D类功率放大器的设计与仿真(4)

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在进行语音及音乐信号的处理时，最先接触到的并且也是最直观的是它的时域 波形。为了获取一段语音信号的时域波形，首先用高保真的传声器将声音信号转变应的电信号，在用A/D转换将其在为数字信号输入计算机中存储起来，最后用绘图仪将其时域波形绘制出来。如图3-4所示是一位男青年说的“欢迎你到盐城来”这段话的语音时域波形。这段话持续时间为四秒，图中的横为时间，纵为语音信号的幅度，由于时间压缩的很紧，单从图3-4还无法分辨出语音信号波形的细节，但

是可以看到语音信号能量的起伏，还可以大致分辨出话语中每一个字(音节)在此波

形中的位置。为了仔细辨识语音波形，可以把时间轴拉宽。图3-5是将图3-4的每个字的语音波形图拆开，并且将其分别在时间轴上拉宽的波形图。

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图3-5语音拉宽波形图

由图中可以看出语音信号具有着很强的“时变特性”和噪声特性，当然在信号 的局部又表现出较强的周期性。

3.2.2语音信号的谱和能量分布

正常人的听音的频率范围在20Hz～20kHz，我们通常把按正弦规律变化的声 音信号称为“纯音”，纯音的频率是单一的。一般把200Hz～300Hz以下的音频信号称为音频信号的低频，把?500?～?3000Hz?称为音频信号的中频，而把4000Hz以上的音频信号称为音频信号的高频。但是语音和音乐信号的信号波形远不象纯音那样平滑，这从上面的波形图可以看到。事实上，正是这些坎坷的波

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形之中包含了语音或音乐想要表达的信息。从频率的角度上来看，这些非不确定信号，是无穷多个不同频率的复合体。如果把各个分量的幅度按照对应的频率由低到高的顺序排列起来，就可以获得该信号的频谱。从频谱图上我们可以看到信号的频率成分、信号的各频率成分之间的相对大小。图?3－6?是小提琴拉音符“1”时的频谱图，从频谱图可以看出音频信号的基波分量的幅值最大，随着谐波次数的增高，信号对应谐波频率分量的幅度不断衰减，直到零。幅度谱纵轴量的平方即功率，所以，可将幅度谱图转换为能量谱图。从谱图的特性来看信号的?90%以上的能量集中在靠近基波的频率段，高、中频所占的能量极少 。

图3-6音乐信号的频谱

总之，对于音乐和语音信号我们需要了解以下几个特点： a.语音和乐音信号都是随机的不确定信号。

b.信号的在某些时间段内表现出较强的周期性，这是与噪声类型的随机信号有 着本质的区别。 c.上、下波形不对称。

d.信号不包含直流分量，即上下波形所包围的面积相等。 e.信号的能量相对集中于信号的低频分量之中。

3.2.3语音和乐音信号的脉宽调制

了解了语音及乐音信号的特点之后，我们就可以选择其脉宽调制的方法和电路。

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从上述研究可以发现，乐音、语音信号与噪声有着截然不同的特点，就是它在局部范围内分别体现出它的周期性，也就是说，如果将这段信号看成周期性信号，则可以将其分解成傅丽叶级数，信号可以看成有无穷项正弦信号的叠加。因而研究正弦信号的脉宽调制(SPWM)及其方法对于研究语音及乐音信号的脉宽调制有着重要的指导意义。

4单元电路设计与仿真

4.1模拟开关式音频功率放大器基本原理

模拟开关式音频功率放大器设计，包含信号的脉宽调制电路设计（包括三角波发 生器的设计、前置放大器的设计）、驱动电路设计、H桥式功率输出电路设计、解调用的低通滤波器设计和电源设计等几个部分。模拟开关式音频功率放大器的工作原理框图如图4-1所示。将音频信号对一线性良好的高频三角波进行调制，既形成PWM(脉冲宽度调制波形。D类音频放大器一般采用异步调制方式,既在调制信号(音频信号)周期发生变化时，高频载波信号周期仍保持不变。这种调制方式的优点是当音频信号频率较低时，PWM波的载波个数成数量级增多，这对抑制高频谐波及减少失真非常有利，而且载波的边频带远离音频信号频率，故不存在载波边频带与基波之间的相互干扰问题。PWM波经倒相后驱动H桥式逆变器，PWM脉冲方波使对角方位的两个功率管轮流地且等间隔地导通与截止，在H桥的输出端电压是一组等幅不等宽的正负对称的脉冲列，脉冲的幅值等于电源电压Vcc。为了得到不失真的音频信号，在H桥的输出端之间加入LC低通滤波器以滤除高频成分，在负载RL两端可得到功率放大的音频信号。

图4-1模拟开关式音频放大器原理图

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D类放大器的性能优劣主要取决于以下几点：

a．三角波(或锯齿波)的频率。根据信号取样定理，脉冲发生器的频率应大于最 高音频的两倍。实际上此频率越高，则调制精度越高。

b．三角波(或锯齿波)的频率稳定度。频率稳定度越高．则调制后的调宽脉冲的 时序误差就越小，使信号的线性失真降低。

c．调制器(比较器)精度。调制器的精度越高，则调制信号的动态范围就大。 d．低通滤波器的性能。低通滤波器的转折频率可设计在20～22kHz，如采用二 阶巴特沃兹滤波器，则衰减斜率为12dB／Oct，这样如脉冲信号频率(即载波频率)为

80kHz，则在输出端对载频的衰减大于40dB。如载波频率取160kHz，使用四阶巴特

沃兹Lc滤波器，则输出端对载频的衰减大于70dB。

e．其它实际应用时，还要考虑D类放大器的射频干扰问题，由于D类放大器为一

强力的振荡器，应对其采取良好而周密的屏蔽措施，防止对周围环境及其它电路造成干扰。

所以电路设计以后，电路能否工作、性能怎么样，有没有达到预定的级数指标， 这一些都需要通过对放大器各个部分的性能进行检测的数据来证明，即需要根据设计的电路图制作出电路来，再经过测试以后得出结论。对电路进行仿真也是一种全面考察电路性能的好方法，与实际电路制作相比，仿真有它的优点：首先，取代了人工解析分析，减轻设计的劳动强度和重复性劳动。其次，提高分析速度、分析精度和分析广度，比真实电路实验可扩大研究范围，测得更多的数据，可以测量一些实验中无法直接测量的数据，如：元件中的数值和波形，研究系统性能受其变化的影响。第三，采用计算机仿真可以大大减少元器件的损坏而引起的损失。最后，减小科研设备的投入。本电路设计后采用电路仿真对电路进行研究。下面就组成放大器的各个部分进行电路的设计和仿真。

4.2信号的脉宽调制电路设计

4.2.1三角波发生器的设计

三角波产生电路和波形如图4-2所示。采用555芯片构成三角波发生器，利用

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