ZJB080设计论文带啸叫检测与抑制的音频功率放大器

1、D 题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器 摘要：摘要： 本系统以 TI 公司 AY-TPA3112D1 EVM 功率放大器和 ST 公司 STM32103FZET6 单片机为主要控制器件，设计并制作的带啸叫检测与抑制的音频 功率放大器。通过三管功率放大器和 LM358 运算放大器构成的拾音电路对台式 麦克风音频信号进行拾音与放大，经 TPA3112D1 功率放大电路送喇叭输出。单 片机实时采集啸叫频率和相应功率放大器的输出功率，并通过 OLED 进行显示。 通过按键可以设置功率放大器 50mW 到 5W 范围内的输出功率。单片机通过控制 MAX262ACWG 双二阶通用开关电容有源滤波器来抑制

2、啸叫，并能够正常播放音频 信号，啸叫抑制可以通过开关进行开启与关闭。 关键字：关键字：功率放大器；啸叫抑制；频率采集 Abstract:Abstract: the system based on TI AY-TPA3112D1 EVM power amplifier with ST company STM32103FZET6 Microprocessor as the main control device, designed and produced with howling detection and suppression of audio power amplifier. Pickup

3、 circuit amplifies the desktop microphone audio signal is formed by three tube power amplifier and the operational amplifier, the TPA3112D1 power amplifier circuit to the speaker output. Power real-time acquisition of howling and the corresponding output of the power amplifier, and through the OLED

4、display. You can set the power amplifier output power from 50mW to 5W range through the button. The Microprocessor through the control of MX262ACWG double general two order switched capacitor active power filter to suppress the howling, and capable of playing audio signal, howling suppression can be

5、 opened by a switch. Keywords:Keywords: power amplifier；howling suppression；Frequency acquisition 一、系统方案论证与对比一、系统方案论证与对比 1.1.单片机的选择单片机的选择 方案一：选用 AT89S52 系列微控制器，AT89S52 单片机是我们熟悉的老式单 片机，但它的工作速度较慢，内部功能较少，需要增加大量外设来满足系统的 需求，所以达不到产品设计的要求。 方案二：选用 STM8S 系列微控制器，较方案一速度有所增加且外设较多。 但是考虑到本系统的涉及到很多个时钟控制，所以还是无法满足设计

6、需求。 方案三：选用 STM32F103系列单片机，STM32F103ZTE6采用 Cortex-M3内核， 最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法。片上集成512KB 的 Flash 存储器和64KB 的 SRAM 存储器。具有丰富的时钟源、3种低功耗模式、 12通道 DMA 控制器、3个12位的 us 级的 A/D 转换器、2通道12位 D/A 转换器；多 达11个定时器能够实现 PWM 输出、输入捕获、看门狗定时等功能；多通信接口 支持 IIC、USART、SPI、 、CAN 等通信。完全能过满足本设计的需求，丰富的功 能能够大大减少外围电路的搭建，因此

7、本设计采用方案三。 2.2.拾音电路方案比较拾音电路方案比较 方案一：采用甲乙类互补对称功放电路，简称三管功放。该电路采用单电 源方式供电，故而在输出负载支路中串接一个大电容，利用电容的储能作用充 当整个电路的负电源来满足电路的需求。三极管9014组成电压放大级，当二个 二极管正偏导通时，为两个8550三极管提供偏压，使三极管处于微导通状态。 在8550的发射级上串联3.3 电阻，以稳定偏流，减小环境温度对电路的影响。 该方案线路简单，具有良好的推挽输出，放大倍数达到了10倍，但是该放大倍 数还是较小。 方案二：利用 LM358构成反向比例运算放大电路，放大倍数能够满足系统要 求，但是麦克风采

