Fusion器件数字音频处理标准系统及PWM变换电路实现Word格式.docx

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第二届“Actel杯”中国大学生FPGA设计竞赛

摘要

在多媒体技术蓬勃发展的今天，人们对于音频放大器的要求越来越高，包括缩小产品尺寸、减小热量散发、支持音频多通道和高保真等等都已成为评估音频放大器的一些基本要素，如何使音频放大器能够同时达到以上的要求成为设计的关键，在这种情况下D类音频放大器开始受到了人们的重视。

本课题来源于ZLG杯FPGA大学生电子科技竞赛：

基于Fusion器件的数字音频处理系统及PWM变换电路的实现。

其研发在于应用Fusion器件的开发板，设计一种D类功率放大器，并采用Verilog语言设计PWM变换电路。

本课题属于基础理论、算法和产品的研究。

目标是彻底弄清楚∑△调制应用于D类放大器的原理。

在对国外D类数字音频放大器相关的研究情况进行了广泛细致的调研的基础上，对D类音频处理算法进行了认真的研究。

研制了数据接口、数字滤波器、∑△调制器、数字脉宽调制器等模块并将其构成了一个完整的音频处理系统。

论文对D类放大器的原理结构，数字音频算法进行了详尽的阐述，并介绍了电路内部各个模块的功能。

∑△调制器是本课题设计的重点，也是其中的难点，本文从调制器的原理分析入手，详细的介绍了单环多阶调制器的设计与实现，并采用matlab软件对一阶、二阶和三阶调制器进行了仿真，为实践研究提供了有力的理论依据，给出了Verilog源程序。

同时，提出了本设计方案中存在的问题，为了解决H桥式电路开关频率的限制，给出一种新的MASH调制器结构，为今后的研究指明了方向。

关键字：

FusionFPGA，delta-sigma，D类放大器

Abstract

Nowadays,withtherapiddevelopmentofmutimediatechnology,moreandmorerequirementsarebeingputforwardtotheaudioamplifiers,includingreducingthesizesandcaloricemissionofproducts,supportingmulti-channelaudioandHi-Fi.Theitemsabovehavebecomesomeelementsofevaluatingaudioamplifiers.Howtomakeaudioamplifierstoconformtoalltheitemsabove,hasbecomethekeyofdesign.Underthecircumstances,peoplehasstartedtoplaceimportanceonclass-Daudioamplifiers.

Thesubject,DigitalaudioprocessingsystembasedonFusionFPGAdevicesanddesignofPWMtransformcircuits,isfromZLGcupofElectronicScienceandTechnologyUniversityStudentsFPGArace.ThissubjectistoapplyR&

DFusiondevicedevelopmentboardanddesignaClassDpoweramplifier,anddesignPWMConverterbyusingVeriloglanguage,andcompletelyapplydelta-sigmamodulationtoclass-Damplifier.

Afterresearchonsomeinformationfromabroadaboutclass-Ddigitalaudioamplifier,moreresearcharedoneonclass-Daudioprocessingalgorithm.Intheproject,themoduleshavedevelopedwhichincludedatainterface,digitalfilter,sigma-deltamodulator,digitalpulsewidthmodulatorandsoon,andthenputthemtogethertomakeacompleteaudioprocessingsystem.

Theessaynotonlyincludestheprincipleandarchitectureofclass-Damplifier,thedigitalaudioalgorithm,butalsointroducesthefunctionofeachmoduleinthecircuit.ThedesignofΣ△modulatoristhefocusofthisissue,andalsooneofthedifficulties.Thisarticlestartlyanalyzestheprincipleofthemodulator,anddetailedintroducesthedesignandimplementationofsingle-loopmulti-stagemodulator,thensimulatefirstorder、secondorderandthird-ordermodulator，andoffersastrongtheoreticalbasisforthepracticeresearchlater,andshowstheVerilogsourcecode.Atthesametime,theproblemofthedesignisintroduced,inordertosolvetheH-bridgecircuitswitchingfrequencylimitations,andgiveanewstructureoftheMASHmodulatorforthefutureresearch.

