EMVs/AudioAmp/fr/specifications

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Le 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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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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== Gain ==
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La tension d'alimentation pour l'électronique de puissance est de 12 V.
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la tension d'alimentation est élevée à l'aide d'un convertisseur DC/DC de type "step-up".
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La commande du convertisseur se fait par un signal PWM à rapport cyclique fixe.
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La fréquence de commutation du signal PWM est supérieure à 40 kHz, pour ne pas interférer avec le signal audio.
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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 le flux [http://fr.wikipedia.org/wiki/I2S I2S].
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Le circuit numérique reçoit un signal stéréo codé sur 24&nbsp;bits.
Il convertit ce flux en 2 nombres binaires signés, un par canal.
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Il mélange les deux canaux et multiplie le signal résultant par un gain codé sur 8&nbsp;bits.
Ces signaux sont codés sur 24 bits
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Comme il n'y a qu'un haut-parleur, les deux canaux sont mélangés pour fournir un signal mono.
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Pour piloter l'amplificateur audio, le circuit numérique génère deux signaux PWM complémentaires avec un temps mort.
Le signal mono est lui aussi signé et codé sur 24 bits.
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Le temps mort est d'environ 500&nbsp;ns.
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La fréquence de l'horloge est de 66&nbsp;MHz.
  
Le signal mono est multiplié par un gain, qui est un nombre 8 bits non-signé
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L'amplificateur de puissance est suivi par un filtre passe-bas passif LC du deuxième ordre.
provenant de deux boutons rotatifs qui délivrent chacun 4 bits du gain.
+
La fréquence de coupure du filtre est d'environ 9&nbsp;kHz.
Le résultat de la multiplication est divisé par <math>2^8</math>
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L'inductance a une valeur donnée de L&nbsp;=&nbsp;300&nbsp;μH.
de manière à revenir à un nombre signé codé sur 24 bits.
+
  
== Modulation PWM ==
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= Système =
  
La [http://fr.wikipedia.org/wiki/PWM modulation PWM] se fait avec une période la plus proche possible de 100 kHz.
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== Circuits imprimés ==
L'horloge du circuit est à 66 MHz.
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Le signal signé codé sur 24 bits est transformé en un signal non-signé.
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Le système de prototypage se base sur plusieurs circuits imprimés qui réalisent chacun une fonction du système.
Pour cela, il est décalé vers le haut de <math>2^{23}</math>.
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Le signal non-signé est alors divisé par une puissance de 2
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de manière à ce que sa gamme corresponde à celle du compteur en dents de scie du modulateur PWM.
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Le signal PWM est conditionné sous la forme de 2 signaux complémentaires (l'un étant l'inverse de l'autre)
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pour piloter un demi [http://fr.wikipedia.org/wiki/Pont_en_h pont en H].
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Afin d'éviter des court-circuits, les deux commandes doivent être séparées par un temps mort
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d'au moins 0.5 us:
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au moment où l'une des commandes passe à '0', l'autre doit attendre la durée du temps mort avant de commuter à '1'.
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Un deuxième modulateur fournit un rapport cyclique fixe pour le convertisseur DC/DC.
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Sur la carte FPGA, une carte d'adaptation permet de distribuer les signaux PWM à la carte "step-up" et à la carte amplificateur.
Les spécifications de ce modulateur (fréquence, rapport cyclique) sont données dans la partie qui traite du convertisseur DC/DC.
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La carte amplificateur fournit un 12&nbsp;V qui peur servir à alimenter la carte FPGA.
  
== Amplification ==
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== Circuit numérique ==
  
L'amplificateur de puissance est de type [http://fr.wikipedia.org/wiki/Classes_de_fonctionnement_d%27un_amplificateur_%C3%A9lectronique#Classe_D classe D].
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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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Il transmet l'information numérisée à un circuit numérique programmable à travers un flux [http://fr.wikipedia.org/wiki/I2S I2S].
  
Les signaux logiques (entre 0 V et 3.3 V) de PWM sont mis en forme de manière à pouvoir piloter les transistors de puissance du demi [http://fr.wikipedia.org/wiki/Pont_en_h pont en H].
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Ceci se fait à l'aide d'un circuit dédié à ce genre d'applications.
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Le circuit numérique pilote le convertisseur analogique/numérique.
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Il convertit le flux [http://fr.wikipedia.org/wiki/I2S I2S] en 2 nombres binaires signés, un par canal.
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Les deux canaux sont mélangés pour fournir un signal mono.
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Le signal mono est multiplié par un gain pour régler le volume sur le haut-parleur.
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Le signal résultant est modulé en PWM et transmis à l'amplificateur.
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Un autre signal PWM à rapport cyclique fixe est généré pour piloter le convertisseur DC/DC.
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== Amplificateur ==
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L'amplificateur de puissance est de type [http://fr.wikipedia.org/wiki/Classes_de_fonctionnement_d%27un_amplificateur_%C3%A9lectronique#Classe_D classe D].
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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.
 
Dans un premier temps, la deuxième branche du pont en H est remplacée par un diviseur capacitif.
  