8、集音频信号的输出值较小，而且 LM358构成的反向比例放大器 只能放大电压幅度，不能很好驱动后级电路。 方案三：采用三管音频放大电路作为前级和反相比例运算放大作为后级构 成拾音电路，三管音频功放能过很好的将音频信号进行拾音放大，在通过反向 比例运算放大器提高整体的放大倍数，满足后级电路的需求，因此本设计采用 方案三。 3.3.输出功率采集方案比较输出功率采集方案比较 方案一：STM32103FZET6 单片机内部集成有 3 个 12 位的模数转换器，直 接利用单片机的 ADC 采集功放的输出电压，喇叭的额定电阻值为 8 欧姆，可以 直接利用功率公式计算出功放输出的功率。电路十分简单，但是功放输

9、出的电 压波形比较复杂，直接通过单片机进行处理，编程过于复杂。 方案二：利用高精度均方根直流转换器 AD637 组成的均方值转换电路，将 复杂波形的功放输出转换易于计算的均方值，再通过单片机的 ADC 进行采集， 由于喇叭的额定电阻值为 8 欧姆，所以就可以利用功率公式直接计算出功放的 输出功率，送到 OLED 进行实时的显示。因此采用方案二。 4.4.输出功率调节方案比较输出功率调节方案比较 方案一：采用 PGA311 音频控制芯片，调节功放的输出功率，调节精度高， 但需要组建外围电路，连接复杂、调试不便。 方案二：由于 TPA3221D 功放自身带有增益和功率调节，利用单片机 IO 口 控

10、制功放的增益，按键控制 D/A 输出数字量改变功率调节端电压，从而起到输 出功率调节的目的，连接方便，无需采用外围电路大大提高的系统的可靠性， 因此采用方案二。 5.5.系统整体设计系统整体设计 三管功率放大器和 LM358 构成的反相比例放大器组成的拾音电路，三管音 频功放对台式麦克风音频信号进行拾音放大，在通过反向比例运算放大器提高 整体的放大倍数。LM393 构成的电压比较器和 CD40106 构成施密特触发电路组 成啸叫检测电路，麦克风输入音频信号经过三管功放放大后的电压值作为电压 比较器的输入电压，与基准电压进行比较后，将检测到的啸叫信号送入施密特 触发器进行波形的整形，从而通过单片

11、机定时器的输入捕获来采集啸叫的频率， 通过 OLED 进行实时的显示。按键可以直接设置功率放大器 50mW 到 5W 范围内 的输出功率。单片机通过控制 MAX262ACWG 双二阶通用开关电容有源滤波器来抑 制啸叫，并能够正常播放音频信号。抑制啸叫的开启通过开关来控制，啸叫开 启时，麦克风音频输入信号经过三管功率放大后经过啸叫抑制模块将信号送至 TPA3112D1 功率放大模块进行放大输出。啸叫关闭时，麦克风音频输入信号经过 三管功率放大后直接送到 TPA3112D1 功率放大模块进行放大输出。利用高精度 均方根直流转换器 AD637 组成的均方值转换电路，将复杂波形的功放输出转换 易于计算

12、的电压值，再通过单片机的 AD 进行采集，喇叭的额定电阻值为 8 欧姆， 可以利用功率公式直接计算出功放的输出功率，送到 OLED 进行实时的显示。 STM32103FZET6STM32103FZET6 单片机单片机 运放电路运放电路 啸叫检测啸叫检测 MAX262ACWGMAX262ACWG 啸叫抑制模块啸叫抑制模块 TPA3112D1TPA3112D1 功率放大模块功率放大模块 扬声器扬声器 AD637AD637 均方根均方根 采集模块采集模块 显示模块显示模块按键模块按键模块 麦克麦克风风三管功三管功放放 图 1 系统总体设计框图 二、理论分析与计算二、理论分析与计算 1.1.功放的效率

13、分析功放的效率分析 影响功率放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功 率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。为此，要提高效率则应降 低工作点，使无信号时，无直流损耗。但是，信号导通角逾小波形失真则愈大， 输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。如果输入波形其他边沿很陡直， 降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波 形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于 前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化。然而由 TPA3112D1 芯片构成 D 类 数字放大器工作于开关状态，无信号时无电流，而导电时，没有直流损耗，理 论上效

