音响电路测试系统的设计

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,音响电路测试系统的设计,,音响电路测试系统的设计是一个综合性的设计实例，通过这个实例，可以看到,SABER,仿真器的多种分析能力，以及其库中丰富的元件，同时还可以看到,MAST,建模语言的灵活、方便。,,音响测试电路的结构,,,音响测试电路的说明,,1 本电路由音响信号产生电路(,CSP)，AD,转换电路，时钟电路，分频电路，数字信号处理电路，低通滤波电路，功率放大电路和扬声器组成。,,2 这个系统的设计采用的是从下到上的设计。,,3 要注意在设计的不同阶段同一功能模块的选择。,,本,测试电

2、路的特点,,1 测试信号波形的改变方便，它可以是脉冲波形，也可以是其他波形，它甚至可以是实验室测试的波形。实现这种功能可以修改这个电路的输入电源，也可以采用通用电源模板，还可以用图形建模的方式建立本测试电路的输入电源。,,2 从后面设计的,CSP,电路来看，这个电路能够提取输入电源波形的一部分，作为测试电路的实际输入信号。,,,可以很方便地改变各主要模块的特性，从而校验改变这些特性对系统的影响。这包括：改变,DSP,算法、改变采用率和采样精度(,quantization,)、,滤波器的特性以及功率放大电路的特性。,,分析音响测试电路的特点,,从,音响测试电路的结构可以看到，音响测试电路的结构是

3、比较复杂的，而在实际的音响测试电路中，各个模块的特性对音响的性能都有音响，同时各个模块间的特性又相互影响，因此要设计出比较好的音响系统必须对整个系统进行分析，这一正是仿真软件容易作到的。,,,CSP,电路的设计要求,,设计的电路要能很方便地修改输入信号的波形。要能提取一部分输入波形。,,,对,输入信号的要求,,要求信号为在出现的正弦波持续时间为50,ms，,正弦波的频率为100,Hz，,其峰-峰值为12,V，,在每200,ms,内出现一次这样的波形。,,在前面的波形中，正弦波的峰值被削掉了，这样可以模拟信号的畸变对系统的影响。,,,CSP,电路,,,CSP,电路的特点,,用,控制电路实现了对信

4、号的采样。通常情况下采用的是离散器件来实现对信号的采样，如果作一下比较就可以知道，用离散器件作数字采样的仿真设计是比较耗时的。,,,,在本设计中，利用了脉冲源作为开关的作用，当脉冲为1时，输出信号为输入的电源信号，而当脉冲源为0时，其输出信号为0,,在电气模块和控制模块同时存在的设计中需要将电气模块的电气量转换为控制模块的控制量，然后对该控制量进行操作，在操作完成以后再将控制量转换为电气量。,,在本,设计中还采用了低通滤波器，这主要是由于在设计中采用了限幅模块，由于限幅模块的输出为5，而限幅模块的输入为6，因此在限幅模块的输出将有谐波，因此在本设计中设计了一个低通滤波器，以滤掉其高频分量。,,

5、改变低通滤波器的截止频率(从1,kHz,到100,Hz)，,可以看到其仿真结果波形。从仿真结果可以看到，设计的低通滤波器的截止频率对系统的性能有较大的影响。,,,改变低通滤波器截止频率的波形比较,,在内层中修改元件模块的参数,,在本,设计中，由于需要修改低通滤波器的截止频率，但是又不希望修改设计，因此可以修改设计在内层中的参数，这样在退出时将不会影响设计的本身。它通过使用,Alter,命令。以本设计的修改为例来说明如何使用这个命令。,,首先选择,Edit>List/Alter,菜单，然后再选择,Netlist,图标，选择需要修改元件，单击,OK。,然后再编辑需要修改模块的参数。,,振荡电路的设

