基于PWM的數字功率放大實驗系統設計與實現

李兆璽 , 黃國勇 , 高 威, 陳 黎

(1. 吉林大學 通信工程學院, 吉林 長春 130021；2. 吉林大學 實驗與設備管理處, 吉林 長春 130021)

脈沖調制型數字功率放大器具有損耗小、效率高的特點，與傳統的模擬音頻功放相比,輸出功率理論上可接近100%,因此,脈沖調制型數字功放的芯片已廣泛應用于各種便攜式電子終端產品中[1-3]。為了將這一熱點技術引入到本科創新實驗教學中,并考慮本科生專業技術知識的掌握情況,應用“模擬電子技術”中的基礎電路，設計實現了基于PWM的數字功放實驗系統,該系統涵蓋了“模擬電子技術”課程中的運放比較器、積分器、H橋驅動、LC濾波、整型等內容[4-5],具備較強的綜合性。系統的模塊化設計思想使學生能觀察信號波形變化情況,易于學生理解脈寬調制的實現原理。此外,學生可以自行設計替換各模塊,逐級改進提升系統性能,進而提高學生的科研創新能力[6-10]。該系統已設計制作了基于PWM的數字功放綜合模擬實驗箱。實踐表明,該實驗在提高學生專業知識綜合運用能力,以及科研創新能力方面卓有成效。

1 實驗系統設計

1.1 實驗系統整體方案

本實驗系統的設計采取模塊化方式,各模塊間設置測試點,通過觀察分析各個模塊節點的波形理解脈寬調制的原理以及功率放大的過程。為方便學生應用示波器觀察波形,輸入端設計了模擬波形輸入。為了使實驗現象更直觀,增加了語音輸入端,可以通過揚聲器收聽放大后的語音信號,根據語音信號的還原效果,調整實驗模塊參數。另外,各模塊的設計具有擴展性和開放性,可自行設計替換。其系統的整體設計框圖見圖1。

圖1 基于PWM數字功率放大實驗系統總體設計框圖

根據調制模式不同，脈寬調制可分為雙極性模式和單極性模式[11]，本文采取單極性模式,其原理圖如圖2所示。由圖2可知,單極性PWM信號由輸入周期信號與頂部齊零的三角波經過比較器得到,三角波的頂部鉗位不佳將直接導致PWM信號的失真。為此,在電路中設計了三角波鉗位電路。輸入端的輸入模擬波形以及反向波形分別進入比較器與三角波比較產生脈寬調制波形。脈寬調制信號經過H橋驅動電路,放大電路,以及LC濾波電路完成功率放大[12-13]。

圖2 單極性模式PWM信號產生原理圖

1.2 主要功能模塊設計

1.2.1 三角波鉗位電路

如圖2所示,PWM信號由輸入周期信號和頂部齊零三角波(鉗位三角波)經比較器得到。設對稱三角波為Ui(t)=Aejφ(ω t),B為疊加在對稱三角波中的直流,則鉗位信號可以表示為

Uo(t)=B+Aejφ(ω t)

(1)

圖3 三角波鉗位電路

圖4 Ud信號波形

1.2.2 PWM放大電路

PWM放大電路由H橋驅動電路、脈沖放大電路以及LC濾波構成，如圖5所示。放大電路由2片IR2110,4片MOSFET管構成的H橋驅動完成。當輸入信號在正半軸區間,Q1和Q4導通；當輸入信號在負半軸區間,Q2和Q3導通,C16和C17是自舉電容,D2和D3是自舉恢復二極管,防止到時高壓串入Vcc端損壞芯片。正半軸PWM信號送入IR2110(U7)的14腳,負半軸PWM信號送入U712腳。雙極性PWM信號U1-U2由U7的13腳送入。正負半軸信號IR2110驅動H橋PWM信號交替輸出,再經過LC濾波,得到輸出信號。

圖5 PWM 放大電路

2 測試分析

試制了20臺實驗箱，供學生創新實驗使用。重要節點的波形見圖6。圖6(a)為對稱三角波和鉗位三角波,可以看出鉗位電路通過反饋有效地將對稱三角波轉化為頂部齊零的鉗位三角波。圖6(b)和(c)分別為正弦波與三角波波形的比較。圖6(d)為PWM調制信號波形,可以看出與(b)(c)圖的對應關系。同時,通過手機語音信號輸入,輸出端接揚聲器,可以由收聽到的聲音信號效果驗證有效性。

圖6 測試波形圖

3 結語

模塊化的設計思想使PWM調制放大的復雜過程變得直觀、簡單、易懂。實驗中涵蓋了模擬電子技術中的基本內容,實現了模擬電子技術綜合實驗的全面化、系統化和創新性的設計目標。實驗系統具有一定的通用性和擴展性,學生可自行設計優化各模塊,加深了學生對知識點的理解,提高了學生的創新能力。