TI杯大学生电子设计竞赛D题音频功率放大器及啸叫抑制设计.docx
《TI杯大学生电子设计竞赛D题音频功率放大器及啸叫抑制设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TI杯大学生电子设计竞赛D题音频功率放大器及啸叫抑制设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
TI杯大学生电子设计竞赛D题音频功率放大器及啸叫抑制设计
摘要
本音频放大器是基于TI的功率放大器芯片
，设计并制作的一个带有啸叫检测与抑制功能的音频放大器。
音频放大器主要由四部分组成：
信号发生器、拾音电路、啸叫的检测与抑制、带有滤波功能的功率放大电路。
拾音电路主要是用信号放大电路将其信号发生器的单端输出
变换成前置放大器的双端输入
，在利用前置放大器将输入信号进行放大，以便对其信号进行检测。
对于前置放大器的放大倍数，通过对运算放大器的电阻进行控制，以达到改变放大倍数。
啸叫检测与抑制是利用波形变换电路将信号输入到单片机，在利用单片机对
控制达到啸叫的抑制。
功率放大电路是将输出的信号功率进行放大，并且将一些外界干扰进行滤波，使输出波形更加平稳可靠。
完成输入信号有效值为
，在负载为
的情况下，对其输出的功率进行控制，已到达
的范围，并且使其功率放大器的频率范围在
。
对由于声反馈产生的啸叫进行检测与抑制，使其音频放大器能够避免周围环境以及设备所产生的啸叫。
达到一个良好的音频效果。
同时该系统还完成了LC滤波的设计与自制
电源的设计。
关键词:
功率放大；啸叫检测与抑制；自制电源；
1.设计任务
基于TI的功率放大器芯片
，设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，完成对台式麦克风音频信号的放大，通过功率放大电路送喇叭输出。
电路示意图如图1所示。
图1电路示意图
2.设计要求
2.1基本要求
1）设计并制作图1中所示的“拾音电路”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器。
要求：
a）在输入音频信号有效值为
时，功率放大器的最大不失真功率（仅考虑限幅失真）为
，误差小于
；
b）在输入音频信号有效值为
时，程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为
；
c）功率放大器的频率响应范围为
。
2）系统采用12V直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。
3）在功率放大器输出功率为
时，电路整体效率
。
4）将台式麦克风与喇叭相隔
背靠背放置，见图2，使用电脑播放音乐作为音频信号源。
音频功率放大器能通过麦克风采集信号，经功率放大电路送喇叭输出，输出的音频信号清晰。
图2作品基本部分测试图
2.2发挥部分
1）设计并制作图1所示的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。
要求：
a）在不进行啸叫抑制时（图1的选择开关K1连接A端，K2连接C端），将麦克风与喇叭相隔1m面对面放置，见图3，从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止；
b）啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。
实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率；
c）启动啸叫抑制电路（图1的选择开关K1连接B端，K2连接D端），音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。
2）进一步改进啸叫抑制电路。
在保障无啸叫的前提下，尽量提高音频功率放大器的输出功率；如果输出功率达到