6、计,,在本,设计中需要设计一个振荡电路，其工作频率为40,kHz，,该电路作为,AD,采样的时钟模块，在系统设计的时候，该模块采用的是脉冲源。从下面的设计中还可以看到，有多种方法可以实现这个振荡电路，那么如何选择这些电路，希望大家能体会一下为什么要这样作，这样作的目的是什么？这对我们自己的设计有什么启示,。,,实现振荡电路的方法,,在本,设计中，采用了纯数字器件实现振荡电路的方案；还采用了数字、模拟混合型的实现方案。,,纯数字器件振荡电路的实现方案,,电路的工作过程,,在本,电路中，有一个,prbit,_l4,模块，该模块的输出作为与门电路的一个输入，该模块为一个可编程逻辑流模块，该模块的使用

7、方法,,prbit,_l4.1 out = bits=[(0, _0), (1u, _1), (2u, _x), (3u, _z)], period=10u,,该模块在本设计中作为启动振荡的作用，其,bits,项的设置为,bits=[(0,_0),(1p,_1)],,这个电路的频率是如何控制的呢？,,,,Buf,_l4,器件的使用,,该,摸板的作用是对输入信号作一个延时，但是输入该摸板的信号是一个逻辑时钟信号，它对信号的延时是对输入信号的上升沿和下降沿分别延时。,,在使用这个摸板时有两个重要的参数,tplh,和,tphl,，,它们分别对逻辑时钟信号的上升沿和下降沿延时。,,Buf,_l4,输入

8、、输出波形的对比,,其,上升沿延时0.05,u，,下降沿延时10.3,u,的情况,,纯,数字型振荡的仿真结果,,,模拟型电路的实现方案,,,模拟型振荡电路的仿真结果,,,混合型振荡电路的实现方案,,,作,混合仿真时需要注意的问题,,所谓混合仿真就是在仿真设计中既有数字信号，又有模拟信号，数字信号和模拟信号有直接的联系。由于数字信号为逻辑信号，而模拟信号为有一定量的值，因此一个模拟量的值与一个数字逻辑有对应关系，在,SABER,仿真中通常要编写一个对应的文件，这个文件的扩展名为.,shm,，,在作仿真的时候还要使用这个文件，否则作的仿真结果是不可靠的。,,添加超模逻辑门槛文件的方法,,在,通常情

9、况下，设计系统都是在,SaberSketch,中,完成的，为了仿真设计，都需要生成设计对象的网表，在生成网表的时候需要将.,shm,文件添加进去。,,在,Saber/,Netlister,设置项中选择,Netlister,菜单中的,Hypemodels,(,超模)项，单击,ADD，,将需要的文件添加到已选列表框(,selected),中。在完成上述步骤之后就按照正常的步骤操作。,,,对设计的仿真,,在本,设计中，选择混合性的设计来分析，在分析设计的时候要添加超模模板文件，首先作直流工作点分析，然后再作时域分析，时域分析的参数可以选择为,End time 100u, Time step 10n。

10、,在完成设计之后再作参数扫描仿真，仿真的参数为,b1,模块的电容,c1。c1,的变化范围设置为150,p,到250,p，,其步长的设置为25,p。,最后在作电路输出频率与电容,c1,的关系。,,,对,设计结果的测试,,在,完成仿真之后就可以使用测量工具来测量仿真的结果。由于本电路是一个振荡电路，因此就需要测量该振荡电路的振荡频率。,,需要研究设计电路的输出频率与电路参数的关系，因此可以采用电路参数扫描仿真来分析电路参数变化对电路输出频率的影响。,,,参数扫描仿真,,在本,设计中，以电路中的电容,c1,为变量，研究电容,c1,变化对电路输出频率的影响。采用,Saber,的参数扫描仿真就可以得到需

11、要的结论，然后利用测量工具来测量电路输出频率的变化。其输出的波形如图所示。,,参数扫描分析结果,,,AD,转换电路的设计,,这个电路的作用是将由,CSP,电路产生的信号转换为8位数字信号，这个电路的输出信号作为,DSP,模块使用。,,在本电路的设计中，采用了,MAST,建模建立了功能级的模块，通过仿真软件的分析来验证设计系统的功能。,,AD,转换电路的要求,,1 要求将一个模拟信号转换为一个8位数字信号。,,2 每400,ms,完成一次转换。,,3 在每个转换完成后将产生一个输出脉冲。,,AD,转换电路,,,AD,转换电路的工作过程,,在,电路的启动信号(,start),到来后，首先将,SAR

