器設(shè)計(jì)的任務(wù)之一就是電子管功率放大器電路的設(shè)計(jì)，由于電子管功率放大器在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)較少，關(guān)于電子管功率放大器知識(shí)的參考資料極為缺乏。這為電子管功率放大器電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。
另外，在設(shè)計(jì)一種音頻放大器時(shí)，不免遇到功率放大器與音箱的配接問(wèn)題。要考慮音頻放大器與音箱配接的要素：功率匹配、功率儲(chǔ)備量匹配、阻抗匹配和阻尼系數(shù)的匹配。只有在配接時(shí)做到這幾方面，才可使所用器材的性能得到充分的、最大的發(fā)揮。這都是本次設(shè)計(jì)中會(huì)遇到的難題。
其二就是智能控制方面，主要有以下幾方面問(wèn)題要解決：
音頻信號(hào)的采集
在對(duì)音頻信號(hào)的采集過(guò)程中，因有燥聲的干擾，因此對(duì)信號(hào)采集的精度要求較高，在本課題中將要采用10位A/D進(jìn)行采集。其分辨率為0.98%。因此控制核心將采用具有A/D轉(zhuǎn)換功能的凌陽(yáng)SPCE061A的單片機(jī)。
音頻信號(hào)起始點(diǎn)判別
因系統(tǒng)設(shè)計(jì)要具有自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)功能，即有信號(hào)來(lái)就開(kāi)機(jī)，無(wú)信號(hào)來(lái)就關(guān)機(jī)。在信
號(hào)的采集過(guò)程中有噪音的干擾，怎樣準(zhǔn)確的判斷出采集到的是音頻信號(hào)將是要解決的問(wèn)題。
溫度采集
本次設(shè)計(jì)將采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器。DS18B20具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用接口少等優(yōu)點(diǎn)，但較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此其讀寫(xiě)時(shí)序控制就成為溫度采集的難點(diǎn)。
液晶顯示
根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)的需要，將采用16×2的字符型液晶模塊。怎樣進(jìn)行液晶驅(qū)動(dòng)、音
頻信號(hào)峰-峰值、采集溫度值的顯示將是液晶顯示中要遇到的難點(diǎn)。
還有，怎樣給電子管陽(yáng)極高壓直流供電進(jìn)行電子濾波，怎樣對(duì)電子管保護(hù)功能中的簾柵極電流進(jìn)行檢測(cè)，A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的數(shù)字濾波等等問(wèn)題，以及怎樣實(shí)現(xiàn)數(shù)—模混合電路的設(shè)計(jì)都將是本次設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

第2章 整體方案設(shè)計(jì)
智能FU7膽功率放大器主要是利用電子管FU7的特性、以凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)為控制核心進(jìn)行工作的新型產(chǎn)品。
在設(shè)計(jì)電子管功率放大器放大電路的過(guò)程中，要考慮系統(tǒng)的高溫等外界條件的影響，稍不注意就會(huì)燒壞價(jià)格昂貴的功率放大器電路中的元件，使整個(gè)音頻系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，因此，除要進(jìn)行周密的散熱設(shè)計(jì)外，還要為功率放大器設(shè)計(jì)附加的溫度保護(hù)電路，
電子管功率放大器發(fā)設(shè)計(jì)師都知道，一些功率電子管的價(jià)格是很昂貴的，在使用中，由于電子管陽(yáng)極電線脫焊、斷線等原因，都容易造成電子管的燒毀。因此在陽(yáng)極的斷電保護(hù)也將是本電路考慮的內(nèi)容。