14、率能达 100%。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件 并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，实际效率在 90%左右, 是实用放大器中效率最高。 2 2、啸叫的抑制分析、啸叫的抑制分析 麦克风拾音后，经功率放大器放大后产生的音频信号又通过直接辐射方式 或声反射方式进入麦克风，使得整个扩声系统产生正反馈，引起声电信号自我 激励，扬声器随即产生啸叫。啸叫产生的四个主要原因为过载量、距离、角度、 频率，只要能破坏其中一个条件，就可抑制啸叫。避免啸叫、提升扩音音量最 有效的方法之一就是将话筒尽量靠近声源拾音，但是本题的要求是远距离拾音 衰减很小，调整距离对防止啸叫抑制作用不大

15、。自激啸叫的反馈回路是正反馈， 如果把输入信号移相处理，就会破坏自激的相位条件，从而防止系统的自激啸 叫。利用分立元件构成的模拟移频器，采用大量的电阻、电容对电阻，电容的 阻值，容抗精确度要求非常高。要求误差小于1%。否则模拟移频电路工作状态 和一致性会很差。另外由于时间，温度，适度，环境污染等原因也会造成模拟 移频效果的变化。通过单片机控制 MAX262ACWG 有源滤波器，实现带阻滤波，来 抑制啸叫，程控滤波器使用灵活、 调试容易以及工作性能稳定。 3.3.功放输出电压范围计算功放输出电压范围计算 当输入有效值为20mV 的正弦波音频信号，程控设置功放放大器的输出功率 范围在50mW5W,

16、则在8欧姆电阻上的正弦输出电压范围为0.89V8.94V。 VRPVMM32. 68*5*axVRPVOM63 . 0 8*05 . 0 *in 4.4.拾音电路放大倍数计算拾音电路放大倍数计算 三管功率放大器的放大倍数大约在 10 倍左右，反向比例运放的放大倍数 为，所以拾音电路总体的放大倍数在 68 倍。8 . 6 10 68 R1 f K KR AV 3 3、电路设计电路设计 1.1.拾音电路的设计拾音电路的设计 我们采用三管音频放大电路作为前级和反相比例运算放大作为后级构成拾 音电路，三管音频功放能过很好的将音频信号进行拾音放大，在通过反向比例 运算放大器提高整体的放大倍数，已满足后级

17、电路的需求。如附录 1 所示。 2 2. .啸叫频率和输出功率的采集啸叫频率和输出功率的采集 利用 LM393 构成的电压比较器和 CD40106 构成的施密特触发器组成啸叫频 率测量电路。麦克风输入信号经过拾音电路放大后的电压值作为电压比较器的 输入电压用来检测啸叫，经过施密特触发器进行波形的整形后，通过单片机定 时器的输入捕获测量出啸叫的频率。利用高精度均方根直流转换器 AD637 组成 的均方值转换电路用来采集输出功率，AD637 能将复杂波形的功放输出转换易 于计算的均电压值，再通过单片机的 A/D 进行采集，利用功率公式直接计算出 功放的输出功率。电路图如附录 2 所示。 3.3.啸

18、叫抑制设计啸叫抑制设计 MAX262ACWG 双二阶通用开关电容有源滤波器采用 CMOS 工艺制造,在不需外 部元件的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。可以 通过单片机精确控制滤波器的传递函数，包括设置中心频率、 品质因数和工作 方式。该电路由 STM32F103ZET6 单片机 I/O 口进行控制,由单片机的 IO 口将数 据送入 MAX262 中,通过设置相应的参数,可实现带阻滤波，就可以将啸叫滤除， 有效的抑制了啸叫，并能够正常播放音频信号。这种程控滤波器具有使用灵活、 调试容易及工作性能稳定等特点。电路图如附录 3 所示。 4.4.人机交互电路人机交互电路 以 S