功率，啸叫抑制电路仍能正常工作，进一步缩短面对面放置的麦克风与喇叭之间的距离。
3）其他。
图3作品发挥部分测试图
2.3解释说明
1）作品使用的麦克风为台式全向麦克风，其灵敏度大于
，插头直径为
，输出阻抗为
。
麦克风灵敏度的定义是馈给
的声压时，麦克风输出端的电压（
）。
2）作品使用的喇叭为组合纸盆方式的电动式喇叭，额定功率为
，额定阻抗为
。
3）拾音电路的输入接口，以及功率放大电路连接到喇叭的接口必须外露，可方便进行连接，以便测试时使用。
4）作品要求
（1）、
（2）和（3）的指标测试，使用音频信号源外加正弦信号和外加8纯电阻负载的方式进行测试。
的功率放大电路带有LC滤波，输出的正弦信号无明显失真。
要求基本要求中（4）以及发挥部分的指标测试，使用电脑
喇叭（功率不超过1W）播放音乐作为信号源，放置在距麦克风
的位置。
3.设计方案评定与选择
本系统主要由拾音电路模块、功率放大电路模块、啸叫检测与抑制模块、电源模块以及滤波模块组成。
下面分别论证各个模块的选择。
3.1拾音电路模块选择
方案一：
使用宽带放大器，比如说选择美国AnalogDevices公司在2003年研制成功的一种超低噪声超低失真的高速运算放大器
，这种电压反馈型的运算放大器比较适合用于高位数系统的理想放大器，而且它的线性度、噪声抑制效果以及转换速率都比较的高，有利于增加在低增益情况下的全功率带宽。
但是
的高带宽达到了几兆赫兹以上，与我们所发出的的频率范围差别很大。
而且此放大器的连接线路复杂，会增加其调试的难度，使其要求很难满足本次给定要求。
方案二：
采用单端输入、单端输出的运放电路，此类运放电路结构简单，易于焊接，但是单端输入、单端输出电路的极点频率比较低，输出的摆幅小，偏差大，容易产生镜像极点，抗干扰的能力也比较的弱。
方案三：
采用负反馈放大电路进行，引入了负反馈以后可以改善放大电路的各项性能指标，而且负反馈的程度越深，改善的效果越好，但是过度的负反馈很容易引起放大器电路产生自激振荡，这时候放大电路的输出信号不再受输入信号的控制，将失去放大作用，不能够进行正常的工作。
方案四：
采用差动输入的三级运放电路，这样的电路能够对其微弱信号进行检测并将其放大，而且输入阻抗高，而且可以通过调节电路中的电位器，以获得各种需要的放大倍数，十分的灵活，当在一般的电路上增加一个电压跟随器。
在实际中前面两大放大器不可能完全对称，这样电阻也存在误差，电路中的实际共模抑制比就会比理想值小，而增加一个电压跟随器以后，可以使前端两个运算放大器的电源电压浮动与共模电压相同，从而可以大大的削弱共模干扰的影响。
综上所述：
由于方案一的线路连接复杂，且其高频超过了我们
；方案二输出偏差大，容易产生镜像极点；方案三容易引起自激振荡；方案四的放大倍数容易实现控制，干扰小，线路连接方便。
最终我们采用了方案四进行设计。
3.2啸叫检测与抑制模块选择
在我们使用扩声系统时，尤其室内使用拾音器（俗称话筒）扩声经常产生啸叫，原因就是房间固有的存在回声现象，当音箱产生的回声返回时通过了话筒，会再次被话筒拾到声音，使回声再次进入扩音系统进行了放大，如果回音和初始音相位相同则两个声音会产生叠加加强，加强的声音再次回声到话筒放大，再次加强，如此周而复始，便产生了强烈的刺耳的啸叫，从而破坏了扩声系统的稳定，有效的声音进不去也扩不出来，也听不到，整个设备不能正常工作。
所以，产生啸叫的根本原因是回声（回声反馈加速引起的）。
啸叫的检测通过将啸叫进行信号波形变换然后输入到单片机中，通过单片机进行检测。
对于啸叫的抑制的方法有以下几种：
方案一：
采用均衡方式抑制啸叫。
均衡器是将
内的声音频带按照一定的倍频程（倍数关系）划分段落，最常见有15段和31段均衡器等（双通道和单通道姑且不管）。
均衡方式抑制啸叫是采用人工手动的的方法，需要人耳非常熟悉发音的频率是多少，手动之时动作要迅速，判断频率和操作要迅速到位，不能出错，否则长期啸叫可能引发系统不稳和烧毁因此采用这种方法对操作人员的要求极高，非专业人士难以胜任。