Le signal d'alimentation haché par le pont est lissé par un filtre passe-bas passif LC
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avant d'être amenené au haut-parleur.
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La fréquence de coupure de ce filtre est de 9 kHz.
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Des drivers sont utilisés pour adapter les niveaux de tension des signaux numériques à ceux des commandes des transistors de puissance.
L'inductance du circuit LC est de 300 uH.
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Le signal est haché.
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Il nécessite un filtre passe-bas avant d'être transmis au haut-parleur.
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== Filtre passe-bas ==
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Le circuit qui filtre le signal de l'amplificateur est un filtre passif LC.
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La bobine a une inductance fixe. Sur le circuit imprimé, un jeu de picots permet de choisir la valeur de la capacité.
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La fréquence de coupure du filtre est à choisir de manière à conserver une largeur de 20kHz pour le signal audio.
  
== Conversion DC/DC ==
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== Convertisseur DC/DC ==
  
 
Le [http://fr.wikipedia.org/wiki/Alimentation_%C3%A0_d%C3%A9coupage convertisseur DC/DC]
 
Le [http://fr.wikipedia.org/wiki/Alimentation_%C3%A0_d%C3%A9coupage convertisseur DC/DC]
 
est de type [http://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_Boost élévateur de tension].
 
est de type [http://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_Boost élévateur de tension].
Il délivre une tension suffisante pour pouvoir fournir 12 W au le haut-parleur,
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Il est aussi réalisé à l'aide de deux transistors de puissance (élévateur synchrone).
lequel a une impédance de 4 Ohm.
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Il fonctionne avec une fréquence de commutation d'environ 32 kHz,
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de manière à ce que les commutations soient en-dehors de la bande audible.
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Le courant de crête à crête de l'ondulation résultant de la commutation doit être inférieur à 380 mA''pp''.
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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.  
  
 
[[Category:AudioAmp]]
 
[[Category:AudioAmp]]

Latest revision as of 16:47, 29 January 2020

Contents

Présentation

L'amplificateur reçoit un signal audio via une fiche jack. Il est alimenté par une tension de batterie et pilote un haut-parleur.

AudioAmp system.svg

Un signal audio est transmis à un circuit numérique à travers un convertisseur analogique/numérique. Le circuit module ce signal en PWM pour piloter un amplificateur de puissance. L'amplification est de classe D: le circuit de puissance connecte alternativement l'alimentation positive ou la masse sur le haut-parleur, mais avec des durées différentes. La valeur moyenne de la commande PWM correspondra à la tension moyenne sur le haut-parleur. Un filtre de lissage permet d'atténuer fortement les sauts de la commutation entre les deux tensions d'alimentation.

Cahier des charges

La tension d'alimentation pour l'électronique de puissance est de 12 V. Pour assurer une puissance de 12 W dans le haut-parleur, dont la résistance est de 4 Ω, la tension d'alimentation est élevée à l'aide d'un convertisseur DC/DC de type "step-up". La commande du convertisseur se fait par un signal PWM à rapport cyclique fixe. La fréquence de commutation du signal PWM est supérieure à 40 kHz, pour ne pas interférer avec le signal audio. Le courant de crête à crête de l'ondulation résultant de la commutation doit être inférieur à 150 mApp.

Le circuit numérique reçoit un signal stéréo codé sur 24 bits. Il mélange les deux canaux et multiplie le signal résultant par un gain codé sur 8 bits.

Pour piloter l'amplificateur audio, le circuit numérique génère deux signaux PWM complémentaires avec un temps mort. Le temps mort est d'environ 500 ns. La fréquence de l'horloge est de 66 MHz.

L'amplificateur de puissance est suivi par un filtre passe-bas passif LC du deuxième ordre. La fréquence de coupure du filtre est d'environ 9 kHz. L'inductance a une valeur donnée de L = 300 μH.

Système

Circuits imprimés

Le système de prototypage se base sur plusieurs circuits imprimés qui réalisent chacun une fonction du système.

Cabling.svg

Sur la carte FPGA, une carte d'adaptation permet de distribuer les signaux PWM à la carte "step-up" et à la carte amplificateur. La carte amplificateur fournit un 12 V qui peur servir à alimenter la carte FPGA.

Circuit numérique

Le convertisseur A/D reçoit deux tensions analogiques (canaux droite et gauche) d'amplitude maximale de 0.5 V. Il transmet l'information numérisée à un circuit numérique programmable à travers un flux I2S.

Audioamp PWM.svg

Le circuit numérique pilote le convertisseur analogique/numérique. Il convertit le flux I2S en 2 nombres binaires signés, un par canal. Les deux canaux sont mélangés pour fournir un signal mono. Le signal mono est multiplié par un gain pour régler le volume sur le haut-parleur.

Le signal résultant est modulé en PWM et transmis à l'amplificateur. Un autre signal PWM à rapport cyclique fixe est généré pour piloter le convertisseur DC/DC.

Amplificateur

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 drivers sont utilisés 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 au 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.

La fréquence de coupure du filtre est à choisir de manière à conserver une largeur de 20kHz pour le signal audio.

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 (élévateur synchrone).

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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