帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器報(bào)告

1、帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器（D題） 摘要：該設(shè)計(jì)是基于功率放大器TPA3112D1的帶嘯叫檢測與抑制功能的音頻放大器。其音頻放大器是由五個(gè)模塊構(gòu)成即拾音電路模塊，嘯叫抑制模塊，功率放大器電路模塊，MSP430控制與顯示模塊，音頻輸出模塊。其能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的放大音量并能有效的抑制嘯叫。 關(guān)鍵字：拾音電路，功率放大，嘯叫檢測和抑制。目錄1. 方案設(shè)計(jì)與論證.3 1.1拾音電路的方案設(shè)計(jì).3 1.2功率放大電路方案設(shè)計(jì).3 1.3嘯叫抑制電路方案設(shè)計(jì).3 1.4顯示控制電路方案設(shè)計(jì).42.硬件的設(shè)計(jì).4 2.1拾音電路的設(shè)計(jì).4 2.2電源模塊設(shè)計(jì).5 2.3程控放大電路.6 2.4 峰峰值檢測.

2、7 2.5嘯叫抑制電路.73. 軟件的設(shè)計(jì).74. 系統(tǒng)測試.9 4.1測試方案.9 4.2測試結(jié)果與分析.95.設(shè)計(jì)總結(jié).96.參考文獻(xiàn).97.附件.101.方案設(shè)計(jì)與論證 1.1拾音電路的方案選擇 方案一：采用Maxim公司生產(chǎn)的一款高性能放大器MAX9814，具有自動(dòng)增益控制（AGC）和低噪聲麥克風(fēng)偏置，器件具有低噪聲前端放大器，可變增益放大器（VGA）輸出放大器，麥克風(fēng)偏置電壓發(fā)生器和AGC控制電路。低噪聲前置放大器具有12dB固定增益；VGA增益根據(jù)輸出電壓和AGC門限在20dB至0dB間自動(dòng)調(diào)節(jié)。輸出放大器提供可選擇的8dB，18dB和28dB增益。在未壓縮的情況下，放大器的級(jí)聯(lián)增

3、益為40dB，50dB和60dB。輸出放大器增益由一個(gè)三態(tài)數(shù)字輸入編程。AGC門限由一個(gè)外部電阻分壓器控制，動(dòng)作/釋放時(shí)間由單個(gè)電容編程。動(dòng)作/釋放時(shí)間比由一個(gè)三態(tài)數(shù)字輸入設(shè)置。AGC保持時(shí)間固定為30ms。低噪聲麥克風(fēng)偏置電壓發(fā)生器可為絕大部分駐極體麥克風(fēng)提供偏置。但電路設(shè)計(jì)難度大且成本高。 方案二：采用TI公司生產(chǎn)的雙功放LM358通過外接電阻電路構(gòu)成一個(gè)能放大拾音電路，運(yùn)放的兩個(gè)輸出端接入降噪芯片的左右聲輸入通道。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放放大器。電路設(shè)計(jì)和制造較難。方案三：采用NE5532這種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。其有很好的輸出驅(qū)動(dòng)能力和噪聲能

4、力。該方案具有噪聲小，音質(zhì)好，功耗低，穩(wěn)定性好且方案間單成本低。 故選擇方案三。 1.2程控放大電路方案選擇 方案一：寬帶電壓增益控制放大器VCA822的控制電壓輸入端VG的電壓范圍為1V1V,可以用含有電位器的電路來調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是電壓連續(xù)可調(diào)，缺點(diǎn)是精確調(diào)節(jié)較難另外也與本設(shè)計(jì)要求不符。 方案二：用TPA3112D1作為音頻放大模塊。TPA3112D1是一個(gè)25W單聲道，無需外加濾波器的D類音頻放大器，其供電的范圍為8V26V；采用H橋作為功率輸出級(jí)，使得其可在沒輸出沒有傳統(tǒng)的LC濾波器的情況下直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載；輸入的音頻信號(hào)可以是差分形式，其中在24V供電情況下，滿負(fù)載驅(qū)動(dòng)8的橋接式揚(yáng)聲器，

