1 体系计划证明与挑选
1.1 全体计划
计划①：数字计划。输入信号经前置扩大调度后，即由A/D采入单片机进行处理，三角波发生及与音频信号的比较均由软件部分完结，然后由单片机输出两路彻底反向的PWM波给入后级功率扩大部分，进行扩大。此种计划硬件电路简略，但会引进较大数字噪声。
计划②：硬件电路计划。三角波发生及比较、PWM发生仍由硬件电路完成，此计划噪声较小、且幅值能做到更大，作用较好，故选用此计划。
1.2 三角波发生电路规划
计划①：使用NE555发生三角波。该电路的特点是选用恒流源对电容线性冲、放电发生三角波，波形线性度较好、频率操控简略，信号起伏可经过后加衰减电位器操控。
计划②：对方波积分发生三角波。积分器与比较器级联，经过对比较器发生的方波积分得到三角波，频率与幅值操控只需调整某些电阻值，操控简略。但考虑积分电路存在积分漂移。
此处选用挑选计划①。
1.3 PWM波发生计划规划
计划①：直接比较。取侧重与输入音频信号信置相同，起伏略大的三角波信号与音频信号直接比较，发生PWM波，后再经反向器发生一路与之彻底反向的PWM波信号给后级扩大电路。
计划②：双路比较。用两路偏置不同的三角波信号与音频信号的上下半部别离比较。此种计划可削减后缀H桥电路中CMOS管的开合次数，削减功率损耗，进步功率。
计划③：将音频信号直接反向。在对音频输入信号进行扩大调度后直接将其反向，再对处理后信号别离进行三角波比较，然后发生两路反向的PWM波。
因计划②的功率较高且对按捺共模噪声有必定作用，故选用计划②。
1. 4 短路维护计划规划
计划①：电流互感器法。用电流互感器感应出经过负载电阻的电流，在对此电流进行处理，以判别电路过不过流。
计划②：采样电阻法。将一小值电阻串入电路中采出体系流过负载的电流，以判别电路过不过流。该计划完成简略，且接入小值电阻对此体系影响很小，故选用此计划。
2 体系全体规划计划及完成框图
如图1所示为体系的全体完成框图，体系由高功率功率扩大、信号改换电路、过流维护及功率丈量4个首要模块组成。其间最中心的高功率功率扩大器又由前置扩大、三角波发生电路、比较器电路、驱动电路、H桥互补对称扩大5部分构成。输入音频信号经过前置扩大电路进行扩大调度后，分上下部与两路三角波信号进行比较，得到两路彼此对应的PWM波；即对音频信号进行脉宽调制，然后经驱动电路添加其信号的驱动才干，再给入H桥模块，使用占空比的改动操控功率开关管的导通与截止，完成功率扩大，之后再对负载上的输出进行低通滤波滤出原音频信号。在负载大将信号给入信号改动电路，将双端信号转化为单端信号，经一截止频率为20 kHz的RC滤波器后接测验外表测验。一起在此处将单端信号真有效值检波，经AD采样后送入单片机内进行功率核算及显现。体系还有过流维护功用，0.1Ω采样电阻与负载串联，采出流过负载的电流值，经扩大比较后，用继电器操控功率扩大部分的供电，然后完成维护作用。体系最大不失真输出功率大于等于1 W，可完成电压扩大倍数1~20接连可调，因选用D类扩大计划，可到达较高的功率，输出噪声很小，功率显现差错很小。
图1 体系全体框图
3 首要功用电路规划
3.1 前置扩大模块
前置扩大电路选用高功率、轨对轨、低噪声运放芯片OPA350构成同相宽带扩大电路。信号输入端串联电容到达隔直耦合作用。一起因单电源供电，在运放同向端给2.5V偏置。设置反应电阻为电位器，可动态改动扩大器的增益1~20倍增益接连可调。
3.2 三角波发生电路
