采用DSP技术的HIFI功放机原理及介绍

SZ高力合

深圳市高力合科技有限公司的220M30 是一款高品质、高效率、高可靠的标准音频功率放大器， 它与很多数字功率放大器是有本质的区别的，具体区别如下：

1，常规的数字功率放大器实际上就是音频信号到PWM脉冲的转换，其简单程度仅仅由廉价的比较器构成，没有精密时钟单元与运算系统；而220M30采用DSP芯片，加载了我司自己开发的精准算法（即精密数据编码技术算法）的功率放大器来实现PWM脉冲转换。典型的优势是表现在对微小音频分量精确的转换并呈现。以及具有类似磁铁吸引尘埃一样的声场感染力。

2，我们研究参考开源的RTEMS，风河的VXWORKS等实时操作系统，在此基础上裁减并加入安全控件，形式我们自己的操作系统，并采用PWM数学插补，把基本转换出来的PWM参考量放中间寄存器，然后提取出来上次PWM累加误差，最后经过数学校准后给到PWM输出单元。典型的优势是解决了很多数字功率放大器声音粗糙失真大和金属味很浓的听感，使它发出的声音更加中正、平衡、甜美、暖润。

3， 对于很多烧友玩家来说，受制于功放IC的限制,传统数字功率放大器可玩性不强，而我们的产品将提供和呈现给烧友的是对功放的另一种玩法，比如DSP，比如操作系统，控制算法等。

220M30测试指标：

220M30产品原理：

       220M30是一款使用DSP芯片，加载了我司自己开发的精准算法的功率放大器。经过多次改板，外围器件参数核对，核心算法代码的调试，在我们所有的比较中，220M30是目前能够实现量产的声音还原性能最好成的数字功率放大器。

图中展示了基本技术构成及原理，最容易理解的就是ADC转换后输出PWM信号控制功率晶体管，也就是所谓的D类功率放大，而它的最大缺点是控制精密度不够。这也是当前很多数字功率放大器声音粗糙失真大或者硬邦邦感觉的主要原因。我们以PWM频率48KHz为基本单位（这是最低可执行频率，后续会继续讲到），如果要实现16位分辨率那么对应的基本样本脉冲频率则为：

显然这是不可能办到的，对于这个计算还没有考虑到H桥电路的开关间歇时间，各级电路的延迟时间及CMOS门的延迟时间，所以很大一部分参数都必须丢弃掉，并以损失精度同品质（THD会很大）为代价，仅仅换取比较高的电源转换效率而已。所以直接的PWM转换方案不可能实现高品质高效率的音频功率放大器。因此，想要实现高品质高效率的音频功率放大器，需要从以下三个方面去尝试：

1：降低输出PWM频率以提高输出精度，并提高PWM基准时间参考频率；这也是很多低速度的伺服电动机能够控制微米级别距离分辨率的关键支持理论，否则系统不可能实现。但是对于喇叭或者音圈电动机这个操作会产生强大的可听噪音或者让工厂的作业人员烦躁不安，一个50的小风扇如果用12KHz以内的PWM频率，几个钟就可以让周围几米范围内的人不想吃饭，郁闷难受，如果换成音响那将有不可预计的后果。显然这条路行不通。

2：降低PWM参考频率；对于3145.728MHz的开关频率只有极少CMOS开关管能够承受，常规的MOS晶体管接上去就会baozha，即使降低1000倍也一样因承受不了开关频率而发热baozha，我们实际测试最好的分离件MOS管就能够承受1.5MHz开关频率，并且在这频率开关管耐受电压已经由基本的150V降低到50V，工作电压上高即烧毁。

        3：PWM数学插补，把基本转换出来的PWM参考量放中间寄存器，然后提取出来上次PWM累加误差，最后经过数学校准后给到PWM输出单元。这也是我们现在使用的方法。这方法最容易理解，数学部分也不难处理，但是保证稳定可靠的脉冲则需要可靠的实时操作系统，比如开源的RTEMS，风河的VXWORKS。对于这两个系统可以参考有关资料，这里需要做一个   声明，系统还需要进一步裁减并增加安全软件，否则一个软件错误就将导致MOS炸毁。只要把这问题解决就将得到无与伦比的可靠同精密度。

