Снижение стоимости и доступность АЦП высокой разрядности и сигнальных
процессоров способствовали появлению высококачественных усилителей
мощности D-класса, основанных на широтно-импульсной модуляции. Работа
выходных транзисторных каскадов в ключевом режиме таких усилителей
позволяет в несколько, а порой и в десятки раз увеличить КПД, тем самым,
снижая тепловыделение усилителя, его габариты и стоимость. Среди всех
звуковых усилителей устройства класса D являются самыми экономичными,
благодаря использованию цифровой обработки сигнала. Она исключает
возможность появления искажений и шумов в предварительных трактах
усилителя, упрощает и облегчает всевозможные линейные и нелинейные
преобразования сигнала без использования механических регулировочных
элементов, расширяет функциональность.
Предлагаемый читателям
цифровой процессор звука совместно с четырьмя оконечными усилителями
мощности звуковой частоты дает возможность собрать 4-канальный
Hi-Fi-аудиоусилитель D-класса с максимальной выходной мощностью до 315
Вт в каждом канале. Схемотехника усилителя основана на базе микросхем
Texas Instruments TAS5504 (цифровой звуковой ШИМ-процессор) и TAS5261 (мостовой цифровой усилитель).
Цифровой процессор звука
Мощность
усилителя определяется напряжением питания выходных каскадов.
Количество каналов усилителя - до четырех, а КПД достигает 96%.
Функциональность устройства делает его доступным для использования в
различных областях - от построения высококлассного стационарного
усилителя для цифрового домашнего кинотеатра и заканчивая усилителем
мощности для автомобильных аудиоприложений.
Цифровой процессор
звука предназначен для предварительного аналого-цифрового преобразования
звукового сигнала, последующей его цифровой обработки и модуляции в
ШИМ-сигнал. Цифровая обработка позволяет избежать появления
дополнительного шума, фона, искажений и щелчков при переключениях
режимов работы. Кнопочное управление совместно с цифровым индикатором
реализуют удобство и комфортность использования основных режимов работы
процессора: регулировка громкости, режим «MUTE», управление защитой.
Функция запоминания установленного пользователем уровня громкости
усилителя позволяет избежать повторной его настройки при возникновении
перебоев в питании процессора. Режим контроля и управления защитой от
перегрузок, подключенных оконечных модулей, предопределяет высокую
надежность и отказоустойчивость усилителя.
Общий вид цифрового процессора звука представлен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид цифрового процессора звука
Подаваемый на
вход процессора сигнал со звукового источника попадает на 24-разрядные
двухканальные АЦП U2, U3, где оцифровывается с частотой дискретизации 96
кГц. Сформированные пакеты данных по последовательной шине передаются в
цифровой ШИМ-процессор U4, выполняющий функции регулировки громкости и
ШИМ-преобразования оцифрованного сигнала для последующего его усиления в
оконечных усилителях-демодуляторах, выполненных на основе интегральной
микросхемы TAS5261 с металлическим теплоотводом. Мостовая схема
включения нагрузки в сочетании с однополярным питанием оконечных
каскадов упрощают источник питания усилителя, позволяя питать схему
напряжением от +5 до +50 В.
Электрическая принципиальная схема процессора звука BM2070 (Нажмите для увеличения)
Ядром цифрового процессора звука является универсальный
микроконтроллер Texas Instruments TAS5504, осуществляющий цифровое
преобразование аналогового звукового сигнала, его предварительную
обработку и коррекцию.
Для управления режимами работы усилителя и
их индикации использован микроконтроллер фирмы Atmel Atmega8 (IC1). К
нему непосредственно подключены кнопки управления усилителем, дисплей с
динамической индикацией и ШИМ-процессор.
Основные элементы управления
Дисплей
- четырех разрядный цифровой дисплей отображает общий для всех каналов
уровень громкости в децибелах. Уровень 0 дБ соответствует номинальной
выходной мощности усилителя при номинальном входном напряжении 1 В.
DOWN - кнопка уменьшения уровня громкости. При удержании кнопки уменьшение громкости ускоряется.
UP - кнопка увеличения уровня громкости. При удержании кнопки увеличение громкости ускоряется.
MUTE - кнопка временного приглушения звука. При повторном нажатии процессор переходит в нормальный режим.
ON/OFF
- кнопка выключения/включения усилителя. В выключенном состоянии
процессор переходит в режим пониженного энергопотребления, сигналы на
выходах отключаются, индикация на дисплее отключается.
Светодиод, зажигающийся в выключенном состоянии процессора (усилителя).
Регулировка
громкости осуществляется с помощью кнопок «UP» и «DOWN»,
соответствующим образом изменяется ее значение на дисплее в диапазоне:
-100...+17 дБ.