為降低非工作狀態(tài)下無(wú)用的功率消耗，該電路具有智能開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到有音樂(lè)信號(hào)時(shí)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，當(dāng)控制系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)信號(hào)。將進(jìn)行自動(dòng)關(guān)機(jī)。從而有效地實(shí)現(xiàn)了只能化控制，也減小了功率損耗。此外，電路還包括一些具有其它控制功能的電路。
現(xiàn)市場(chǎng)上的電子管功率放大器設(shè)計(jì)都是按傳設(shè)計(jì)的。這個(gè)課題設(shè)計(jì)，將是一個(gè)大膽的創(chuàng)新，智能化控制，也是將來(lái)社會(huì)所必須的。
綜上所述，電子管功率放大器放大電路主要由功率放大電路，外圍控制電路（開(kāi)關(guān)控制電路、溫度保護(hù)控制電路，陽(yáng)極斷線保護(hù)電路、液晶顯示電路等）組成。其中的功率放大電路是模擬電路，而外圍控制電路是數(shù)字電路。因此，該電路的設(shè)計(jì)是數(shù)字一模擬混合電路的設(shè)計(jì)。
其基本單元和功能框圖如圖2-1所示。


圖2-1 系統(tǒng)功能原理第3章 硬件模塊設(shè)計(jì)
3.1 音頻功率放大電路設(shè)計(jì)
3.1.1音頻功率放大器的確定
功率放大器是一種能給出相對(duì)來(lái)說(shuō)較大電流或電壓的放大器，廣泛的應(yīng)用于音頻統(tǒng)，音頻功率放大器在生活中有著廣泛的應(yīng)用，而且越來(lái)越重要，它提升了我們的生活質(zhì)量，已經(jīng)變得與我們的生活息息相關(guān)。目前，音頻功率放大器仍以模擬功放為主流產(chǎn)品。產(chǎn)品其分類及優(yōu)缺點(diǎn)如下：
電子管音頻功放
由于它的轉(zhuǎn)換速率高(影響高音品質(zhì)的參數(shù))，工作可靠，偶次諧波失真小(聽(tīng)覺(jué)對(duì)偶次諧波失真特別敏感)，音質(zhì)好等因素，一直被人們寵愛(ài)，但缺點(diǎn)是電源利用率極低，電子管A類放大的效率不到10%，C類為15%一17%，大部分電能變?yōu)闊崃亢纳⒌簟?br>晶體管音頻功放
功放的最大優(yōu)點(diǎn)是電源轉(zhuǎn)換效率高(C類功放最大可達(dá)55)4，體積小，重量輕，發(fā)熱量不大，生產(chǎn)成本低，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，偶次諧波失真較大，音質(zhì)和可靠性指標(biāo)都遜色于電子管功放。晶體管功放的優(yōu)點(diǎn)，它的失真低于萬(wàn)分之一，但其音質(zhì)總不如電子管功那么逼真，細(xì)膩。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開(kāi)關(guān)速率很快;晶體管是一種電流控制器件，需有較大的控制電流，轉(zhuǎn)換速率較慢，這是最基本的差別。
MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管音頻功放
MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有晶體管的基本優(yōu)點(diǎn)，但使用不久發(fā)現(xiàn)這種功放的可靠性不高(無(wú)法外電路保護(hù))，開(kāi)關(guān)速度提高得不多和最大輸出功率僅為150W/8。等。第3代MOSFET功放的中頻和高頻音質(zhì)接近電子管功放，但低頻的柔和度比晶體管功放要差一些，此外MOSFET開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管也很容易被輸出和輸入過(guò)載損壞。
數(shù)字音頻功放
意大利POWERSOFT公司推出了數(shù)字功放的商業(yè)產(chǎn)品，從此第4代音頻功率放大器，數(shù)字功放進(jìn)入了工程應(yīng)用，并獲得了世界同行的認(rèn)可，市場(chǎng)日益擴(kuò)大，最終將替代各類模擬功放。但是目前數(shù)字音頻功放發(fā)展還不成熟，短期內(nèi)還不可能取代模擬音頻功放的市場(chǎng)。
綜合以上敘述，考慮到各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在本課題中選用電子管功率放大器作為研究對(duì)象。
3.1.3 A類單端電子管功率放大器前級(jí)電壓放大電路的設(shè)計(jì)
電壓放大