一种多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器的制作方法

本实用新型属于DSP数字信号处理领域，尤其涉及一种多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器。

背景技术：

功率放大器是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。功率放大器控制着整个系统能否提供良好的音质输出。

声音在电子设备拾取时或在音响设备传送中，由于电子设备自身的原因而导致幅度对频率的响应往往不同，经放大器输出后达不到原来的听觉效果，数字均衡放大器是用来改善音频频率响应的设备。由于价格和技术上的原因，数字幅频均衡功率放大器只是在实验室或高价位的测试仪器中应用。然而，现存的功率放大器没有找到理想的开关元件，难免会产生一部分功率损耗，随着使用时间的增加，损耗就会更大些。现存的功率放大器使用单片机做数字处理速度较慢，且单片机上可加载程序的可移植性较低。

因此，如何能够在减少数字幅频均衡功率放大器的体积的同时，确保其放大性能以及提高处理速度是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供实用数字幅频均衡功率放大器，旨在解决现有技术难以提供高质量高功率的放大信号的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器，包括：前置放大单元、带阻电路单元、数字幅频均衡电路单元和低频功放电路单元；所述前置放大单元的输入端连接输入信号，输出端连接带阻电路单元；所述带阻电路单元连接数字幅频均衡电路单元；所述数字幅频均衡电路单元连接低频功放电路单元；所述低频功放电路单元输出端输出放大信号。

进一步根据本实用新型所述的多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器，所述数字幅频电路单元由显示模块、程序加载控制模块、手控按键检测模块、音频输入输出模块、信号转换模块与数据存储单元构成；所述数字幅频均衡电路采用20Hz～20kHz的音频信号由音频输入输出模块输入，并变换为数字信号，经由信号转换模块进行幅频补偿后，再由其输出变换为数字信号；程序加载控制模块，主要用来负责人机界面，并通过HPI来对转换模块实现动态程序加载以及程序控制；所述显示模块采用LCM显示芯片，所述程序加载控制模块可采用16位单片机MSP430F149，所述手动按键检测模块为键盘，所述音频输入输出模块采用串行音频Codec芯片TLV320AIC23，所述信号转换模块可采用DSP芯片TMS320VC5402，所述数据存储单元采用数据存储器；所述程序加载控制模块的软件部分设计分为DSP数据处理程序和单片机控制程序两部分：DSP部分程序主要负责从缓冲串口接收的数据缓存到内部存储器，然后进行FFT变换、测频、幅频均衡、数字滤波等处理，最后将结果再通过串口发送给AIC23以输出波形数据；单片机程序部分主要包括以下几个程序模块：键盘及菜单显示子程序、AIC23控制子程序、HPI加载控制程序，其中键盘及菜单显示子程序负责键盘扫描并根据键值进行菜单显示及散转处理，AIC23控制子程序负责对AIC23进行上电初始化及参数调节，HPI加载控制程序负责对DSP进行HPI程序加载，并在程序运行中和DSP进行实时通信，以实现对DSP的控制和必要数据的读出。

进一步根据本实用新型所述的多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器，所述带阻电路单元借用Multisim仿真软件，辅助分析带阻网络的幅频特性，分析每个元件对网络特性的影响，以便于接下来的网络制作与调试。

进一步根据本实用新型所述的多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器，所述低频功放电路单元，所述电阻R8一端接地，另一端与电阻R9相接；所述电阻R9的另一端分为两路，一路接电阻R10和电阻R11的一端，另一路接电容C1、C2的正极和电阻R13；电容C1，电解电容C2的负极均接地；电容C3的一端接地，另一端分三路，一路接NE5532P放大器C的管脚8，一路接电阻R13的另一端，最后一路接变阻器R15的一端，R15另一端分三路，一路与绝缘栅场效应管IRFS630A的D级相连，一路接36V电源，最后通过旁路电解电容C7接地；所述电阻R15的另一端分两路，一路接二极管A的正极，一路接绝缘栅场效应管IRFS630A的G级，电解电容C5的正极接IRFS630A的G级；所述绝缘栅场效应管IRFS630A的B极和S极接电阻R16的一端和场效应管IRF9640的B极和S极；电容C5另一极一路接电阻R16，另一路与放大器C的输出端相接；电解电容C8的负极一路与R18的一端相接，另一路输出信号Vo，所述电阻R18的另一端接地；所述电阻R10的另一端接C4的正极与放大器C的正相输入端；所述电阻R11的另一端接放大器C的反相输入端与电阻R14；所述电解电容C4的另一端一路接电阻R12，另一路接上一模块输出的信号；所述电阻R12的另一端分两路，一路接接放大器C的管脚4，另一路接地；所述电阻R14的另一端接电容C8的正极；所述放大器C的输出端一路接LED1，另一路接LED2；所述LED1的正端接二极管IN4007A的负极；所述LED2的负端接二极管IN4007B的正端；所述二极管IN4007B的负端分三路，一路接电阻R17，一路接电容C6的负极，一路接场效应管IRF9640的G极；所述电容C6的正极接放大器C的输出端；所述场效应管IRF9640的D极与地相连；所述电阻R17的另一端与地相连。