19、TM32F103ZET6 最小系统板最为核心控制，通过按键输入，单片机就可 以控制功率放大器的输出功率范围。OLED 作为单片机的显示模块可以实时显示 当前的输出功率和啸叫时的频率。电路图如附录 4 所示。 四、程序设计四、程序设计 1.1.程序设计主流程图程序设计主流程图 程序初始化：初始化系统及外设时钟，使能外设。当定时器输入捕获检测 到啸叫频率后，单片机将设置的滤波参数通过 IO 口送入 MAX262，实现带阻滤 波，当检测到按键按下后，D/A 输出步进 0.1V 电压，用于控制功率放大的输出 功率。A/D 实时采集 AD637 的转换后电压值，进行计算处理，最终将啸叫频率和 输出功率送

20、到 OLED 进行显示。 N Y Y N 有无按键输入？有无按键输入？ 程控滤波程控滤波 DACDAC 输出步进输出步进 0.1V0.1V 计算输出功率计算输出功率 显示功率和频率显示功率和频率 ADCADC 采集采集 均方值电压均方值电压 程序初始化程序初始化 是否检测到啸叫？是否检测到啸叫？ 图 2 主程序流程图 2.2.程控滤波子程序设计程控滤波子程序设计 采用 keil uvision4 对 MAX262 进行软件程序设计,MAX262 的地址 A0 A3 与数据 D0D1 的关系如表 1 所列。由表 1 可看出,每个滤波器的工作模式、 中心 频率 f 0、 品质因数 Q 值所需编程数

21、据,均需分 8 次写入 MAX262 的内部寄存 器才能完成设置。由 Q 值计算 N 并转换成二进制编程数据 Q0Q6 送片内 RAM ,由 输入的中心频率 f 0 值计算 N1。N 为二进制数据 Q0Q6 对应的十进制整数, 范围为 0127 ,共 128 级; N1 为二进制数据 F0F5 对应的十进制整数,范围 为 063 ,共 64 级。在获得 MAX262 的工作参数后,根据表 1 将这些参数转换 为 8 字节的编程数据。通过单片机 IO 口将数据送入 MAX262，进行设置。设置 完成后,MAX262 就按照当前所需求的中心频率、Q 值和滤波器工作方式对输入 信号进行滤波处理。 表

22、 1 MAX262 的地址分配 四、测试方案与结果四、测试方案与结果 1.1.测试仪器测试仪器 数控式直流稳压电源（LPS-305） 、数字万用表（VC9807A+)、数字示波器 （TDS1001B） 、F05A型数字合成函数信号发生器/计数器。 2.2.硬件参数硬件参数 利用驻极体话筒对音频信号采集，驻极体话筒的具体参数如下： 型号 CZN- 15E，全指向性，频率范围在 20Hz12KHz，灵敏度为-58-2dB，输出阻抗 1K，额定电压 112V，额定电流 0.02A。 啸叫检测时，输出端外接额定功率为5W，额定阻抗为8的组合纸盆电动式 喇叭。 3.3.测试结果测试结果 在输入电压 12

23、V 时，用函数信号发生器产生频率 1KHz，有效值为 20mV 的正 弦波送入输入端，输出端外接 8 欧姆、5W 纯电阻负载。通过按键设置功率放大 器的功率，通过数字示波器测量出功放的输出范围。 表 1 测试结果 输出电压(V) 0.6191.833.304.225.416.40 输出功率(W) 0.0470.4181.372.223.665.20 输入功率(W) 0.0540.4711.682.544.235.98 显示功率(W) 0.0500.4301.392.313.615.01 整体效率(%) 88.887.886.585.284.782.6 误差（%） 7.27.58.18.68.79.1 4.4.测试结果分析测试结果分析 1) 在输入音频信号有效值为 20mV 时，功率放大器的最大不失真功率（仅考 虑限幅失真）为 5W，误差在 9，满足设计要求。 2）在输入音频信号有效值为 20mV 时，可以程控设置功率放大器的输出功率， 功率范围为 50mW5W，满足设计要求。 3）