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1、带啸叫检测与抑制的音频功率放大器（D题）摘要：该设计是基于功率放大器TPA3112D1 的带啸叫检测与抑制功能的音频放大器。其音频放大器是由五个模块构成即拾音电路模块，啸叫抑制模块，功率放大器电路模块，MSP430 控制与显示模块，音频输出模块。其能产生优质的放大音量并能有效的抑制啸叫。关键字：拾音电路，功率放大，啸叫检测和抑制。目录1. 方案设计与论证 .3 1.1拾音电路的方案设计.3 1.2功率放大电路方案设计.3 1.3啸叫抑制电路方案设计.3 1.4显示控制电路方案设计.4 2. 硬件的设计 .4 2.1拾音电路的设计 .4 2.2电源模块设计 .5 2.3程控放大电路 .6 2.4
2、 峰峰值检测 .7 2.5啸叫抑制电路 .7 3. 软件的设计 .7 4. 系统测试 .9 4.1测试方案 .9 4.2测试结果与分析 .9 5. 设计总结 .9 6. 参考文献 .9 7. 附件.10 1. 方案设计与论证1.1拾音电路的方案选择 方案一：采用 Maxim公司生产的一款高性能放大器MAX9814 ，具有自动增益 控制（ AGC ）和低噪声麦克风偏置，器件具有低噪声前端放大器，可变增益放大 器（VGA ）输出放大器，麦克风偏置电压发生器和AGC 控制电路。低噪声前置放 大器具有 12dB固定增益；VGA增益根据输出电压和AGC 门限在 20dB至 0dB间自 动调节。输出放大器
3、提供可选择的8dB，18dB和 28dB增益。在未压缩的情况下， 放大器的级联增益为40dB，50dB和 60dB 。输出放大器增益由一个三态数字输入 编程。 AGC 门限由一个外部电阻分压器控制，动作/ 释放时间由单个电容编程。 动作/ 释放时间比由一个三态数字输入设置。AGC 保持时间固定为30ms 。低噪声 麦克风偏置电压发生器可为绝大部分驻极体麦克风提供偏置。但电路设计难度大 且成本高。 方案二：采用 TI 公司生产的双功放LM358通过外接电阻电路构成一个能放 大拾音电路，运放的两个输出端接入降噪芯片的左右声输入通道。LM358内部包 括有两个独立的， 高增益，内部频率补偿的双运放放
4、大器。 电路设计和制造较难。 方案三：采用 NE5532这种双运放高性能低噪声运算放大器。其有很好的输出驱 动能力和噪声能力。该方案具有噪声小，音质好，功耗低，稳定性好且方案间单 成本低。 故选择方案三。1.2程控放大电路方案选择 方案一：宽带电压增益控制放大器VCA822的控制电压输入端 VG的电压范围 为1V1V,可以用含有电位器的电路来调节，其优点是电压连续可调，缺点是 精确调节较难另外也与本设计要求不符。 方案二：用 TPA3112D1 作为音频放大模块。 TPA3112D1 是一个 25W单声道， 无需外加滤波器的D类音频放大器，其供电的范围为8V26V ；采用 H桥作为功 率输出级
5、，使得其可在没输出没有传统的LC滤波器的情况下直接驱动感性负载； 输入的音频信号可以是差分形式，其中在 24V供电情况下， 满负载驱动 8 的桥接 式扬声器，声音失真率仅为0.1%。 所以选择方案二。 1.3 啸叫抑制电路方案选择。 方案一：频率均衡法由于传声器拾音和发声设备的频率曲线不是理想平坦的 直线，特别是一些质量比较差的放音设备，由于厅堂声场的声学往往都有谐振作 用，使频率响应起伏很大。 可以用频率均衡器补偿扩声曲线，把系统的频率响应 调成近似的直线， 使各频段的频响基本一致进而提高系统的传声增益，这种方法 也叫做宽带陷波法。 通常应该使用 21段以上的均衡器， 在要求比较高的场合还应
6、 该配置参量均衡器， 要求更高时， 则可采用反馈抑制器。 实际上扩声系统在出现 反馈自激时， 频率只是固定在某一点上的纯音，只要用一个频带很窄的陷波器将 此频率切除， 即可进行有效抑制。 选择频率特性比较平直的传声器和扬声器，减 少由于峰值易引起的自激。方案二：移相方式抑制啸叫：顾名思义，移相就是移动相位。在前面我们曾提到过“相位”一词，在空中某点，当反馈回来的声音和原始声音同时压缩或扩张了该点空气，我们称反馈声与原始声相位“同相”，该点声音增大；相反，如果一个声音压缩该点空气的同时另一个声音却扩张了该点的空气，我们称这两个声音相位“反相”，该点声音减弱。 可见当原始声和反馈声 （或直达声和反
7、射声）在空中相遇后到底使音量增大了呢、 还是减小了呢，这与其之间的相位紧密相关。移相器正是基于通过改变输入信号的相位来破坏房间峰点和啸叫的累积建立过程，从而破坏构成声反馈条件，最终达到防止啸叫的目的。1.4显示电路的选择方案一：用 ATMEL89C51 单片机来进行信号的采集和取样同时进行数据的显示。可以仿真 63K程序空间 , 接近 64K 的 16 位地址空间； 可以仿真 64Kxdata 空间, 全部 64K 的 16位地址空间；可以真实仿真全部 32 条 IO 脚； 完全兼容 keilC51 UV2 调试环境 , 可以通过 UV2 环境进行单步 , 断点, 全速等操作；可以使用C51语
8、言或者 ASM 汇编语言进行调试；可以非常方便地进行所有变量观察, 包括鼠标取值观察 , 即鼠标放在某变量上就会立即显示出它此的值； 可选 使用用户晶振，支持 040MHZ 晶振频率；片上带有768 字节的 xdata, 您可以在仿真时选使用他们, 进行 xdata 的仿真；，可以仿真双DPTR 指针； 方案二：有 430 单片机来进行信号采集和取样同时进行显示。MSP430 系列 单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT ）、模拟 比较器 A、 定时器 A0 （Timer_A0） 、 定时器 A1 （Timer_A1） 、 定时器 B0 （Timer_B0） 、 UA
