EMVs/AudioAmp/de/specifications

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Der [[EMVs/AudioAmp|Verstärker]] hat einen [http://de.wikipedia.org/wiki/Klinkenstecker Klinkenstecker]-Eingang um ein Audio-Signal einzuspeisen.
Il est alimenté par une tension de batterie et pilote un haut-parleur.
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Der Verstärker wird mir einer Batterie betrieben und treibt einen Lautsprecher an.
  
 
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Un signal audio est transmis à un circuit numérique à travers un convertisseur analogique/numérique.
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Ein Audiosignal wird über einen Analog zu Digital - Konverter zu einem digitalen Schaltkreis übertragen.  
Le circuit module ce signal en PWM pour piloter un amplificateur de puissance.
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Dieser Schaltkreis modelliert dieses Signal als Pulsweitenmodulation (PWM) um einen digitalen Verstärker anzutreiben.
L'amplification est de classe D: le circuit de puissance connecte alternativement l'alimentation positive ou la masse sur le haut-parleur,
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Diese Art Verstärker nennt man Class D Verstärker: Die Endstufe schaltet nur entweder die Speisespannung oder die Masse an den Lautsprecher, dies aber mit unterschiedlichen Längen.
mais avec des durées différentes.
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Der Mittelwert des PWM Steuersignals entspricht dem Mittelwert der Spannung am Lautsprecher.
La valeur moyenne de la commande PWM correspondra à la tension moyenne sur le haut-parleur.
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Ein Ausgangsfilter glättet das Ausgangssignal und vermindert so, dass das Hin- und Herspringen zwischen Speisespannung und Masse hörbar wird.
Un filtre de lissage permet d'atténuer fortement les sauts de la commutation entre les deux tensions d'alimentation.
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= Cahier des charges =
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= Pflichtenheft =
  
La tension d'alimentation pour l'électronique de puissance est de 12 V.
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Die Speisespannung für die Leistungselektronik beträgt 12V.
Pour assurer une puissance de 12 W dans le haut-parleur, dont la résistance est de 4 Ω,
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Um eine Sinusleistung von 12W an einem Lautsprecher mit 4Ω Widerstand zu erreichen, muss die Eingangsspannung mittels eines "Step-Up" Aufwärtssteller (DC/DC Wandler) angehoben werden.
la tension d'alimentation est élevée à l'aide d'un convertisseur DC/DC de type "step-up".
+
Dieser Aufwärtsteller wird mittels eines PWM Signals mit konstanter Frequenz gesteuert.
La commande du convertisseur se fait par un signal PWM à rapport cyclique fixe.
+
Um keine hörbaren Störungen im Audio-Verstärker zu verursachen, liegt die Frequenz dieses PWM Signals um 32kHz (Hörschwellen: Kind ~20kHz, Greis ~5kHz).
La fréquence de commutation du signal PWM est d'environ 32 kHz, pour ne pas interférer avec le signal audio.
+
Der Spitzen-Spitzen (Peak-to-peak, pp) Strom der resultierenden Oszillation sollte kleiner als 150mA sein.
Le courant de crête à crête de l'ondulation résultant de la commutation doit être inférieur à 150&nbsp;mA<sub><i>pp</i></sub>.
+
  
Le circuit numérique reçoit un signal stéréo codé sur 24&nbsp;bits.
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Der Schaltkreis verarbeitet ein Stereo-Signal mit 24 Bits Auflösung.  
Il mélange les deux canaux et multiplie le signal résultant par un gain codé sur 8&nbsp;bits.
+
Er mischt die beiden Stereo-Kanäle und multipliziert das entstandene Signal mit einem 8 Bit grossen Verstärkungsfaktor.
  
Pour piloter l'amplificateur audio, le circuit numérique génère deux signaux PWM à complémentaires avec un temps mort.
+
Um die Audioendstufe anzutreiben generiert der digitale Schaltkreis zwei entgegengesetzte PWM Signale mit einer Totzeit.
Le temps mort est d'environ 500&nbsp;ns.
+
Diese Totzeit beträgt in etwa 500ns.
La fréquence de commutation du signal PWM est la plus proche possible de 100&nbsp;kHz.
+
Die Schaltfrequenz des Audio-PWM Signals ist so nahe wie möglich an 100kHz.
La fréquence de l'horloge est de 66&nbsp;MHz.
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Die Betriebsfrequenz der digitalen Schaltung beträgt 66MHz.
  