方案二：
采用移频方式抑制啸叫。
移频就是移动频率，移频器正是基于通过改变输入信号的频率来不断回避房间峰点施加的影响，从而破坏构成声反馈的条件，最终达到防止啸叫的目的。
移频器的工作方式就是：
当正向移频时，将引发啸叫的峰点一步一步往音频的高频端“赶”，直到“赶”出音频的范围；反之，当正向移频时，将其一步一步往音频的低频端“赶”，目的是同样“赶”出音频范围。
但是移频技术也存在一些问题：
整个声音频率范围内的频率失真，移频器对扩声环境没有鉴别等。
方案三：
设计一种数控啸叫抑制系统如图五所示，系统主要分为三大单元：
由89C52单片机构成的CPU处理单元；由数控滤波芯片MAX260构成的滤波处理单元；由运放构成比较器将音频信号转换为测频用的脉冲信号的测频单元。
这种系统对于啸叫的抑制可以不断的进行修改，对啸叫能够达到比较良好的控制效果。
图4数控啸叫抑制系统框图
综上所述，方案一需要人工进行控制，控制要求高，需要专业的人员才能够达到良好的控制；方案二对扩音环境不具有鉴别，很容易出现差错，使控制达不到相应的要求；方案三采用单片机对啸叫进行实时的控制，并可利用单片机显示啸叫的频率，然后利用
将啸叫进行抑制，最终我们选择方案三进行设计。
3.3滤波模块选择
为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容．由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为
的电容，以滤除高频及脉冲干扰。
方案一：
采用FB-C进行滤波。
如果扬声器电缆长度适中，FB-C滤波足以满足EMI限制。
与LC滤波相比，FB-C滤波方案更为精简，成本效益更高。
但是，由于只能在频率大于
的情况下生效，FB-C滤波的应用范围受到很大的限制。
而且，在频率低于
的情况下，如果扬声器电缆走线不合理，也会导致传导辐射超标。
方案二：
ＬＣ滤波相比之下，LC滤波可以在频率大约为
的情况下即开始起到抑制作用。
当某设计中所用的电缆线较长，而PCB布局又不是很好时，LC滤波无疑是一个“保险的”选择。
方案三：
采用“无滤波器”滤波进行滤波。
“无滤波器”放大器拓扑是最具成本效益的方案，因为它省去了额外的滤波元件。
采用较短的双绞线扬声器电缆时，D类放大器完全可以满足电磁兼容性标准。
但是，和FB-C滤波一样，如果扬声器电缆走线不合理，可能出现传导辐射超标。
还需注意，Maxim的D类放大器也可以实现“无滤波”工作，只要在放大器的开关频率下扬声器是感性负载。
在输出电压进行转换时，转换频率下的大电感值可使过载电流保持相对恒定。
综上所述，方案一中的FB-C在低频时滤波的范围受到很大的影响，而我们所输出的频率范围在低频段，控制不能够起到良好的作用；LC滤波的频率低，在低频时就可以起到抑制的作用；方案三中滤波效果不错，但是所需要的一些元器件不好买到，所以最终我们选择方案二进行设计。
3.4电源模块选择
3.5.112V转5V电源
方案一：
采用7805芯片进行转换，电路图如图六所示，从电路图可以看出利用7805芯片接成的转换电路，其输出的控制值稳定性差，会导致具有波动，使后面的电源供电不稳定，对整个电路造成影响。
图5利用780512V转5V
方案二：
采用LM2576系列的稳压器进行变换电压，可以提供降压开关稳压器的各种功能，可以驱动3A的负载，具有优异的线性和负载调整能力，而且这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部的元件数目减到最少，使用简便。
LM2576的效率比流行的三段线性稳压器要高得多，一般不需要或只要很小尺寸的外加散热片。
输出开关包括逐周限流，以及在故障状态下提供完全保护的热关断功能。
其输出5V外部接线图如图6。
图6利用LM2576 12V转变5V