12、,模块的输出信号设置为01111111，这个信号将通过,DA,转换模块转换为一个模拟量，输入信号与这个模拟量进行比较，将比较后的输出（是一个数字量）置为,q7,,然后再将,q6,位置为0，再将这个量转换为模拟量与输入进行比较，将比较的输出置为,q6,位；再将,q5,位置为0。,,,DA,转换电路,,,DA,转换量的计算,,这是一个,R2R,梯形,DA,转换器，这个电路可以简化。,,,,移位寄存器模块,,clk,时钟信号,,clkinh,禁止数据更新,,sdin,串性数据输入,,clr,清除数据,,load,当信号为高时，将输入信号的数据上载到输出端,,,对,AD,转换电路的分析,,首先对设计作

13、直流工作点分析。,,对设计作时域分析，时域分析的参数设置为：,End time: 10m, Time step: 10n。,,在仿真结果波形中验证设计对象的功能。,,作分析。,,8,分频电路,,本,电路的作用是将由振荡电路产生的40,kHz,的时钟频率除8，以得到,AD,采样频率。,,Diff,模块,,从,前面的设计可以看出，,Diff,模块的置位端和复位端均被设置为1。这时,Diff,模块的工作方式为：保持其先前的输出值，在时钟脉冲的上升沿时其输出值将发生一次反转。,,对8,分频电路仿真,,首先作直流工作点分析，然后再作时域，时域分析的参数设置为,End Time: 1.1m，Time st

14、ep:1n，,在完成仿真之后观察仿真结果波形，以验证设计功能是否实现。,,,DSP,电路的设计,,在本,设计中，,DSP,电路的功能是控制由,CSP,电路产生的回声效果，还在本电路中设计了,Z,域的滤波器。,,在本电路中算法实现的信号将传输给后面的仿真模块，包括功率放大模块和扬声器模块。,,DSP,的要求,,DSP,是个两个词的缩写，一个是数字信号处理器；另一个是数字信号处理，它表示的是一种算法。用数字信号处理器来处理数字信号是非常实用的，这是由数字信号处理的特征和数字信号处理器的特点所决定的。,,数据采集系统的特征,,数据采集系统是将一个连续的模拟信号转换为一个离散的数字量，而这个离散的数字

15、量与给定时刻的模拟量的值要相等。,,数据采集系统的实现方案,,在作仿真时，可以用开关来实现数据采集，对于需要采集数据的时间点，将开关闭合；在不需要采集数据时，开关断开，这样就可以获得,T,时刻的信号样本，通过这种方式来模拟实际的数据采集系统。,,在,SABER,中，有一类模板就是将其它类型的数转换为事件驱动类型的数，所谓事件类型的数就是当事件发生的时候传递数据，而当事件没有发生的时候就不传递数据。在本设计中采用了,b2z,模块。,,DSP,电路,,,,DSP,电路作仿真时的特点,,在同一设计系统中同时采用了电气系统模型和数据采样系统的模型，大家可能对数据采样系统的模型不太熟悉。,,在本设计中的

16、分析方法将采用傅立叶分析的方法来检查时域信号的频谱。,,回声的设计，在仿真中回声是通过对信号的延时来实现的。在本设计中,DSP,的作用就是控制延时信号和非延时信号的比例以达到较好的效果。,,DSP,电路模块的特点,,在本,设计中采用了,b2z,模块，将一个2进制数转换为一个事件驱动数。,,在本设计中采用了,zlti,模块实现需要的算法。,,在本设计中还采用了,z,域的延时模块，该模块用来模拟回声信号。,,在本设计中还采用了,z2a,模块，将一个,z,域信号转换为模拟信号。,,,,b2z,模块的简介,,b2z,模块是将一个2进制数转换为一个事件驱动数，其中,d0,到,d15,为数据的输入端（可以