5、聲音失真率僅為0.1%。所以選擇方案二。1.3嘯叫抑制電路方案選擇。 方案一：頻率均衡法由于傳聲器拾音和發(fā)聲設(shè)備的頻率曲線不是理想平坦的直線，特別是一些質(zhì)量比較差的放音設(shè)備，由于廳堂聲場的聲學(xué)往往都有諧振作用，使頻率響應(yīng)起伏很大?？梢杂妙l率均衡器補(bǔ)償擴(kuò)聲曲線，把系統(tǒng)的頻率響應(yīng)調(diào)成近似的直線，使各頻段的頻響基本一致進(jìn)而提高系統(tǒng)的傳聲增益，這種方法也叫做寬帶陷波法。通常應(yīng)該使用21段以上的均衡器，在要求比較高的場合還應(yīng)該配置參量均衡器，要求更高時(shí)，則可采用反饋抑制器。實(shí)際上擴(kuò)聲系統(tǒng)在出現(xiàn)反饋?zhàn)约r(shí)，頻率只是固定在某一點(diǎn)上的純音，只要用一個(gè)頻帶很窄的陷波器將此頻率切除，即可進(jìn)行有效抑制。選擇頻率特性

6、比較平直的傳聲器和揚(yáng)聲器，減少由于峰值易引起的自激。 方案二：移相方式抑制嘯叫：顧名思義，移相就是移動(dòng)相位。在前面我們曾提到過“相位”一詞，在空中某點(diǎn)，當(dāng)反饋回來的聲音和原始聲音同時(shí)壓縮或擴(kuò)張了該點(diǎn)空氣，我們稱反饋聲與原始聲相位“同相”，該點(diǎn)聲音增大；相反，如果一個(gè)聲音壓縮該點(diǎn)空氣的同時(shí)另一個(gè)聲音卻擴(kuò)張了該點(diǎn)的空氣，我們稱這兩個(gè)聲音相位“反相”，該點(diǎn)聲音減弱?？梢姰?dāng)原始聲和反饋聲（或直達(dá)聲和反射聲）在空中相遇后到底使音量增大了呢、還是減小了呢，這與其之間的相位緊密相關(guān)。移相器正是基于通過改變輸入信號(hào)的相位來破壞房間峰點(diǎn)和嘯叫的累積建立過程，從而破壞構(gòu)成聲反饋條件，最終達(dá)到防止嘯叫的目的。 1.

7、4顯示電路的選擇 方案一：用ATMEL89C51單片機(jī)來進(jìn)行信號(hào)的采集和取樣同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示?？梢苑抡?3K程序空間,接近64K 的16位地址空間；可以仿真64Kxdata 空間,全部64K 的16位地址空間；可以真實(shí)仿真全部32 條IO腳；完全兼容keilC51 UV2 調(diào)試環(huán)境,可以通過UV2 環(huán)境進(jìn)行單步,斷點(diǎn), 全速等操作；可以使用C51語言或者ASM匯編語言進(jìn)行調(diào)試；可以非常方便地進(jìn)行所有變量觀察,包括鼠標(biāo)取值觀察,即鼠標(biāo)放在某 變量上就會(huì)立即顯示出它此的值；可選 使用用戶晶振，支持040MHZ晶振頻率；片上帶有768字節(jié)的xdata,您可以在仿真時(shí)選 使用他們,進(jìn)行xdata 的

8、仿真；，可以仿真雙DPTR 指針； 方案二：有430單片機(jī)來進(jìn)行信號(hào)采集和取樣同時(shí)進(jìn)行顯示。MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D 轉(zhuǎn)換器；1