综上所述，由于买不到方案一的芯片，最终选择方案二进行设计。
3.5.25V转—5V
方案一：
采用LTC660实现5V变—5V的稳压电源，该LTC660是单片CMOS开关电容电压转换器。
它执行从1.5V到5.5V的输入电源电压范围转换从正到负，得到-1.5V至-5.5V互补的输出电压。
它还在2.5V至5.5V的输入电压的范围内进行加倍，从而产生5V的电压双倍输出至11V。
只有两个需要的电荷泵和具有电荷储存功能的外部电容。
该转换器有一个内部振荡器，可以由一个外部时钟驱动或减慢时间连接到电容器。
卸载时振荡器运行在
。
此类音频带的外在频率较高，也可以当升压引脚从V+获得的。
其输出—5V外面连接如图7。
图7利用LTC6605V转变—5V
但是由于LTC660在元器件市场没有找到，没有办法进行下去。
方案二：
使用MAX660将5V转变为—5V。
该MAX660单片电荷泵电压逆变器A+1.5V至+5.5V输入转换为相应的-1.5V至-5.5V输出。
仅使用两个低成本的电容器，该电荷泵的100毫安输出替换开关稳压器，消除了电感器和其相关联的成本，尺寸和EMI。
大于90％的效率，其大部分负载电流范围内结合仅120μA的典型工作电流的同时提供了电池供电和板级电压转换应用的理想性能。
该MAX660还可以增加一倍的输入电源或电池的输出电压，从A+5V输入提供+9.35V在
。
频率控制（FC）引脚选择要么
的典型值或
的典型值（
的最小值）操作以优化或尺寸和静态电流。
振荡器的频率也可以调整与外部电容器或与一个外部时钟驱动。
该MAX660是引脚兼容，高电流的ICL7660的升级。
其外接电路图如图8。
图8MAX6605V转变—5V
综上所述，由于买不到方案一种的芯片，最终我们选择方案三进行设计。
4.单元模块设计
根据前面的方案设计以及所需要的元器件，设计的总体流程图9所示：
图9系统流程图
4.1拾音电路设计
4.1.1信号变换放大器
信号变换放大器：
把麦克风发出的单端输出信号经信号变换放大器变换为前置放大器的双端输入信号。
信号变换放大器如图10所示。
图10信号变换放大器
信号变换放大器主要功能是将麦克风的单端输出
变换成三级放大器的双端输入
。
对于同相放大器电压增益
当
时；
；
对于反相放大器，电压增益
当
时；
反相放大器同端对地电阻
为平衡电阻，
即总的增益
4.1.2程控三级运算放大器
程控增益放大器是以放大器为基础通过单片机，电阻网络等一起构成的。
如图11所示。
单片机对电位器进行控制，而电位器又经过与测量放大器相连，并通过控制精密增益调节电阻网络，使精密增益调节电阻网络来调节测量放大器，最终实现程控增益放大器。
如已知信号源所需放大倍数，并把这些放大倍数的对应数字量存入ROM中，当需要输入某信号时，则单片机将该对应的放大倍数从ROM中取出，经过电位器，精密增益调节电阻网络等，使放大器按这个放大倍数输出，既完成了程控增益。
图11程控运放流程图
在实时控制与数据采集系统中，因被控对象和使用的检测器件不同，有些传感器输出的电压（或电流）信号（或稍经修整）能与A/D转换器匹配，有些输出虽已经是数字式（如脉冲式流量记，各种类型的编码盘和同步感应器等）的，但大多数传感器的输出信号很微弱；需要放大才能与A/D转换器输入电压相匹配。
测量放大器的原理
测量放大器也称数据放大器或仪表放大器。
一般运算放大器用作测量放大器，性能往往显得不够。
测量放大器由一组运算放大器组成。
典型图如下：
图中：
A1和A2构成高输入阻抗的第一级，测量放大器的差动输入端Vi1和Vi2分别是两个运算放大器（A1和A2）同相输入端，故输入阻抗高。
A3为将差分输出变为单端输出信号的第二级负载在V0与基准之间，检测点与V0端通常在外部相连（也有一些测量放大器已在内部连好）且参考电位取地电位，测量放大器的放大倍数A为:
当
时放大器倍数A为:
式中
是用与调节放大倍数的外接电阻，其中
通过调节
可方便获得各种需要的放大倍数，十分灵活。