220M30板子材料：

为了保证音乐的输出品质，采用了四个红色电容的WiMa电容和四个专门定制的发热量极低的电感。散热器下面的DSP芯片，是这个功放的核心器件。

220M30产品功能介绍

电源指示（power）：设计采用了高品质开关电源结构，允许输入电压范围85~265V,50~60Hz，只要满足这范围系统就正常启动，电源指示灯常亮。

故障指示（error）：当输出负载出现短路，分频网络出现振铃，及直流寄生电流超过5A时保护并终止所有输出。音量调节：音量调节部分采用了超宽的匹配范围，普通正常使用只开到20%-30%及可满足信号的最佳传输；30%~60%段用于某些录音师在制作唱片是音量增益过小的补偿，60%~100%用于音频制作，音频元器件底噪追踪比较。注意： 实际的音乐源、唱片及传输系统在中国都没有走标准路线，故在使用时是以最佳匹配比例为准，也就是说开多大音量以您的耳朵听不到失真，听感最佳为准。

背面板有音频输入、音频输出、电源输入及开关面板.

音频输入（如上图）音频输入部分由于没有设置灵敏度开关，故输入范围靠面板旋扭调节，允许输入电压范围为：1.3uV~1.3V 60db电源动态范围，120db 功率动态范围。频率范围：10Hz~24KHz实际的应用中可以直接连接话筒动圈，电容MIC的输出端子用来测试器件的声学性能及听感。同时还可以用来测试运算放大器，音量电位器的静态噪音。同时也适用于乐器的研发与校对等。 背面板也是只有简洁的端口，音频输入、音频输出、电源输入及开关面板部分采用了极其简单的结构,电源指示、故障指示和音量调节。

音频输出（中间接线端子）：该DSP功率放大器有阻抗匹配要求，这点不同于晶体管机器的拼命推策略，实际的产品输出实阻抗8 ROHM，输出虚阻抗8ROHM，输出阻尼 8ROHM，实际输出功率15W每声道。[size=1.17em]对于很多没有从事过音频系统研发同详细参数测量的人来说可能以为喇叭标[size=1.17em]8ROHM[size=1.17em]并用万用表测试得到接近[size=1.17em]8ROHM[size=1.17em]的参数是喇叭的声学工作参数，实际上这个参数是用来发热的，而不是用来转换成声音能量的，同样大喇叭，同样的标称出来的声音完全不同就是这个道理。[size=1.17em]一个标称功率很大的喇叭某一个时刻还没有达到标称功率的[size=1.17em]1%[size=1.17em]就突然损坏就是这道理，这里关系到喇叭的标称功率与安全应用功率。标称功率很多工厂喜欢用喇叭在某几个频率点有限时间内稳定运行功率来表示，实际的安全功率是喇叭相应的频率带无限长时间运行最差的功率频率点的安全功率来表示。[size=1.17em]关于喇叭，音箱功放及声学匹配等技术问题欢迎具体咨询。

电源输入：电源输入允许85~265V AC输入范围，电源输入中建议使用50~60Hz常规交流电源，如果是发电机供电请确认输入交流电源频率，过高的频率可能导致电源永久性损坏。设计插叙：

在当初，工程师不知道自己自己做出来的东西是否可行，或者音特性可能会很难听，于是他参考了一位朋友家里面的灯炮管参数：

后来才知道这东西原来并不便宜，淘宝真品几个灯泡可以换一部汽车，样子长的同灯泡一模一样同样可以用来照明，晚上还发红光。但是名字却给修改了，叫电子管。名字还真牛，居然叫电子管，于是找来了相关的数据手册，还真叫这名字。

就这样一来工程师提取了对应文档曲线族数据，并代入了DSP数学算法方程式，就这样一个实际的文件就转换成一个算法方程进行执行，并挂接24位192KHz的高性能ADC进行数据验证，确保不出现错误及故障，这组曲线转换成了表同方程式存放于处理器中，这些做法保障了性能完全逼近西德的ECC803性能，同时又没有老化或者灯丝烧毁现象，并且直接交流电供电的设备很难消除50Hz工频干扰噪音，换成了DSP则清澈透亮，就连不同电阻材料的热噪音都能够直接捕获到，这些方法使系统有了质的飞跃。