Keyword:

FusionFPGA，Sigma-DeltaModulation,D-classAmplifier

1绪论

随着CD、DVD、因特网等数字音源的迅猛发展和普及，急需与之相适应的数字音频功率放大器，随着社会的发展，能源的利用率、环保也渐成为人们所关注的问题，为此，世界上许多半导体厂家和电子器件公司正致力于研发实用、高效、类型各异的数字音频功率放大器。

随着电子技术的发展和元器件制造工艺的进步，数字音频功放重新崛起，由于数字音频功放工作在开关状态，所以具有体积小、重量轻、能源利用效率高、节约能源、输出功率大、发热量小、使用时无需散热等优点。

1.1课题研究背景及来源

数字功放也称为D类放大器（ClassDamplifier），是一种脉冲调制型放大器。

它与传统模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。

传统模拟功放有A类，B类，AB类，C类。

A类功放音质表现相对较好，但效率很低，理论最高值只有25%。

B类功放理论效率最大值为78.5%，但小信号时失真严重，一般实际应用中都略加偏置，成为AB类功放，这么一来效率也有所下降。

高频电路中还会用到C类功放，效率更高，但电路复杂，音质更差，音频放大中一般都不采用。

这几种放大器的共同特点是晶体管都工作在线性放大区中。

它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源与输出之间的一只可变电阻，控制输出，但同时本身也在消耗电能，通常都需要比较大的散热器。

D类放大器的功放管使用快速开关器件，如PowerMosfet。

它工作在开关状态，导通时理论内阻为零，两端没有电压，也就没有功率消耗；

而截止时，内阻为无穷大，电流为零，也不消耗功率。

所以电源的利用率非常高，理论为100%，实际产品也能达到90%以上。

如此高的耗电利用率一方面可大幅减少散热器体积，另一方面延长如MP3播放器等遍携式设备的电池一次充电使用时间，或者采用体积更小、更轻便的电池提供能量。

D类放大器已开始取代传统的高保真放大器，在移动及便携设备中尤其如此。

D类工作模式在1959年就由Baxandall首先提出，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关。

而该脉冲信号一般都是脉宽调制信号（PWM），它的低频部分包含了调制信号的信息。

通过一个低通滤波器以后，可以将调制信号重现。

从60年代起，人们就开始尝试研制D类放大器。

最早是想用真空管来研制开关放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大器的效率，限制了放大器的输出。

在60年代后期，双极型晶体管取代了真空管，此时研制低频高效开关放大器的条件已经成熟。

然而音频开关放大器需要在高频条件下工作，其工作频率至少为20KHz音频频谱的4、5倍。

在这样的高频下，使用双极型晶体管会产生连续的开关损耗，这限制了D类放大器效率的提高。

80年代后期出现了Mos场效应管，它能满足D类放大器对高开关速度和低导通损耗的要求，从此D类放大器开始步入商业市场。

基本的D类放大器的结构如图1-1所示。

模拟输入信号通过一个比较器与三角波（或者锯齿波）进行比较，比较器的输出就是PWM信号。

它被用来控制高速功率开关，使得PWM信号在更高电平上重建，并能为负载（扬声器）提供更大电流。

该PWM信号在经过一个无源模拟低通滤波器以后，会滤除高频载波成分，在扬声器上重现原来的模拟输入信号。

图1.1模拟PWM/D类放大器示意图

然而如今音频领域越来越多地使用数字信源，如CD的PCM编码等等。

因此，D类放大器所面临的挑战就是直接将数字信号转换为PWM信号。

最容易想到的办法就是将PCM信号直接变换为PWM信号。

一般地，可以使用计数器控制输出脉冲的位置和占空比来近似原来的模拟PWM调制。

但是通过频谱分析可知，这样的数字PWM调制方案会引入谐波和非谐波失真，使得带内信号噪音很大。

因此，复杂的数字信号处理技术被引入，来减小噪音的影响，提高信号的SNR、THD等指标。

可是数字PWM调制仍然有一个不容易克服的实际问题。

举例来说，如果要处理一个16bitPCM信号，采样频率是44.1KHz，那么所需要的时钟频率就是44.1×

216=2.8901376（GHz）。

这样高的时钟频率对商业产品来说，是很不实际的。

因此使用PWM调制方法不适合用于高比特数据的转换。

而∑△调制是解决这个问题的一个很好的方案。

∑△调制器（∑△Modulator）也称为SigmaDeltaModulator,或DeltaSigmaModulator，最早源于△调制器（DeltaModulator）。

1946年DeLoriane等人提出△调制，目的在于减少信源编码长度。

随后于1954年Culter首先提出噪声整形（NoiseShaping）的概念。

1962年，Inose等人为了改进△调制器的过载电压幅度随信号频率下降的特性提出了∑△调制器，较好地阐明了噪声整形和过取样（OverSampling）的概念。

Goodman最早明确引入数字滤波概念，提出从△调制器输出信号中通过滤波实现AD转换。

后来Candy等人陆续发表了用∑△调制器和数字滤波器实现ADC和DAC的文章。

进入80年代以