设计图如图12所示：
图12程控三级运算放大电路
4.2功率放大电路设计
TPA3112D1是一款具有SpeakerGuardTM的25W单声道、无需外加滤波器的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
；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8Ω的桥接式扬声器，声音失真率仅为0.1%。
TPA3112D1采用差分信号输入，经调制后得到两路驱动信号分别为图中所示的DRVP和DRVN，这两路信号事实上为两路占空比随输入信号变化的PWM，它们和它们的反向信号一起控制图中所示的H桥的桥臂的开关，实现功率放大输出。
图13H桥式电路
TPA3112D1的供电选择运用12V的电压。
差分输入应用中，差分信号一定通过电容与输入引脚INN和INP相连。
如果是单端输入的应用，不使用的引脚要通过，电容与地相接，连接示意图如图所示。
输入电容选取公式：
可以根据我们选择的电路，计算出我们所需电容大约为
。
图14差分信号输入接口电路
输出电路需要采用一个LC滤波。
电路图如下
图15LC谐振滤波
整体电路图如下
图16功率放大电路
4.3啸叫检测与抑制设计
系统主要分为三大单元：
由89C52单片机构成的CPU处理单元；由数控滤波芯片MAX260构成的滤波处理单元；由运放构成比较器将音频信号转换为测频用的脉冲信号的测频单元。
流程图如下：
4.3.1测频电路
由于元器件的限制，采用波形变换电路，当系统发生啸叫时，测频单元会连续夺得检测到同样的频率。
采用的是单片机进行等精度测频的原理。
如图所示,设在
时刻系统开始初始化,T1、T0分别设置成16位的计数器、定时器来对输入信号和时标信号来计数,它们初始值均为0。
时标信号的频率在单片机内固定为
，
为单片机的晶振频率。
外部中断INT1设置边沿触发方式,开放INT1和T0的中断允许。
在t1时刻,输入信号的跳变沿产生第一次INT1中断时开放TR0、TR1计数允许,并关闭INT1自身中断允许。
当T0计数溢出时,可在t2时刻产生T0中断,记录自身的中断次数n,再次开放INT1的中断允许。
T0溢出中断后将从0开始继续计数,直到t3时刻由输入信号产生第二次INT1中断,然后关闭TR0、TR1以完成一次测频。
T1中的计数值代表了输入信号完整的N1个周期。
设T0中的剩余读数为N2',则被测信号的频率由下式计算:
4.3.2滤波处理单元
在本系统中采用了两片MAX260,并将两芯片都设置为工作方式一,采用陷波输出通道即引脚HP。
两片MAX260共有四个陷波通道,以串联方式连接,即系统可动态滤除四个啸叫频率点。
不同频段的采样时钟信号Fclk由单片机74LS175分频获得。
晶振频率
则
。
图17啸叫检测与抑制电路
4.3.3显示单元
显示单元采用单片机对LCD12864进行控制，以达到对功率的实时显示。
5.程序设计
5.1数字电位器控制
MCP41010是阻值为
，具有256个抽头，因此每变化一个抽头阻值
左右。
MCP41010是采用低功耗CMOS技术，其静态工作电流量最大值为
，其关断功能可断开所有电阻电路，最大限度的节省功耗。
采用单片机的P1.7口控制MCP41010的串行时钟口，P1.6口控制串行数据输入口，P1.5口控制片选口，电源接5V电源。
程序件附录9.3。
5.2啸叫检测控制
6.系统调试与分析
6.1输入音频信号有效值为20mV时，音频信号为正弦信号，频率为
时，外接
电阻，调节功率放大器的放大倍数使失真度在10%以内时，测量功率放大器的最大不失真功率。
输入信号有效值
最大不失真率
20mv
6.2在输入音频信号有效值为20mV时，音频信号为正弦信号，频率为
时，外接
电阻，控制电子电位器的阻值变化，测量功率放大器的输出功率的范围：
阻值
功率放大器输出功率