9、6 位定時(shí)器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；由于在峰峰值檢測時(shí)其需要高速的AD和DA采樣，所以需要強(qiáng)大的處理功能。故選擇方案二。2硬件的設(shè)計(jì) 電源 喇叭 嘯叫檢測 拾音電路 程控放大濾波 抑制嘯叫 2.1拾音電路的硬件設(shè)計(jì) 拾音電路的設(shè)計(jì)主要以NE5532集成塊為基礎(chǔ)，通過兩級(jí)放大之后再通過一系列濾波電路的整合，經(jīng)全相麥克風(fēng)測試，拾音效果十分清晰，當(dāng)電腦喇叭相隔20cm，功放喇叭背離麥克風(fēng)100cm時(shí)，拾音結(jié)果也還是很清晰，沒有嘯叫。當(dāng)麥克風(fēng)正對(duì)功放喇叭且相隔100cm時(shí)，產(chǎn)生明顯嘯叫。其電路圖如下：此電路的

10、話筒偏置是采用了由R 2 與c 3、c 9構(gòu)成R - c濾波器來衰減偏置電壓帶來的噪聲，并將話筒靠近放大電路輸入端安裝來減少噪音的影響。R p l ，R I O，R9為駐極體話筒提供偏置電壓。通過調(diào)節(jié)R pl 使駐極體話筒得到所需要2 3 v的偏置電壓，該偏壓的大小也調(diào)整了電路的靈敏度。該電路中實(shí)現(xiàn)放大作用的主要是由運(yùn)放I C2構(gòu)成放大電路來完成的。I C2A 與I C2B 之間通過由R12、R 1 3、R 14 、R5構(gòu)成的惠斯通電橋進(jìn)行耦合。該電路中I C2A 構(gòu)成釣電壓放大器采用了同相輸入的形式，對(duì)話筒而言相當(dāng)于一個(gè)“較輕”的負(fù)載，這樣對(duì)話筒的影響較小，該級(jí)的電壓放大倍 由式R 4 +R

11、 p 3、決定。電L l 十一J足1 l路中I C 2B構(gòu)成的電流放大器只是R14的參 上和s 類放大電路不一致，其放大能力采用與s類放大電路類似。s放大電路參數(shù)的選擇使電橋處于平衡狀態(tài)，即：R 12 X R l 4= R13XR 5。 2.2電源模塊設(shè)計(jì)此電子設(shè)計(jì)大賽所要用到的有+5V電源和+12V電源，我們組就簡單設(shè)計(jì)了一個(gè)正負(fù)5V和正負(fù)12V的電源，以備后用。下圖為正負(fù)5V電路設(shè)計(jì)。經(jīng)過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓和保護(hù)等基本電路模塊構(gòu)成，其中穩(wěn)壓部分用的是LM7805和LM7905電源穩(wěn)壓芯片來進(jìn)行穩(wěn)壓；其中正負(fù)12V電源設(shè)計(jì)與正負(fù)5V類似，用的是LM7812和LM7912穩(wěn)壓芯片，效果明顯

12、。 （1）變壓：電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器 將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。（ 2）整流：降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。 （3）濾波：脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。 （4）穩(wěn)壓：濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載RL。 （5）保護(hù)：過壓和過流保護(hù)，限流保護(hù)電路和截流保護(hù)電路或利用穩(wěn)壓管的反向擊穿穩(wěn)壓進(jìn)行過壓保護(hù)。經(jīng)測試后，電源可以正常工作。 2.3程控放大電路的設(shè)計(jì) 程控放大

13、電路采用TPATPA3112D1是一款具有SpeakerGuard的25W單聲道、無需外加濾波器的D類音頻放大器，運(yùn)用在電視和消費(fèi)類音頻設(shè)備中。該芯片供電范圍為8V到26V,采用H橋作為功率輸出級(jí)，使得其可在輸出沒有傳統(tǒng)的LC濾波器的情況下直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載；輸入的音頻信號(hào)可以是差分形式，其中在24V供電情況下，滿負(fù)載驅(qū)動(dòng)8歐姆的橋接式揚(yáng)聲器，聲音失真率僅為0.1%。 2.4峰峰值檢測電路 峰峰值檢測電路可以是通過設(shè)置低通率濾波器的截止頻率fH為6kHz，高通濾波器的截止頻率fL為20Hz即可。 通過實(shí)驗(yàn)證明其電路的檢測峰峰值的檢測效果很好，誤差較小。 2.5嘯叫抑制電路 移相法是利用相同頻率而

