基于DPPC2006的數(shù)字音頻功率放大器
[導(dǎo)讀]采用直接數(shù)字放大技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于DPPC2006的數(shù)字音頻功率放大器，該系統(tǒng)采用高速VMOSFET構(gòu)成H橋互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)，控制功能由AT89S51實(shí)現(xiàn).
摘要：采用直接數(shù)字放大技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于DPPC2006的數(shù)字音頻功率放大器，該系統(tǒng)采用高速VMOSFET構(gòu)成H橋互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)，控制功能由AT89S51實(shí)現(xiàn).測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)最大不失真輸出率大于6W，平均效率可達(dá)73.24%，性價(jià)比較高。
關(guān)鍵詞：數(shù)字功放；DPPC2006；PWM；AT89S51
引言
隨著電子產(chǎn)品的數(shù)字化進(jìn)程不斷演進(jìn)，音響設(shè)備(尤其是其中的關(guān)鍵產(chǎn)品功率放大器)的數(shù)字化也提上了日程。目前市場上很多功放產(chǎn)品都打出了“數(shù)字”的旗號，但其中有很多只是對產(chǎn)品進(jìn)行了一些數(shù)字化處理，嚴(yán)格意義上只能稱作數(shù)字化功放，真正的音頻信號還是模擬的.數(shù)字功放是指在信號的處理過程中采用的是數(shù)字音頻信號，用開關(guān)的方式放大信號.數(shù)字功放最大的特點(diǎn)是效率高，對電源及散熱的要求大大降低，此外還有輸出功率大、頻響寬、體積小、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)了一款采用直接數(shù)字放大技術(shù)，通過專用音頻信號處理芯片DPPC2006處理，再經(jīng)由高速VMOSFET組成的H橋互補(bǔ)對稱電路放大的純數(shù)字功放。
電路構(gòu)成
本方案由前、后級構(gòu)成，前級由DPPC2006處理輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成PWM波輸出，后級由高速VMOSFET組成的H橋互補(bǔ)對稱放大電路及低通濾波器組成.同時(shí)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)CS5333實(shí)現(xiàn)對模擬信號的兼容，由單片機(jī)AT89S51完成音量調(diào)節(jié)、顯示、聲道、靜音等控制功能.整機(jī)組成見圖1。
圖1 基于DPPC2006的數(shù)字音頻功率
芯片工作原理
數(shù)字功放處理芯片DPPC2006是具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的Hi-Fi級全數(shù)字6通道音頻功放編碼處理芯片。該芯片具有6通道全數(shù)字(PCM)輸入和獨(dú)立脈寬編碼(PWM)輸出;每聲道音量可獨(dú)立調(diào)整，124級增減可調(diào);352.8kHz或384kHz高速開關(guān)頻率;支持24bit多脈寬脈沖差值編碼、噪聲整形、平衡電橋等技術(shù);6通道數(shù)據(jù)輸入，采樣率支持32kHz～768kHz;內(nèi)置S/PDIF接收器，采樣率支持44.1kHz～96kHz;內(nèi)置輸入數(shù)據(jù)組選擇電路;供電+3V～+5.5V;封裝形式為QFP100A.
主要技術(shù)指標(biāo)
頻率響應(yīng)±0.5dB(20Hz～20kHz);動態(tài)范圍95dB;總諧波失真<0.02%. 該芯片能直接接收CD，DVD等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號，全數(shù)字信號放大處理，單顆IC可以放大6個(gè)聲道，前后級分開，后級采用不同的MOSFET，可實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率.用DPPC2006構(gòu)成的數(shù)字功放電路簡單、功能完善，其輸入可以分別選擇光纖和同軸的數(shù)據(jù)，也可選擇CD，VCD，DVD等產(chǎn)品內(nèi)部的DATA，BCK和LRCK格式的數(shù)據(jù)，還可支持高采樣率的數(shù)據(jù)輸入;沒有數(shù)字信號輸入的地方，外接音頻A/D轉(zhuǎn)換器后也可以輸入DPPC2006供選用，應(yīng)用非常靈活。
模擬信號的兼容
為了與普通的模擬信號兼容，DPPC2006的數(shù)字輸入接口可以接收串行ADC輸出的數(shù)據(jù).只要符合圖2所示格式的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸入即可正常工作(左右對齊由DPPC2006的MO腳配置選擇).本方案中采用CIRRUS公司推出的26bit，96kHz立體聲音頻專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5333。
圖2 串行音頻數(shù)據(jù)格式
后級PWM放大
完整的后級PWM放大由MOS管H橋互補(bǔ)對稱放大電路和低通濾波器(LPF)構(gòu)成，實(shí)際電路如圖3所示(圖中只有一個(gè)通道).圖中R307、C303、L303、C307、C308為EMC元件；L301、L302、C304為濾波電路；R308、C305為音箱匹配電路。
1)H橋放大電路.這里U6為FET的輸入驅(qū)動器，電路中用74HC541或天奧的DB802芯片.選用不同電流的MOSFET，即可得到80W～300W的輸出功率.