6.3在输入音频信号有效值为20mV时，音频信号为正弦信号，固定数字电位器的阻值，然后在改变输入信号的频率，找到输出最大的一个频率，在改变频率，查找幅值变化
的频率，即为功率放大器的频率响应范围为
6.3功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率
输出功率
电路整体效率
电路损耗
5W
6.4在不进行啸叫抑制时，将麦克风与喇叭相隔1m面对面放置，从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止。
实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率。
输出功率
啸叫频率
6.5如果输出功率达到5W功率，啸叫抑制电路仍能正常工作时，进一步改进啸叫抑制电路的检测
麦克风与喇叭之间的距离
啸叫抑制电路能否正常工作
7.设计总结
经过为期多天的设计，感触颇深的是理论与实践是分不开的！
在大赛开始时，我们经过讨论选择了音频功率放大器及啸叫抑制设计这题，原本以为根据对已学课程的了解，我们就可以较其他题目而言轻松完成任务，但是后来我们认识到纯模拟电路的理论知识固然比控制类的要简单，但是在实践时，问题就频频出现，如参数的设置等。
虽然实物与模拟在调试时的值有一定的差距，成品也并没有预期的那样，很多时候模拟测出的量和实际测出的量会差很多，这不仅要有一定的耐心去好好补补理论知识，还要知道一些元器件的工作特性。
总之经过这次的竞赛，我们明白了团队合作的重要性，明白了知识是无限的，更明白了要我们懂的东西还不止这些。
我们的设计还存在着缺陷，有待于在将来设计中进一步提高。
8.参考文献
[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M]（第三版）.北京：
高等教育出版社，2006
[2]阎石.数字电子技术基础[M]（第五版）.北京:
高等教育出版社，2006.5
[3]刘玲.C语言程序设计教程[M].北京:
清华大学出版社，2011.3
[4]韩雪涛.电子元器件检测与选用[M].北京：
电子工业出版社，2010.7
[5]艾研信息.AY-TPA3112D1EVM用户指南[EB/OL].
2014.8
[6]吴永德.苏建.一种数控啸叫抑制控制系统的设计[A].广东：
广东省电子技术
学校，2007
[7]何艳辉.梁伟谦等.基于频率的数字助听器中的啸叫检测与抑制[A].北京：
清
华大学，2012
[8]徐国伟.王凤刚等频率采样法设计陷波器及其在啸叫抑制中的作用[A].四
川：
电子科技大学德州仪器DSP技术中心,2005
9.附件
9.1电容式麦克风指标
产品类型
电容式麦克风
阻抗
1.5KΩ
指向性
无（全）指向性
灵敏度
频率回应
40Hz~16KHz
工作电压
3V
接口
Ф3.5mm
线长
约1.5m
9.2组合纸盆方式电动式喇叭指标
9.3数字电位器程序
#include//包含单片机寄存器的头文件
#include//包含_nop_（）函数定义的头文件
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
//#defineDATA_CD0x11
sbitsck=P1^7;
sbitsi=P1^6;
sbitcs=P1^5;
voiddelay（uintn）
{
n=n*110;
while（n--）;
}
voidwritedata（uchardat1）//调整数字电位器
{
uchari,command=0x11;
cs=1;
sck=1;
si=0;
cs=0;
delay（10）;
sck=0;
delay（10）;
for（i=0;i<8;i++）//写命令
{
command=command<<1;
si=CY;
_nop_（）;
sck=1;
_nop_（）;
sck=0;
_nop_（）;
}
for（i=0;i<8;i++）//
升级会员 