EMVs/AudioAmp/de/specifications

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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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