圖3 后級PWM放大電路
2)低通濾波器.采用二階LC濾波器，要求濾波器上限頻率≥20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。經(jīng)用EWB仿真軟件進(jìn)行仿真，得到L、C的較佳參數(shù)為L301=L302=22μH，C304=0.47μF。
功能控制
對DPPC2006的控制由51系列單片機(jī)AT89S51實(shí)現(xiàn)，完成對芯片模式設(shè)置、通道選擇、音量控制及顯示等功能的操作。該單片機(jī)帶有ISP(在系統(tǒng)可編程)功能，可以直接通過下載線進(jìn)行在線開發(fā)，使用非常方便.單片機(jī)控制程序流程如圖4所示。
圖4 單片機(jī)控制程序流程圖
波形及測試結(jié)果
1)PWM波形：PWM輸出波形如圖5所示.圖中a)為未調(diào)制的PWM輸出波形，b)，c)為已調(diào)制的PWM輸出波形.從圖5可以看出，輸入信號幅度的變化已變換成輸出脈沖寬度的變化.
2)電源效率.電源效率見表1.由表1可知，平均效率η=(76.8+66.0+76.9+68.8+7717)%/5=73.24%.由測試數(shù)據(jù)可知，與傳統(tǒng)模擬功放相比，數(shù)字功放的效率大大提高，功放的效率和最大不失真輸出功率與理論計(jì)算值還有一定的差別，這是由H橋輸出電路、驅(qū)動電路等存在靜態(tài)損耗引起的，特別是小功率輸出時(shí)影響更為明顯。
圖5 DPPC2006芯片PWM輸出端波形
結(jié)語
本系統(tǒng)以采用直接數(shù)字放大技術(shù)(DDX)的專用數(shù)字音頻信號處理放大芯片DPPC2006為核心，可直接輸入S/PDIF同軸或光纖數(shù)字信號.經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算，將PCM信號轉(zhuǎn)化為PWM信號輸送給高速VMOSFET管構(gòu)成的互補(bǔ)對稱H橋電路放大，輸出放大后的雙通道音頻信號。同時(shí)預(yù)留擴(kuò)展接口，輸入兼容普通模擬信號，輸出可以非常方便地?cái)U(kuò)展到環(huán)繞6聲道。通過使用不同的MOSFET，很容易得到80W～300W的輸出功率，理論上平均效率可達(dá)到90%以上，甚至后級放大管完全不需散熱片。使用單片機(jī)進(jìn)行靈活控制，實(shí)現(xiàn)靜音、數(shù)字音量調(diào)節(jié)、顯示等功能.可以應(yīng)用于DVD機(jī)內(nèi)置功放、汽車功放、高檔桌面組合音響、計(jì)算機(jī)多媒體和各種多通道AV功放設(shè)計(jì)，性價(jià)比極高，具有很廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)字功放；DPPC2006；PWM；AT89S51
引言
隨著電子產(chǎn)品的數(shù)字化進(jìn)程不斷演進(jìn)，音響設(shè)備(尤其是其中的關(guān)鍵產(chǎn)品功率放大器)的數(shù)字化也提上了日程。目前市場上很多功放產(chǎn)品都打出了“數(shù)字”的旗號，但其中有很多只是對產(chǎn)品進(jìn)行了一些數(shù)字化處理，嚴(yán)格意義上只能稱作數(shù)字化功放，真正的音頻信號還是模擬的.數(shù)字功放是指在信號的處理過程中采用的是數(shù)字音頻信號，用開關(guān)的方式放大信號.數(shù)字功放最大的特點(diǎn)是效率高，對電源及散熱的要求大大降低，此外還有輸出功率大、頻響寬、體積小、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)了一款采用直接數(shù)字放大技術(shù)，通過專用音頻信號處理芯片DPPC2006處理，再經(jīng)由高速VMOSFET組成的H橋互補(bǔ)對稱電路放大的純數(shù)字功放。
電路構(gòu)成
本方案由前、后級構(gòu)成，前級由DPPC2006處理輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成PWM波輸出，后級由高速VMOSFET組成的H橋互補(bǔ)對稱放大電路及低通濾波器組成.同時(shí)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)CS5333實(shí)現(xiàn)對模擬信號的兼容，由單片機(jī)AT89S51完成音量調(diào)節(jié)、顯示、聲道、靜音等控制功能.整機(jī)組成見圖1。
圖1 基于DPPC2006的數(shù)字音頻功率
芯片工作原理
數(shù)字功放處理芯片DPPC2006是具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的Hi-Fi級全數(shù)字6通道音頻功放編碼處理芯片。該芯片具有6通道全數(shù)字(PCM)輸入和獨(dú)立脈寬編碼(PWM)輸出;每聲道音量可獨(dú)立調(diào)整，124級增減可調(diào);352.8kHz或384kHz高速開關(guān)頻率;支持24bit多脈寬脈沖差值編碼、噪聲整形、平衡電橋等技術(shù);6通道數(shù)據(jù)輸入，采樣率支持32kHz～768kHz;內(nèi)置S/PDIF接收器，采樣率支持44.1kHz～96kHz;內(nèi)置輸入數(shù)據(jù)組選擇電路;供電+3V～+5.5V;封裝形式為QFP100A.
