Projeto de um Altifalante Digital

Abstract

Devido ao crescente desenvolvimento das nanotecnologias, estando associadas a melhoria da eficiência energética assim como mais processamento de dados e a redução dos custos, esta dissertação possibilita todo o enquadramento com sistemas modernos ao nível do áudio digital.

Tendo como base esta perspetiva, esta dissertação apresenta um sistema de áudio completo desde a fonte do sinal digital no PC até ao sinal analógico no altifalante. O sistema é constituído pelos seguintes módulos: a interface do utilizador no PC, o Processador Digital de Sinais (DSP), o amplificador digital e os altifalantes. O sistema é baseado na amplificação de classe D controlada por um modulador sigma delta (ΣΔM) digital.

São abordadas as técnicas utilizadas e os cuidados a ter em conta em cada módulo, tendo como principal objetivo uma boa qualidade de áudio.

Diferentes arquiteturas ΣΔM são primeiramente analisadas por simulações para validar a estabilidade e a funcionalidade, seguidamente são implementadas ao nível físico no protótipo para qualificar algumas medições elétricas e testes acústicos básicos.

Depois de selecionados os ΣΔM mais promissores, o sistema foi avaliado pela análise de alguns testes elétricos de alto nível assim como gravações do sinal de áudio em um ambiente de estúdio controlado. Os resultados acústicos são comparados com um sistema de estúdio com reconhecimento no mercado.

As medições finais do protótipo revelaram valores do rendimento de até 72%, a SNR na saída do amplificador digital de 73 dB através da leitura com o Audio Precision ATS-2, com uma THD de -75 dB e uma gama dinâmica (DR) de 75 dB. A tensão de alimentação pode ir dos 5 aos 12 Volt, utilizando uma metodologia H-bridge na saída do amplificador, e podendo ser aplicada uma carga mínima de 4 Ohm.

O sistema desenvolvido demonstra-se promissor e possibilita melhorias através de otimização de cada elemento em particular, desde adicionar capacidades ao DSP através de novo firmware, ou melhorar a potência do amplificador digital consoante os requisitos da aplicação.

Alternate abstract:

Due to the increasing development of nanotechnology, being associated with im-proving the energy efficiency as well as more data processing and cost reduction, this work allows fits with the modern level of digital audio systems.

Based on this perspective, this Thesis presents a complete audio system from the digital source in the PC to the analog signal in the speaker. The system is constituted by the following modules: user interface on the PC, the Digital Signal Processor (DSP), the digital amplifier and the speakers. The system is based on class D amplifier controlled by a digital sigma delta modulator (ΣΔM).

The techniques used in each module in order to achieve the main goal of obtaining good audio quality are described.

The different ΣΔM architectures are first analyzed using simulations to validate the stability and the functionality, then are implemented at the physical level in the prototype to qualify some basic electrical measurements and acoustic tests.

After the most promising ΣΔM are selected, the system was evaluated by analyzing some high level electrical measurements and recording the audio signal in a controlled studio environment. These acoustic results are compared to an existing studio system with recognition in the market.

The final prototype measurements showed values in efficiency of up to 72%, the SNR at the output of the digital amplifier of 73 dB through the reading with the Audio Precision ATS-2, with a THD of -75dB and a dynamic range (DR) of 75 dB. The supply voltage can go from 5 to 12 Volt, using an H-bridge methodology at the amplifier output, allowing 4 Ohm as a minimum load.

The developed system shows promising and allows improvements through the op-timization of each specific element, from adding DSP capabilities through new firmware, or improve the power in the digital amplifier to the application requirements.