Цифровой оконечный усилитель D-класса 315 Вт
Оконечные
усилители представляют собой ШИМ-усилители-демодуляторы с мостовой
схемой включения нагрузки (акустической системы). Широкий диапазон
питающего напряжения оконечных каскадов определяет максимальную выходную
мощность.
Общий вид выходного усилителя представлен на рис. 2, а принципиальная схема - на рис. 3.
Рис. 2. Внешний вид одноканального оконечного усилителя D-класса 315 Вт
Нажмите для увеличения
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема одноканального оконечного усилителя D-класса 315 Вт BM2071
Функционально
усилитель мощности разделен на сигнальный процессор и отдельные модули
усилителей-демодуляторов. В зависимости от потребностей пользователя к
процессору можно подключить от одного до четырех оконечных усилителей,
тем самым, определив число каналов усиления.
Технические характеристики оконечного усилителя BM2071
Воспроизводимый диапазон частот, Гц |
10...40000 |
Выходная мощность, Вт |
235 (Rнаг = 4 Ом, КНИ <0,15%) 315 (Rнаг = 4 Ом, КНИ <10%) 125 (Rнаг = 8 Ом, КНИ <0,09%) 220 (Rнаг = 6 Ом, КНИ <10%) |
Сопротивление нагрузки, Ом |
4...16 |
Диапазон регулировки громкости, дБ |
-100...+17 |
Номинальное входное напряжение, В |
1 |
Частота дискретизации входного сигнала, кГц |
96 |
Соотношение сигнал/шум, дБ |
-99 |
Общие гармонические искажения + шум, дБ |
-93 |
Ток потребления в ждущем режиме не более, мА |
10 |
Номинальное входное напряжение, В |
1 |
Напряжение питания цепи «+50 В», В |
+(50) |
Напряжение питания цепи «+12 В» стабилизированное, В |
+12 |
Конструкция
Конструктивно усилитель выполнен
на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. Компактная
конструкция предусматривает установку платы процессора сигналов
усилителя совместно с платами силовых модулей внутри корпуса размером не
менее 15,5 х 4,5 х 14 см3 с вентиляционными отверстиями. Подключение
процессора к блоку питания, оконечным модулям производится посредством
гибких проводов к соответствующим выводам разъемов XS4...XS7. К
источнику звукового сигнала подключение производится экранированными
проводами.
Для питания процессора необходим стабилизированный
источник питания, подключаемый к разъему XS2 и обеспечивающий ток
нагрузки не менее 500 мА и напряжение +12 В.
Источник
аналогового звукового сигнала амплитудой не более 1,5 В подключается к
разъему XS3. Так как процессор поддерживает работу одновременно от
одного до четырех каналов усиления, то в зависимости от числа
используемых каналов требуется подключать соответствующие выходным
модулям входные сигналы.
В целом, несмотря на высокую надежность
и неприхотливость предлагаемого усилителя, в ряде случаев возможно
срабатывание защиты от перегрузок. Встроенная система контроля и
управления защитой выходных силовых каскадов, подключаемых к разъемам
XS4...XS7, основана на анализе получаемых от них информационных сигналов
перегрева и срабатывания защиты от электрических перегрузок. При
получении сигнала перегрева процессор плавно снижает громкость на выходе
усилителя, тем самым, предотвращая его дальнейший нагрев. Одновременно в
правом нижнем углу дисплея начинает мигать точка, информирующая
пользователя о переходе процессора в режим защиты усилителя от
перегрева. После того, как силовой модуль переходит в нормальный режим
работы, процессор плавно возвращает уровень громкости к значению,
установленному пользователем. Важно отметить, что процессор переводит в
режим защиты все подключенные силовые модули усилителя в независимости
от того, с какого из них был получен сигнал перегрузки.
Рис. 4. Реализация 4-канального цифрового HiFi-усилителя
Пример практической реализации 4-канального УМЗЧ
На
рис. 4 приведен вариант реализации (в демо-версии) 4-канального
цифрового HiFi-усилителя для домашнего кинотеатра (процессор звука и
четыре оконечных усилителя).
После сборки усилителя какой-либо
наладки устройства не требуется. Необходимо лишь убедиться в
правильности подключения модулей между собой, полярности сигналов и
питающих напряжений.
Заключение
Чтобы
избавить Вас от поиска электронных компонентов, изготовления печатных
плат и проведения монтажа, МАСТЕР КИТ предлагает готовые блоки BM2072
(комплект «4-канальный процессор сигналов» и «Одноканальный оконечный
усилитель D-класса с выходной мощностью 315 Вт») и BM2071
(«Одноканальный оконечный усилитель D-класса с выходной мощностью 315
Вт»). В комплект каждого блока входит инструкция по эксплуатации.
|