基于PWM的数字功率放大实验系统设计与实现

李兆玺 , 黄国勇 , 高 威, 陈 黎

(1. 吉林大学 通信工程学院, 吉林 长春 130021；2. 吉林大学 实验与设备管理处, 吉林 长春 130021)

脉冲调制型数字功率放大器具有损耗小、效率高的特点，与传统的模拟音频功放相比,输出功率理论上可接近100%,因此,脉冲调制型数字功放的芯片已广泛应用于各种便携式电子终端产品中[1-3]。为了将这一热点技术引入到本科创新实验教学中,并考虑本科生专业技术知识的掌握情况,应用“模拟电子技术”中的基础电路，设计实现了基于PWM的数字功放实验系统,该系统涵盖了“模拟电子技术”课程中的运放比较器、积分器、H桥驱动、LC滤波、整型等内容[4-5],具备较强的综合性。系统的模块化设计思想使学生能观察信号波形变化情况,易于学生理解脉宽调制的实现原理。此外,学生可以自行设计替换各模块,逐级改进提升系统性能,进而提高学生的科研创新能力[6-10]。该系统已设计制作了基于PWM的数字功放综合模拟实验箱。实践表明,该实验在提高学生专业知识综合运用能力,以及科研创新能力方面卓有成效。

1 实验系统设计

1.1 实验系统整体方案

本实验系统的设计采取模块化方式,各模块间设置测试点,通过观察分析各个模块节点的波形理解脉宽调制的原理以及功率放大的过程。为方便学生应用示波器观察波形,输入端设计了模拟波形输入。为了使实验现象更直观,增加了语音输入端,可以通过扬声器收听放大后的语音信号,根据语音信号的还原效果,调整实验模块参数。另外,各模块的设计具有扩展性和开放性,可自行设计替换。其系统的整体设计框图见图1。

图1 基于PWM数字功率放大实验系统总体设计框图

根据调制模式不同，脉宽调制可分为双极性模式和单极性模式[11]，本文采取单极性模式,其原理图如图2所示。由图2可知,单极性PWM信号由输入周期信号与顶部齐零的三角波经过比较器得到,三角波的顶部钳位不佳将直接导致PWM信号的失真。为此,在电路中设计了三角波钳位电路。输入端的输入模拟波形以及反向波形分别进入比较器与三角波比较产生脉宽调制波形。脉宽调制信号经过H桥驱动电路,放大电路,以及LC滤波电路完成功率放大[12-13]。

图2 单极性模式PWM信号产生原理图

1.2 主要功能模块设计

1.2.1 三角波钳位电路

如图2所示,PWM信号由输入周期信号和顶部齐零三角波(钳位三角波)经比较器得到。设对称三角波为Ui(t)=Aejφ(ω t),B为叠加在对称三角波中的直流,则钳位信号可以表示为

Uo(t)=B+Aejφ(ω t)

(1)

图3 三角波钳位电路

图4 Ud信号波形

1.2.2 PWM放大电路

PWM放大电路由H桥驱动电路、脉冲放大电路以及LC滤波构成，如图5所示。放大电路由2片IR2110,4片MOSFET管构成的H桥驱动完成。当输入信号在正半轴区间,Q1和Q4导通；当输入信号在负半轴区间,Q2和Q3导通,C16和C17是自举电容,D2和D3是自举恢复二极管,防止到时高压串入Vcc端损坏芯片。正半轴PWM信号送入IR2110(U7)的14脚,负半轴PWM信号送入U712脚。双极性PWM信号U1-U2由U7的13脚送入。正负半轴信号IR2110驱动H桥PWM信号交替输出,再经过LC滤波,得到输出信号。

图5 PWM 放大电路

2 测试分析

试制了20台实验箱，供学生创新实验使用。重要节点的波形见图6。图6(a)为对称三角波和钳位三角波,可以看出钳位电路通过反馈有效地将对称三角波转化为顶部齐零的钳位三角波。图6(b)和(c)分别为正弦波与三角波波形的比较。图6(d)为PWM调制信号波形,可以看出与(b)(c)图的对应关系。同时,通过手机语音信号输入,输出端接扬声器,可以由收听到的声音信号效果验证有效性。

图6 测试波形图

3 结语

模块化的设计思想使PWM调制放大的复杂过程变得直观、简单、易懂。实验中涵盖了模拟电子技术中的基本内容,实现了模拟电子技术综合实验的全面化、系统化和创新性的设计目标。实验系统具有一定的通用性和扩展性,学生可自行设计优化各模块,加深了学生对知识点的理解,提高了学生的创新能力。