17、不用完），其中最高位为数据符号，其输出为：,,d0*2,0,+d1*2,1,+…+d14*2,14,,输出时刻为时钟的上升沿,。,,zlti,模块简介,,由于在设计中采用了,zlti,模块，该模块是,Z,域的多项式传递函数模块，该模块的输出为采样时钟变化时输入信号与传递函数的乘积，如果有累计误差的话，累计误差对该模块的输出也有影响。,,zlti,模块有一个采样频率的输入端，这个输入端的输入信号为一个无单位量，但它不是一个逻辑量，因此需要建立一个转换模块。,,,转换模块,,将,一个时钟信号转换为一个无单位的量，在确定这个无单位量时，应注意这个信号周期的确定。这个周期是任意两个相邻的上升沿和下降沿

18、之间。,,对,DSP,电路的分析,,首先对电路作直流分析；然后作时域暂态分析，分析的参数为,End Time:1，Time Step:50u；,在完成时域后作,FFT,分析，通过这些分析了解作这些分析的操作步骤。,,在作这些分析的时候，要注意一点，,FFT,分析和傅立叶分析是建立在时域分析的基础上的，如果在作时域分析时的输出文件没有选择数据文件，则即使在完成了时域分析后也不能作,FFT,分析和傅立叶分析。,,本,功率放大电路设计的特点,,在本,电路设计中采用了较多的分析方法，除了常用的直流分析、时域暂态分析和傅立叶分析以外，还用到了器件应力分析、噪声分析、双端口分析和电路小信号参数的提取。,,

19、功率放大电路的设计要求,,在本,设计中，功率放大电路的作用是将前级电路的信号放大，然后传输给后级的,RLC,滤波电路，该电路如图所示，在本电路中所用的模块比较简单，本设计中主要是应用到分析的种类。,,功率放大电路的特点,,在,SABER Include,中设置了,c_,vrmax,=5，r_,pdmax,=1，c_,vmax,=50。,,r1 r2,和,re,提供了晶体管放大器的偏置。,,rload,模拟了负载扬声器，在本器件设置中该器件的最大损耗功率和器件的最大电压降。（,pd_max=20,,vmax,=30),,,功率放大电路的仿真,,对本电路的仿真，除了通常采用的直流分析和暂态时域分析

20、外，它还采用了其它一些分析。首先在作电路分析时，验证仿真对象的功能是仿真最基本的任务，但是判断电路是否能正常工作也是仿真的一个重要任务，因此在本设计中还采用了其它仿真分析方法。,,,对,功率放大电路作应力分析,,在,电路元件级仿真中，验证电路元件的工作状况是判断电路能否正常工作的基本条件，特别是电路工作在高频情况下，因此对电路作应力分析是必要的。对于设计电路，如果要作应力分析的话，就必须设置器件的最大应力点，这就是在前面需要设置一些器件最大值的原因。,,,作,应力分析和傅立叶分析的步骤,对,一个电路作应力分析和傅立叶分析时，首先必须作这个电路的时域暂态分析，作时域暂态分析是作应力分析和傅立叶分

21、析前提条件。,,选择,Analysis>Stress,菜单就可以对设计对象作应力分析。,,选择,Analysis>Fourier,菜单就可以对设计作傅立叶分析。,,,RLC,滤波电路的设计,,,RLC,电路中将要用到的分析,,在本,设计中将要用到,DC,分析、时域暂态分析和交流小信号分析(,AC,分析）来验证设计对象的功能。,,在本设计中将要用到,vary,分析和灵敏度分析来调节设计对象的参数。,,,RLC,电路的特点,,从,设计图中可以看出，本电路中器件参数的设置与通常采用的方式有所不同，在参数设置上采用的形式为,normal(100,0.1),这种形式，这种设置的意义为其值为100，但可以