L'amplificateur de puissance est suivi par un filtre passe-bas passif LC du deuxième ordre.
+
Auf die Endstufe folgt ein LC-Tiefpassfilter zweiter Ordnung.
La fréquence de coupure du filtre est d'environ 9&nbsp;kHz.
+
Die Grenzfrequenz des Filters beträgt in etwa 9kHz.
L'inductance a une valeur donnée de L&nbsp;=&nbsp;300&nbsp;μH.
+
Die verwendete Spule hat eine gegebene Grösse von 100µH.
  
= Circuit numérique =
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= Leiterplatten =
  
Le [http://wiki.hevs.ch/uit/index.php5/Hardware/Parallelport/Audio_ADC_DAC convertisseur A/D] reçoit deux tensions analogiques (canaux droite et gauche) d'[http://fr.wikipedia.org/wiki/Niveau_(audio) amplitude maximale] de 0.5 V.
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Das Prototyping-System besteht aus mehreren Leiterplatten, welche jede eine Funktion des Systems ausführt.
Il transmet l'information numérisée à un circuit numérique programmable à travers un flux [http://fr.wikipedia.org/wiki/I2S I2S].
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Eine Adapterkarte auf der FPGA-EBS-Karte leitet die PWM-Signale an die step-up-Karte und an die amplifier-Karte. Die amplifier-Karte wiederum liefert eine Spannung von 12&nbsp;V um die FPGA-EBS-Karte zu speisen.
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= Digitaler Schaltkreis =
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Der [http://wiki.hevs.ch/uit/index.php5/Hardware/Parallelport/Audio_ADC_DAC A/D Wandler] bekommt zwei Eingangssignale (Rechts und Links) mit einer [https://de.wikipedia.org/wiki/Amplitude Amplitude] von 0.5V.
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Das digitale Audiosignal wird über eine [https://de.wikipedia.org/wiki/I²S I²S]-Schnittstelle an den digitalen Schaltkreis (Field-Programmable Gate Array, FPGA) übertragen.
  
 
[[File:Audioamp_PWM.svg|center|700px]]
 
[[File:Audioamp_PWM.svg|center|700px]]
  
Le circuit numérique pilote un convertisseur analogique/numérique et reçoit un flux [http://fr.wikipedia.org/wiki/I2S I2S].
+
Der digitale Schaltkreis steuert einen  A/D-Wandler und erhält das digitale Audiosignal über eine I²S-Schnittstelle.
Il convertit ce flux en 2 nombres binaires signés, un par canal.
+
Dieses Signal wird in 2 digitale Nummern konvertiert, je eine pro Kanal.
Les deux canaux sont mélangés pour fournir un signal mono.
+
Diese zwei Stereokanäle (Nummern) werden zu einem einzigen Mono-Signal zusammengemischt.
Le signal mono est multiplié par un gain pour régler le volume sur le haut-parleur.
+
Das Mono-Signal wird mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert um die Lautstärke zu steuern.
  
Le signal résultant est modulé en PWM et transmis à l'amplificateur.
+
Das resultierende Signal wird PWM moduliert und zum digitalen Verstärker übertragen.
Un autre signal PWM à rapport cyclique fixe est généré pour piloter le convertisseur DC/DC.
+
Ein zweites PWM-Signal mit fixer Pulsweite wird generiert um den DC/DC Konverter (Step-Up) zu betreiben.
  