进一步根据本实用新型所述的多缓冲隔离的高效率数字幅频均衡功率放大器，所述前置放大电路，电阻R1一端接输入信号Vi，另一端一路接运算放大器A的负输入端，另一路接电阻R3一端；所述电阻R2一端接地，另一端接运算放大器A的正相输入端；所述放大器A电源端接正负12V的电源，输出端接电阻R3的另一端和电阻R4的一端；所述电阻R4的另一端一路接运算放大器B的反相输入端，另一路接电阻R6的一端，所述电阻R5的两端分别接地和运算放大器B的正相输入端，所述运算放大器B的输出端一路接电阻R6的另一端，另一路连接电阻R7后输出整个模块前置放大后的信号。

本实用新型与现在技术相比，其有益效果在于：

1.加入多处的缓冲隔离环节，为了减轻电路调试压力，带阻网络输出和数字均衡输出端均接入由运放构成的缓冲隔离环节，减少了各组成部分之间的相互影响；

2.采用抽取与插值的处理方法，通过改变抽样率适应不同频率的处理要求，在低频信号时，进行4倍抽取，使得实际采样率变为原来的1/4，从而将频率分辨力由40Hz提升为10Hz；

3.采用HPI动态加载程序的方法，上电后，可通过单片机动态加载方法，将程序动态调入DSP执行，因此可装载不同的程序，具有较好的可移植性和灵活性；

附图说明

图1是数字幅频均衡功率放大器总框架图；

图2是数字幅频均衡功率放大器前置放大单元的电路图；

图3是数字幅频均衡功率放大器数字幅频均衡电路单元设计图；

图4是数字幅频均衡功率放大器低频功放电路单元的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

数字幅频均衡功率放大器分为四个模块：前置放大单元、带阻电路单元、数字幅频均衡电路单元、低频功放电路单元。

如图1所示，所述前置放大单元的输入端连接输入信号，输出端连接带阻电路单元；所述带阻电路单元连接数字幅频均衡电路单元；所述数字幅频均衡电路单元连接低频功放电路单元；所述低频功放电路单元输出端输出放大信号。

所述前置放大单元放大输入信号后传输给带阻电路单元，所述带阻电路单元对放大后的信号进行分析处理并将处理后的信号传输给数字幅频均衡电路单元，所述数字幅频均衡电路单元对接受到的信号进行均衡运算和过滤，之后将处理好的信号传输给低频功放电路单元，所述低频功放电路单元对输入的信号进行功率放大并输出。

所述数字幅频电路单元由显示模块、程序加载控制模块、手控按键检测模块、音频输入输出模块、信号转换模块与数据存储单元构成。

如图3所示，所述数字幅频均衡电路连接关系为：所述显示模块连接程序加载控制模块；所述程序加载控制模块连接手动按键检测模块和信号转换模块；所述信号转换模块连接音频输入输出模块和数据存储单元。

所述数字幅频均衡电路采用20Hz～20kHz的音频信号由音频输入输出模块输入，并变换为数字信号，经由信号转换模块进行幅频补偿后，再由其输出变换为数字信号。程序加载控制模块，主要用来负责人机界面，并通过HPI来对转换模块实现动态程序加载以及程序控制。

如图2所示，所述前置放大电路的电路结构：电阻R1一端接输入信号Vi，另一端一路接运算放大器A的负输入端，另一路接电阻R3一端；所述电阻R2一端接地，另一端接运算放大器A的正相输入端；所述放大器A电源端接正负12V的电源，输出端接电阻R3的另一端和电阻R4的一端；所述电阻R4的另一端一路接运算放大器B的反相输入端，另一路接电阻R6的一端，所述电阻R5的两端分别接地和运算放大器B的正相输入端，所述运算放大器B的输出端一路接电阻R6的另一端，另一路连接电阻R7后输出整个模块前置放大后的信号。