三角波发生电路如图2所示。选用NE555芯片构成三角波电路，经过恒流源对电容C1完成线性充放电然后取得三角波。开端作业时，555芯片3号脚为高电平，二极管D4导通，D3截止，然后D1导通，D2截止，由T1、T2、R1构成的恒流源经过D1对C1线性充电，当充电使C1两头电压到达2/3Vcc时，3号脚输出电平发生回转，变为低电平，此刻D1、D2、D3、D4导通状况也彻底相反，由下方T3、T4、R2构成的恒流源经过D2对C1线性放电，当放电使C1两头电压达1/3Vcc时，3号脚又回转为高电平，如此循环往复，完成周期三角波信号发生。由C1两头引出输出，即可得到线性度杰出的三角波信号，后接一级同相跟从器已到达前后级阻隔的意图。C1选用漏电流低、呼应速度快的聚苯乙烯电容，确保较好功用。
图2 三角波发生电路
三角波频率、幅值核算如下：记经过电阻R1、R2的充放电电流为Io，此处Io=Vbe/R（其间Vbe为三极管的导通电压），则有
三角波周期T=t1+t2，频率为f=1/T，此电路经实测发生三角波频率为120 kHz（会与核算值有所差错，由于三极管导通压降不严厉为0.7 V）。
3.3 双路比较器电路（PWM波发生电路）
双路比较器电路选用低功耗、可单电源作业的双路比较器芯片LM393构成。此处为进步体系功率，削减后级H桥中CMOS管不必要的开合，用两路偏置不同的三角波别离与音频信号的上半部和下半部进行比较，发生两路彼此对应的PWM波信号给后级驱动电路进行处理，双路比较波形图如图3所示。此处值得留意的是将上半部比较处理为音频信号接比较器的负向端、三角波信号接正向端；下半部比较则相反，这样构成彼此对应，在音频信号的半部构成相应PWM波时，另半部为低电平，可保征后级H桥中的CMOS管没有不必要的开合，以削减体系功率损耗。使用电位器将上半部比较三角波偏置调至3 V，下半部比较三角波偏置调至2 V.还需留意，三角波信号应比需比较范围内的音频信号起伏稍大一些，且偏置调理要较精确，以防音频信号某些点比较不到，后续滤波复原原信号时发生失真。
图3 双路比较波形图
3. 4 H桥互补对称输出电路（后加四阶巴特沃斯滤波）
H桥互补对称电路如图4.选用低导通电阻、开关速率快、受温度影响小的场效应对管IRF9540和IRF540组成互补推挽扩大电路。运用对称输出办法，充分使用电源电压，起浮输出载波峰峰值量大可达10 V，有效地进步了输出功率。
图4 H桥互补对称输出电路
经H轿互补对称电路扩大后的两路信号别离经过一四阶巴特沃斯滤波器低通滤波，然后滤去高频载波，得出扩大后的音频信号加在8 Ω负载两头。滤波器上线截止频率约为20 kHz，通频带内特性平整，作用较好。留意此处应挑选大功率电感，不然会对信号幅值有削减作用，不能到达较高功率。
3. 5 短路维护模块
短路维护电路如图5.将一0.1Ω小电阻接入体系中，与8 Ω负载电阻串联，经过对采样电阻两头取样电压进行扩大，然后再与设定的基准电压进行比较然后操控成效部分的供断电，起到维护作用。扩大部分选用芯片NE5532构成减法扩大器，扩大的一起可将电阻两头的双端信号变为单端信号，扩大器扩大倍数为：
经过扩大后的信号经过由D1、C1、R5组成的峰值检波部分，检出信号起伏值送至比较器与设定的基准电压进行比较。比较器选用低功耗、呼应速度较快的双路比较芯片LM393.比较器负端用稳压管D6及C3、R7设置为5.1V，比较器接成迟滞比较办法，一旦过流，即可自锁。此刻比较器输出的高电平使三极管T1导通，继电器的地操控端与地联通，继电器吸合，堵截功放部分的供电，到达维护意图。因比较器自锁，所以在处理过流问题后，关断维护模块的电源，才干从头进入维护状况。D2、D3、R6、C2组成开机延时电路，在断电后，C2经过D2快速放电，避免开端瞬间C2上的剩余电压对3号脚影响，避免比较器在非正常状况下进入自锁状况，使维护模块不能发挥正常作用。