主要技術(shù)指標(biāo)
頻率響應(yīng)±0.5dB(20Hz～20kHz);動態(tài)范圍95dB;總諧波失真<0.02%. 該芯片能直接接收CD，DVD等數(shù)字音源輸出的同軸或光纖數(shù)字音頻信號，全數(shù)字信號放大處理，單顆IC可以放大6個(gè)聲道，前后級分開，后級采用不同的MOSFET，可實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率.用DPPC2006構(gòu)成的數(shù)字功放電路簡單、功能完善，其輸入可以分別選擇光纖和同軸的數(shù)據(jù)，也可選擇CD，VCD，DVD等產(chǎn)品內(nèi)部的DATA，BCK和LRCK格式的數(shù)據(jù)，還可支持高采樣率的數(shù)據(jù)輸入;沒有數(shù)字信號輸入的地方，外接音頻A/D轉(zhuǎn)換器后也可以輸入DPPC2006供選用，應(yīng)用非常靈活。
模擬信號的兼容
為了與普通的模擬信號兼容，DPPC2006的數(shù)字輸入接口可以接收串行ADC輸出的數(shù)據(jù).只要符合圖2所示格式的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸入即可正常工作(左右對齊由DPPC2006的MO腳配置選擇).本方案中采用CIRRUS公司推出的26bit，96kHz立體聲音頻專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5333。
圖2 串行音頻數(shù)據(jù)格式
后級PWM放大
完整的后級PWM放大由MOS管H橋互補(bǔ)對稱放大電路和低通濾波器(LPF)構(gòu)成，實(shí)際電路如圖3所示(圖中只有一個(gè)通道).圖中R307、C303、L303、C307、C308為EMC元件；L301、L302、C304為濾波電路；R308、C305為音箱匹配電路。
1)H橋放大電路.這里U6為FET的輸入驅(qū)動器，電路中用74HC541或天奧的DB802芯片.選用不同電流的MOSFET，即可得到80W～300W的輸出功率.
圖3 后級PWM放大電路
2)低通濾波器.采用二階LC濾波器，要求濾波器上限頻率≥20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦。經(jīng)用EWB仿真軟件進(jìn)行仿真，得到L、C的較佳參數(shù)為L301=L302=22μH，C304=0.47μF。
功能控制
對DPPC2006的控制由51系列單片機(jī)AT89S51實(shí)現(xiàn)，完成對芯片模式設(shè)置、通道選擇、音量控制及顯示等功能的操作。該單片機(jī)帶有ISP(在系統(tǒng)可編程)功能，可以直接通過下載線進(jìn)行在線開發(fā)，使用非常方便.單片機(jī)控制程序流程如圖4所示。
圖4 單片機(jī)控制程序流程圖
波形及測試結(jié)果
1)PWM波形：PWM輸出波形如圖5所示.圖中a)為未調(diào)制的PWM輸出波形，b)，c)為已調(diào)制的PWM輸出波形.從圖5可以看出，輸入信號幅度的變化已變換成輸出脈沖寬度的變化.
2)電源效率.電源效率見表1.由表1可知，平均效率η=(76.8+66.0+76.9+68.8+7717)%/5=73.24%.由測試數(shù)據(jù)可知，與傳統(tǒng)模擬功放相比，數(shù)字功放的效率大大提高，功放的效率和最大不失真輸出功率與理論計(jì)算值還有一定的差別，這是由H橋輸出電路、驅(qū)動電路等存在靜態(tài)損耗引起的，特別是小功率輸出時(shí)影響更為明顯。
圖5 DPPC2006芯片PWM輸出端波形
結(jié)語
本系統(tǒng)以采用直接數(shù)字放大技術(shù)(DDX)的專用數(shù)字音頻信號處理放大芯片DPPC2006為核心，可直接輸入S/PDIF同軸或光纖數(shù)字信號.經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算，將PCM信號轉(zhuǎn)化為PWM信號輸送給高速VMOSFET管構(gòu)成的互補(bǔ)對稱H橋電路放大，輸出放大后的雙通道音頻信號。同時(shí)預(yù)留擴(kuò)展接口，輸入兼容普通模擬信號，輸出可以非常方便地?cái)U(kuò)展到環(huán)繞6聲道。通過使用不同的MOSFET，很容易得到80W～300W的輸出功率，理論上平均效率可達(dá)到90%以上，甚至后級放大管完全不需散熱片。使用單片機(jī)進(jìn)行靈活控制，實(shí)現(xiàn)靜音、數(shù)字音量調(diào)節(jié)、顯示等功能.可以應(yīng)用于DVD機(jī)內(nèi)置功放、汽車功放、高檔桌面組合音響、計(jì)算機(jī)多媒體和各種多通道AV功放設(shè)計(jì)，性價(jià)比極高，具有很廣闊的應(yīng)用前景。
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