22、有0.1的偏差。这在作,MC,分析和灵敏度分析时是必须的，在用,normal,时也可以使用,uniform。,,对电路的分析,,在作分析时，通常用两个目的，一个是验证设计电路的功能，另一个是设计电路器件的参数。,,根据仿真目的的不同，可以选择不同的仿真分析方法。本电路首先验证设计电路的功能，因此在本电路将采用如下的分析方法。,,,,对,RLC,电路的分析方法,,为了验证设计电路的功能，在本电路分析时首先采用直流分析、然后采用时域暂态分析、最后采用交流,AC,分析。,,作时域分析的参数为：,End Time: 100m, Time Step:10。,由于电源的周期为10,m，,在选择仿真时间为1

23、0个周期。,,作交流,AC,分析的参数为：,Start Frequency:10,,,End Frequency:100k。,,时域仿真分析结果,,,交流,AC,分析结果,,,基于电路参数设计的分析,,在本,电路中，基于电路参数设计的分析将采用,vary,分析，灵敏度分析。,,参数扫描分析(,vary),,用户指定一个模板的参数的范围，并指定这个参数值的变化规律，仿真器对每一个参数值都进行仿真分析的分析方法。,,每一个,vary,指令都构成一个循环体，循环体的结束位置在,end。,在这个循环体中可以添加许多重复的指令，循环的次数由,vary,指令中的参数决定。每添加一个,vary,指令就增加一

24、个循环体。,,,参数扫描分析(,vary)（,续）,,所谓指令都是一些分析方法。在循环体中添加分析方法的方法是采用,AddAnalysis,，,然后在出现的对话框中选择需要添加的分析。,,在本设计中，需要对电阻,r2,进行扫描分析的步骤为。,,,进行参数扫描分析的步骤,,选择,Analyses > Parametric >Vary.…,菜单，单击,vary,按钮，在出现的对话框中 编辑,Parameter Name:,,rnom,(r.r2)，,from,300,to,1k,by,100，,然后单击,Accept,按钮。,,选择,AddAnalysis,菜单，在循环体中添加分析，在本设计中首先

25、添加,DC,分析，然后再添加时域暂态分析。添加分析后单击,OK,按钮即可。,,,,,参数扫描分析结果的观察,,参数扫描分析完成后，在,SaberScope,中将会出现很多曲线，如果从现有的曲线很难分清曲线与扫描参数间的对应关系，这时通常都是采用测量工具来添加一根曲线，这根曲线就是希望测量的值和扫描参数间的关系，通过这根曲线来观察、测量系统的特性随扫描参数间的变化关系。当然也可以用,member,来观察。例如在本设计中测量的就是超调量随电阻,r2,的变化关系。,,参数扫描分析的结果,,,参数灵敏度分析,,参数灵敏度分析是以一个测量量为基础，它是分析指定参数的变化对测量量的影响，因此在设计中需要指

26、定参数的变化范围，同时还需要指定参数的变化步长。参数的变化范围在设计中指定，参数变化的步长在分析中完成，其计算公式为,,,参数灵敏度分析（续）,,式,中的,P,和,F,分别代表变化的参数和测试量在,normal,或,uniform,值所对应的量；,,P,和,,F,分别代表参数的变化量和由于参数的变化引起系统测试量的变化。每次参数的变化量为作仿真时设置的,perturbation,量。,,在作灵敏度分析时，一定要指定测量量。,,作,灵敏度分析的步骤,,选择,Analyses > Parametric >Sensitivity...,,菜单，在,Signal list,中选择需要变化的量；在,

27、Perturbation,栏中选择参数变化的步长。,,AddAnalysis,> Basic > DC Operation Point,和,AddAnalysis,> Basic > Transient,菜单在分析中添加分析类型。,,AddAnalysis,> Batch Measure,菜单添加测量量。在本设计中需要测量的是超调量。,,灵敏度分析结果,,,对本电路设计的总结,,在本,电路设计中，采用了模拟器件、数字器件、控制模块和,z,域模块以及这些模块在一个系统中应该注意的问题。,,本系统的分析方法采用了,DC,分析、,AC,分析、噪声分析、双断口分析、时域暂态分析、应力分析、傅立叶分析、参数扫描分析和灵敏度分析。,,,