图5 短路维护电路
3. 6 功率丈量及显现电路（有效值检涉及AD转化电路）
功率丈量电路选用真有效值检波芯片AD637检出信号真有效值，再经12位串行接口、20kHz采样率AD芯片ADS1286采样后邀至FPGA内由程序进行处理，核算出功率并显现。如图6所示。
图6 功率丈量及显现电路
输入缀用OPA604构成一射极跟从器已到达阻隔前后级的作用。改动均匀电容的值可设定均匀时刻常数，并决议低频精确度、输出波纹的巨细和安稳时刻。沟通波纹重量能够用增大此电容的值来削减，但这样会使树立时刻增大，所以挑选用后接一个二阶有源低通滤波器的办法来削减输出的纹波。得出真有效值后直接给入ADS1286进行模数转化，再由FPGA处理，核算出体系的输出功率并进行显现。
4 体系软件的规划
依据标题要求，要完成对体系功率的丈量和显现功用，硬件上选用8位CPU AT89S52，经过C51编程完成。单片机圭要完结对ADS1286的操控、采入数据、核算功率和送显现的功用。而FPGA（选用Atera公司的Cyclone系列的EP1C6QC240）则作为一个总线操控器，对液晶和A/D与单片机之间的数据交换进行办理。选用VerilogHDL言语在Quartus9.1的环境下编程完成。
5 测验办法和成果
5.1 测验仪器
15 MHz函数信号发生器 类型：Agilent33120A
数字示波器 类型：Tektronix TDS 1002，双通道，60 MHz
直流电源 类型：SG173SB3，稳压稳流型
四位半数字多用表 类型：Fluke 45 dual display multimeter
5.2 测验计划及成果分折
1）功率显现差错丈量 用Agilent信号源给出输入音频信号，示波器在单端输出测验点测负载上电压峰值Vo，据式核算出实践功率，从而核算出显现差错，成果见表1所示。
表1 扩大电路通频带功用测验数据表
从表中数据可知，体系功率显现模块具有4位数字显现，精度优于5%，且差错较小。
2）噪声 用Agilent信号源给出输入音频信号（确保信号频率20 kHz以下），用0.1μF%&&&&&%进行输入端对地沟通短路，用示波器在输出端丈量噪声巨细。此刻测得噪声为2.96mV.
3）功率丈量 用直流电源对功放电路独自供电，以便测验功率。供电电压+5 V.用与测通频带相同的办法给出给出输入信号，用示波器调查输出信号幅值，调整输出为200 mW及500 mW，将四位半数字多用表串入扩大器电路中，测出电路电流I.依据式核算出功率扩大器功率，成果见表2所示。
表2功率扩大电路功率测验数据表
从表中能够看出，在输出功率为500mW时，功率扩大电路功率高达64.10%，大大满意了标题要求；在输出为200 mW时，功率也到达了43.96%.体系能够完成高功率音频扩大。
4）过流维护丈量 用与测通频带相同的办法给出给出输入信号，用示波器调查输出信号幅值，将负载两头短路，可看到短路模块警示灯亮，功率扩大部分的电源被堵截，输出变为零，达刭维护意图。
6 定论
体系完成了对音频信号的扩大处理，完结了高功率功率扩大、信号改换、功率丈量及显现、过流维护等功用。体系功用杰出，在功率及功率方面的目标较高。扩大电路、信号改换、功率丈量及短路维护等部分都收到了较好的作用。尤其在功率方面可到达1.16 W，功率可到达64%，噪声很低，功率丈量显现差错较小。操作简略，人机交互灵敏。