9、RT 、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位/12 位 ADC 、16 位- ADC 、 DMA 、I/O 端口、基本定时器（ Basic Timer ）、实时时钟（ RTC ）和 USB 控制器 等若干外围模块的不同组合。 其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比 较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器； 16 位定时器 （Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获 / 比较功能， 大量的捕获 / 比较寄存器， 可用于 事件计数、时序发生、 PWM 等； 由于在峰峰值检测时其需要高速的AD和 DA采样，所以需要强大的处理功能。 故 选择方案二。2 硬
10、件的设计2.1拾音电路的硬件设计 拾音电路的设计主要以NE5532集成块为基础，通过两级放大之后再通过一 系列滤波电路的整合， 经全相麦克风测试， 拾音效果十分清晰， 当电脑喇叭相隔 20cm ，功放喇叭背离麦克风100cm时，拾音结果也还是很清晰，没有啸叫。当麦 克风正对功放喇叭且相隔100cm时，产生明显啸叫。其电路图如下：电源拾音电路啸叫检测抑制啸叫滤波程控放大喇叭此电路的话筒偏置是采用了由R 2 与 c 3 、c 9 构成 R - c滤波器来衰减偏 置电压带来的噪声，并将话筒靠近放大电路输入端安装来减少噪音的影响。R p l ，R I O ，R9为驻极体话筒提供偏置电压。通过调节R p
11、l 使驻极体话筒得到 所需要 2 3 v 的偏置电压，该偏压的大小也调整了电路的灵敏度。该电路中实 现放大作用的主要是由运放I C2 构成放大电路来完成的。I C2A 与 I C2B 之间 通过由 R12 、R 1 3、R 14 、R5构成的惠斯通电桥进行耦合。该电路中I C2A 构 成钓电压放大器采用了同相输入的形式，对话筒而言相当于一个 “较轻”的负载， 这样对话筒的影响较小，该级的电压放大倍由式?R 4 +R p 3、决定。电 L l 十 一 J 足 1 l路中 I C 2B 构成的电流放大器只是R14的参 上和 s 类放大电路不 一致，其放大能力采用与s 类放大电路类似。 s 放大电路
12、参数的选择使电桥处于 平衡状态，即： R 12 X R l 4= R13XR 5。2.2电源模块设计 此电子设计大赛所要用到的有+5V电源和 +12V电源，我们组就简单设计了一 个正负 5V和正负 12V的电源，以备后用。下图为正负5V电路设计。经过变压， 整流，滤波，稳压和保护等基本电路模块构成，其中稳压部分用的是LM7805 和 LM7905 电源稳压芯片来进行稳压； 其中正负 12V电源设计与正负 5V类似，用的是 LM7812 和 LM7912 稳压芯片，效果明显。（1）变压：电网供电电压交流220V(有效值 )50Hz，要获得低压直流输出，首先必 须采用电源变压器将电网电压降低获得所
13、需要交流电压。 （ 2 ）整流：降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变 化大（即脉动大）。 （3）滤波：脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电， 即将交流成份滤掉，保留其直流成份。 （4）稳压：滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外 界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL 。 （5）保护：过压和过流保护， 限流保护电路和截流保护电路或利用稳压管的 反向击穿稳压进行过压保护。 经测试后，电源可以正常工作。2.3程控放大电路的设计 程控放大电路采用TPATPA3112D1 是一款具有 SpeakerGuard 的 25W单声道、 无需外加滤波器的
14、D类音频放大器， 运用在电视和消费类音频设备中。该芯片供 电范围为 8V 到 26V,采用 H桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的LC 滤波器的情况下直接驱动感性负载；输入的音频信号可以是差分形式，其中在 24V供电情况下，满负载驱动8 欧姆的桥接式扬声器，声音失真率仅为0.1%。2.4峰峰值检测电路 峰峰值检测电路可以是通过设置低通率滤波器的截止频率fH 为 6kHz，高通 滤波器的截止频率fL 为 20Hz即可。通过实验证明其电路的检测峰峰值的检测效果很好，误差较小。2.5啸叫抑制电路 移相法是利用相同频率而不同相位的声波生产干涉，导致相互消弱甚至抵消 的原理，抑制正反馈，提高音质。其原理图。Q1采用分压式电流负反馈偏置电路，由于R4的电流负反馈作用，所以该级 的静态工作点较为稳定，由于R3和 R4的阻值相等，所以 Q1的发射极，集电极 输出的信号也大小近似相等， 相位刚好相反，从而完成了对输入信号的倒相作用。 Q2和 Q1的集电极通过电容C4交流接地，构成了射级输出级，故面当移相电路