所述前置放大电路单元的运算放大器采用集成运放NE5532。NE5532的小信号带宽为10MHz，采用双电源供电。采用两级反相放大方式分解放大倍数压力，第一级放大倍数为5.1倍，第二级放大倍数设置为100倍。使用直流耦合方式，从而保证高、低频的响应特性，。

所述带阻电路单元借用Multisim仿真软件，辅助分析带阻网络的幅频特性，分析每个元件对网络特性的影响，以便于接下来的网络制作与调试。

对于数字幅频均衡电路单元的各个模块：显示模块、程序加载控制模块、手控按键检测模块、音频输入输出模块、信号转换模块与数据存储单元，可采用如下器件：

所述显示模块采用LCM显示芯片；

所述程序加载控制模块可采用16位单片机MSP430F149；

所述手动按键检测模块为键盘；

所述音频输入输出模块采用串行音频Codec芯片TLV320AIC23；

所述信号转换模块可采用DSP芯片TMS320VC5402；

所述数据存储单元采用数据存储器。

所述程序加载控制模块的软件部分设计分为DSP数据处理程序和单片机控制程序两部分：DSP部分程序主要负责从缓冲串口接收的数据缓存到内部存储器，然后进行FFT变换、测频、幅频均衡、数字滤波等处理，最后将结果再通过串口发送给AIC23以输出波形数据；单片机程序部分主要包括以下几个程序模块：键盘及菜单显示子程序、AIC23控制子程序、HPI加载控制程序。其中键盘及菜单显示子程序负责键盘扫描并根据键值进行菜单显示及散转处理。AIC23控制子程序负责对AIC23进行上电初始化及参数调节。HPI加载控制程序负责对DSP进行HPI程序加载，并在程序运行中和DSP进行实时通信，以实现对DSP的控制和必要数据的读出。

如图4所示，低频功放电路单元电路原理如下：所述电阻R8一端接地，另一端与电阻R9相接；所述电阻R9的另一端分为两路，一路接电阻R10和电阻R11的一端，另一路接电容C1、C2的正极和电阻R13；电容C1，电解电容C2的负极均接地；电容C3的一端接地，另一端分三路，一路接NE5532P放大器C的管脚8，一路接电阻R13的另一端，最后一路接变阻器R15的一端，R15另一端分三路，一路与绝缘栅场效应管IRFS630A的D级相连，一路接36V电源，最后通过旁路电解电容C7接地；所述电阻R15的另一端分两路，一路接二极管A的正极，一路接绝缘栅场效应管IRFS630A的G级，电解电容C5的正极接IRFS630A的G级；所述绝缘栅场效应管IRFS630A的B极和S极接电阻R16的一端和场效应管IRF9640的B极和S极；电容C5另一极一路接电阻R16，另一路与放大器C的输出端相接；电解电容C8的负极一路与R18的一端相接，另一路输出信号Vo，所述电阻R18的另一端接地；所述电阻R10的另一端接C4的正极与放大器C的正相输入端；所述电阻R11的另一端接放大器C的反相输入端与电阻R14；所述电解电容C4的另一端一路接电阻R12，另一路接上一模块输出的信号；所述电阻R12的另一端分两路，一路接接放大器C的管脚4，另一路接地；所述电阻R14的另一端接电容C8的正极；所述放大器C的输出端一路接LED1，另一路接LED2；所述LED1的正端接二极管IN4007A的负极；所述LED2的负端接二极管IN4007B的正端；所述二极管IN4007B的负端分三路，一路接电阻R17，一路接电容C6的负极，一路接场效应管IRF9640的G极；所述电容C6的正极接放大器C的输出端；所述场效应管IRF9640的D极与地相连；所述电阻R17的另一端与地相连。

所述功率放大电路采用运算放大器做前置放大，使用分立的场效应管，结构为“前级运放+后级互补MOS管”，配以互补场效应管推挽输出的方法。采用运算放大器以及单电源电路。由于使用单电源，故要求有直流偏置设计，静态时将工作点设置在VDD/2处，选择N沟道场效应管型号为IRFS630A，P沟道场效应管型号为IRF9640，二者参数较接近。由于场效应管需要较高的开启电压，所选器件的开启电压分别为+2V～+4V和－2V～－4V，故通过发光二极管和一个二极管串联的方法为场效应管提供偏置，使其处于微导通状态。

综上，当有音频信号输入时，系统通过前置放大单元将音频信号放大，相继传入带阻电路单元和数字幅度均衡电路单元对信号进行处理滤波，最后传入低频功放电路单元放大信号的功率并输出最终放大的音频信号。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域人员在本实用新型的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴，本实用新型具体的保护范围以权利要求书的记载为准。