EMVs/AudioAmp/de/specifications

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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 - Konverters zu einem digitalen Schaltkreis übertragen. Dieser Schaltkreis modelliert dieses Signal als 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 des Mittelwerts 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. Der Spitzen-Spitzen Strom der resultierenden Oszillation sollte kleiner als 150mA (pp) 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 Bits 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.

Digitaler Schaltkreis

Der A/D Wandler kriegt zwei Eingangssignale (Rechts und Links) mit einer Amplitude von 0.5V. Das digitale Audiosignal wird mittels eines I2s Streams an den digitalen Schaltkreis (FPGA) übertragen.

Audioamp PWM.svg

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

Das resultierende Signal wird als PWM moduliert und an den digitalen Verstärker angelegt. Eine zweites PWM-Signal mit fixer Pulsweite wird generiert um den DC/DC Konverter (Step-Up) anzutreiben.

Verstärker

L'amplificateur de puissance est de type classe D. Il est principalement constitué de deux transistors de puissance entre les bornes de l'alimentation et la sortie. Dans un premier temps, la deuxième branche du pont en H est remplacée par un diviseur capacitif.

Audioamp amplifier.svg

Des suiveurs sont utilisé pour adapter les niveaux de tension des signaux numériques à ceux des commandes des transistors de puissance.

Le signal est haché. Il nécessite un filtre passe-bas avant d'être transmis à l'haut-parleur.

Filtre passe-bas

Le circuit qui filtre le signal de l'amplificateur est un filtre passif LC.

Audioamp filter.svg

La bobine a une inductance fixe. Sur le circuit imprimé, un jeu de picots permet de choisir la valeur de la capacité.

Convertisseur DC/DC

Le convertisseur DC/DC est de type élévateur de tension. Il est aussi réalisé à l'aide de deux transistors de puissance. La tension de 12 V simulant une batterie est dirigée soit vers la masse soit vers la tension de sortie.

Audioamp step-up.svg

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.

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