= Amplificateur =
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= Verstärker =
  
L'amplificateur de puissance est de type [http://fr.wikipedia.org/wiki/Classes_de_fonctionnement_d%27un_amplificateur_%C3%A9lectronique#Classe_D classe D].
+
Der [https://de.wikipedia.org/wiki/Klasse-D-Verstärker Klasse-D-Verstärker] besteht hauptsächlich aus zwei Leistungstransistoren zwischen den Speisungsanschlüssen und dem Ausgang.
Il est principalement constitué de deux transistors de puissance entre les bornes de l'alimentation et la sortie.
+
Zunächst wird der zweite Pfeiler der H-Brücke durch einen kapazitiven Teiler ersetzt.
Dans un premier temps, la deuxième branche du pont en H est remplacée par un diviseur capacitif.
+
  
 
[[File:Audioamp_amplifier.svg|center|500px]]
 
[[File:Audioamp_amplifier.svg|center|500px]]
  
Des suiveurs sont utilisé pour adapter les niveaux de tension des signaux numériques à ceux des commandes des transistors de puissance.
+
Treiber werden verwendet, um die Spannungspegel der digitalen Signale denen der Befehlssignale der Leistungstransistoren anzupassen.
  
Le signal est haché.
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Das Signal wird gehackt. Dies erfordert einen Tiefpassfilter vor dem Lautsprecher.
Il nécessite un filtre passe-bas avant d'être transmis à l'haut-parleur.
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= Filtre passe-bas =
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= Tiefpassfilter =
  
Le circuit qui filtre le signal de l'amplificateur est un filtre passif LC.
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Die Schaltung, die das Verstärkersignal filtert ist ein passives LC-Filter.
  
 
[[File:audioamp_filter.svg|center|600px]]
 
[[File:audioamp_filter.svg|center|600px]]
  
La bobine a une inductance fixe. Sur le circuit imprimé, un jeu de picots permet de choisir la valeur de la capacité.
+
Die Spule hat eine feste Induktivität. Auf der Leiterplatte kann der Wert der Kapazität gewählt werden.
  
= Convertisseur DC/DC =
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= Gleichspannungswandler (DC-DC) =
  
Le [http://fr.wikipedia.org/wiki/Alimentation_%C3%A0_d%C3%A9coupage convertisseur DC/DC]
+
Das [https://www.wikiwand.com/de/Gleichspannungswandler Gleichspannungswandler] ist ein [https://www.wikiwand.com/de/Aufwärtswandler Aufwärtswandler].
est de type [http://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_Boost élévateur de tension].
+
Er wird auch durch zwei Leistungstransistoren realisiert (synchroner Wandler).
Il est aussi réalisé à l'aide de deux transistors de puissance.
+
La tension de 12&nbsp;V simulant une batterie est dirigée soit vers la masse soit vers la tension de sortie.
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[[File:audioamp_step-up.svg|center|700px]]
 
[[File:audioamp_step-up.svg|center|700px]]
  
L'électronique de commande des transistors de puissance est la même que celle de l'amplificateur. Toutefois, une électronique assure le non-recouvrement des commandes des deux transistors de puissance.  
+
Die Steuerelektronik der Leistungstransistoren ist dieselbe wie beim Verstärkers. Zur Sicherheit sorgt eine elektronische Schaltung dafür, dass sich die beiden Befehlssignale der Leistungstransistoren niemals überschneiden.
  
 
[[Category:AudioAmp]]
 
[[Category:AudioAmp]]

Latest revision as of 10:48, 25 January 2017

Contents

Einführung

Der Verstärker hat einen Klinkenstecker-Eingang um ein Audio-Signal einzuspeisen. Der Verstärker wird mir einer Batterie betrieben und treibt einen Lautsprecher an.

AudioAmp system.svg

Ein Audiosignal wird über einen Analog zu Digital - Konverter zu einem digitalen Schaltkreis übertragen. Dieser Schaltkreis modelliert dieses Signal als Pulsweitenmodulation (PWM) um einen digitalen Verstärker anzutreiben. Diese Art Verstärker nennt man Class D Verstärker: Die Endstufe schaltet nur entweder die Speisespannung oder die Masse an den Lautsprecher, dies aber mit unterschiedlichen Längen. Der Mittelwert des PWM Steuersignals entspricht dem Mittelwert der Spannung am Lautsprecher. Ein Ausgangsfilter glättet das Ausgangssignal und vermindert so, dass das Hin- und Herspringen zwischen Speisespannung und Masse hörbar wird.