但是依然不服气，为啥它一个灯炮叫电子管？于是查询了一些陈旧的书籍，并获得如下理论：

在常规温度下我们身边的金属一般具有优异的导电性能,且这些导电性能主要有电子迁移运动引起的,一部分电子流运动出金属后又有另外的补充进来,且金属对电子有约束力量,平时很少或者很难有电子脱离金属导电运行。但是当温度升高后电子的活跃能力上升了，变能够脱离金属运行，从而形成电流（我们常见的电弧焊接等就是这原理），反之如果抽出空气，减少电子脱离金属的阻力也能够形成电流，如下图所示：

因为电子具有负电何特性，所有如此简单的构造便形成了二级管，据说当时英国工程师约翰·弗莱明感觉灯炮发光很神奇，他想加条空电极看能发生什么，之后他发现这个灯泡能够将交流电变换成直流电，于是他将这些写成了论文并公布于全世界。

后来美国人德福雷斯觉得这玩法可以，并且很新鲜于是他又加了条线，接下来他惊奇的发现，中间那条线可以控制另外一条线上的电流如下图所示：

对于我们来讲，这已经是年代久远的事情了，但是有个不争的事实是：这东西出来的声音确实比我们现在器件做出来的好听，声音还原度高，不管你如何搭配，始终比不上百年前的老灯炮，经过书籍的参考我们的工程师认为，这来自于自由运动的结果，这份美与真来自于自由的运行结果。就象钱让许多爱情破灭一样，束缚大了就无法展示原本的精彩。在ECC83的参数中，输入电容，反馈电容等都特别小，控制信号可以很精准的到达输出端，并很少有反射回来的干扰信号，晶体管则不同，半导体硅体积微小，相互间微参数影响力不可预计，故很难统一起来，并且晶体管输入电容是输入电压的函数，如此事件就很难高清晰的放大音频信号。

dltt

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DSP是否还可实现数字均衡器的功能？

AV风暴

看那个简陋的音量电位器就什么都明白了。

jinhuang2000

中国老百姓用的起的帝瓦雷要来了

SZ高力合

jinhuang2000 发表于 2015-1-11 22:08
中国老百姓用的起的帝瓦雷要来了

我们提取了它的曲线并分析，做了部分算法。

SZ高力合

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AV风暴 发表于 2015-1-11 20:22
看那个简陋的音量电位器就什么都明白了。

好的材料并不一定能出好的声音，先抛开偏见吧，认真读完技术文档，如果您能读懂，才会发现价值，呵呵

SZ高力合

dltt 发表于 2015-1-11 20:17
DSP是否还可实现数字均衡器的功能？

是的，只是我们没有加上。

SZ高力合

试听后的评价：请查看http://shop113177884.taobao.com

SZ高力合

多谢烧友支持，试产数量不多了

格拉苏蒂.莫勒

不论声音还是里面做工,都属于可以拿去填海的垃圾

SB才买的货!  

SZ高力合

格拉苏蒂.莫勒 发表于 2015-1-15 12:15
不论声音还是里面做工,都属于可以拿去填海的垃圾

SB才买的货!

不想和您打口水帐，您这一骂声很霸气

wangyonc

SZ高力合 发表于 2015-1-12 17:07
我们提取了它的曲线并分析，做了部分算法。

devialet跟你这个东西还真不是一回事，你这个就做做廉价数字功放的市场就行了。

凡曲

信号输入为何用5P插座？其中含过载指示？

钱烈宪县长

8欧  2x15w    功率是不是小点了。8欧  2x150w应该好一些吧？

SZ高力合

钱烈宪县长 发表于 2015-1-15 14:22
8欧  2x15w    功率是不是小点了。8欧  2x150w应该好一些吧？

桌面功放，音质上的追求多些，大功率的在研发阶段