Pflichtenheft

Die Speisespannung für die Leistungselektronik beträgt 12V. Um eine Sinusleistung von 12W an einem Lautsprecher mit 4Ω Widerstand zu erreichen, muss die Eingangsspannung mittels eines "Step-Up" Aufwärtssteller (DC/DC Wandler) angehoben werden. Dieser Aufwärtsteller wird mittels eines PWM Signals mit konstanter Frequenz gesteuert. Um keine hörbaren Störungen im Audio-Verstärker zu verursachen, liegt die Frequenz dieses PWM Signals um 32kHz (Hörschwellen: Kind ~20kHz, Greis ~5kHz). Der Spitzen-Spitzen (Peak-to-peak, pp) Strom der resultierenden Oszillation sollte kleiner als 150mA sein.

Der Schaltkreis verarbeitet ein Stereo-Signal mit 24 Bits Auflösung. Er mischt die beiden Stereo-Kanäle und multipliziert das entstandene Signal mit einem 8 Bit grossen Verstärkungsfaktor.

Um die Audioendstufe anzutreiben generiert der digitale Schaltkreis zwei entgegengesetzte PWM Signale mit einer Totzeit. Diese Totzeit beträgt in etwa 500ns. Die Schaltfrequenz des Audio-PWM Signals ist so nahe wie möglich an 100kHz. Die Betriebsfrequenz der digitalen Schaltung beträgt 66MHz.

Auf die Endstufe folgt ein LC-Tiefpassfilter zweiter Ordnung. Die Grenzfrequenz des Filters beträgt in etwa 9kHz. Die verwendete Spule hat eine gegebene Grösse von 100µH.

Leiterplatten

Das Prototyping-System besteht aus mehreren Leiterplatten, welche jede eine Funktion des Systems ausführt.

Cabling.svg

Eine Adapterkarte auf der FPGA-EBS-Karte leitet die PWM-Signale an die step-up-Karte und an die amplifier-Karte. Die amplifier-Karte wiederum liefert eine Spannung von 12 V um die FPGA-EBS-Karte zu speisen.

Digitaler Schaltkreis

Der A/D Wandler bekommt zwei Eingangssignale (Rechts und Links) mit einer Amplitude von 0.5V. Das digitale Audiosignal wird über eine I²S-Schnittstelle an den digitalen Schaltkreis (Field-Programmable Gate Array, FPGA) übertragen.

Audioamp PWM.svg

Der digitale Schaltkreis steuert einen A/D-Wandler und erhält das digitale Audiosignal über eine I²S-Schnittstelle. Dieses Signal wird in 2 digitale Nummern konvertiert, je eine pro Kanal. Diese zwei Stereokanäle (Nummern) werden zu einem einzigen Mono-Signal zusammengemischt. Das Mono-Signal wird mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert um die Lautstärke zu steuern.

Das resultierende Signal wird PWM moduliert und zum digitalen Verstärker übertragen. Ein zweites PWM-Signal mit fixer Pulsweite wird generiert um den DC/DC Konverter (Step-Up) zu betreiben.

Verstärker

Der Klasse-D-Verstärker besteht hauptsächlich aus zwei Leistungstransistoren zwischen den Speisungsanschlüssen und dem Ausgang. Zunächst wird der zweite Pfeiler der H-Brücke durch einen kapazitiven Teiler ersetzt.

Audioamp amplifier.svg

Treiber werden verwendet, um die Spannungspegel der digitalen Signale denen der Befehlssignale der Leistungstransistoren anzupassen.

Das Signal wird gehackt. Dies erfordert einen Tiefpassfilter vor dem Lautsprecher.

Tiefpassfilter

Die Schaltung, die das Verstärkersignal filtert ist ein passives LC-Filter.

Audioamp filter.svg

Die Spule hat eine feste Induktivität. Auf der Leiterplatte kann der Wert der Kapazität gewählt werden.

Gleichspannungswandler (DC-DC)

Das Gleichspannungswandler ist ein Aufwärtswandler. Er wird auch durch zwei Leistungstransistoren realisiert (synchroner Wandler).

Audioamp step-up.svg

Die Steuerelektronik der Leistungstransistoren ist dieselbe wie beim Verstärkers. Zur Sicherheit sorgt eine elektronische Schaltung dafür, dass sich die beiden Befehlssignale der Leistungstransistoren niemals überschneiden.

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