14、不同相位的聲波生產(chǎn)干涉，導(dǎo)致相互消弱甚至抵消的原理，抑制正反饋，提高音質(zhì)。其原理圖。Q1采用分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，由于R4的電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，所以該?jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)較為穩(wěn)定，由于R3和R4的阻值相等，所以Q1的發(fā)射極，集電極輸出的信號(hào)也大小近似相等，相位剛好相反，從而完成了對(duì)輸入信號(hào)的倒相作用。Q2和Q1的集電極通過電容C4交流接地，構(gòu)成了射級(jí)輸出級(jí)，故面當(dāng)移相電路中的阻值改變時(shí)，對(duì)放大電路的影響較小。PCB圖：3軟件設(shè)計(jì)部分 進(jìn)入中斷 初始化關(guān)閉看門狗 開始 語音輸入 采集電壓值初始化定時(shí)器模擬電壓轉(zhuǎn)換 為數(shù)字電壓設(shè)置輸出端口CSP分析濾波器組嘯叫頻率檢測 特征參數(shù)提取 計(jì)算功率嘯叫抑制 十

15、進(jìn)制轉(zhuǎn)換輸出嘯叫頻率 讀取數(shù)據(jù) 用LCD12864顯示4.系統(tǒng)測試 4.1系統(tǒng)測試的方法是利用示波器測試輸出電壓的峰峰值用DDS函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生其輸入的波形。然后將其各個(gè)模塊通過原理圖來進(jìn)行連接，最后給所需的模塊供電來進(jìn)行測試。 4.2測試結(jié)果和分析。因?yàn)樵谳斎胍纛l信號(hào)有效值為20mV時(shí)，功率放大器的最大不失真功率（僅考慮限幅失真）為5W，誤差小于10。 由于我們選擇的功率放大器的放大倍數(shù)為61，則其拾音電路的放大倍數(shù)為：記錄的數(shù)據(jù)輸入的電壓（mV）輸出的電壓(V)206.114012.356018.468025.015.設(shè)計(jì)總結(jié)該設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)證明是一種效果較好的帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大

16、器。6. 參考文獻(xiàn)1、黃正瑾、田良電子設(shè)計(jì)競賽賽題解析東南大學(xué)出版社2004年第一版2、黃智偉、陳文光全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程電子工業(yè)出版社2005年第一版3、王松武電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)踐國防工業(yè)出版社2005年第一版4、童詩白、華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社2000年第二版7附頁1. 界面顯示模塊#include#includeCry12864.c#includeCry12864.huchar h1=2014年電子競賽 ;uchar h2=所選題目: ;uchar h3=音頻功率放大器 ;uchar h4=參賽人員: ;uchar h5= ;uchar h6= ;uchar h7=

17、;uchar h8=電壓: V;uchar h9=頻率: Hz;uchar h10=功率: W;void display() Disp_HZ(0x80,h1,8); Disp_HZ(0x90,h2,8); Disp_HZ(0x88,h3,8); Delay_Nms(6000); Write_Cmd(0x01); Disp_HZ(0x80,h4,8); Disp_HZ(0x90,h5,8); Disp_HZ(0x88,h6,8); Disp_HZ(0x98,h7,8); Delay_Nms(6000); Write_Cmd(0x01); Disp_HZ(0x80,h8,8); Disp_HZ(0

18、x90,h9,8); Disp_HZ(0x88,h10,8);2. 頻率檢測程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar shu=0123456789;unsigned int old_cap=0;/捕獲的舊值unsigned long int period=0;/信號(hào)周期unsigned char TA_ov_num=0;/定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出次數(shù)void cap_init() P1SEL|=BIT2; / 設(shè)置 P1.2為第二功能引腳TA1 P1DIR&=BIT2; / 設(shè)置P1.2為輸入引腳 TACTL

19、= TASSEL_2 + ID_3+MC_2+TAIE; /計(jì)數(shù)時(shí)鐘為1MHz，計(jì)數(shù)方式為連續(xù)計(jì)數(shù) CCTL1 |= CAP+CM_1 + SCS + CCIS_0+ CCIE; TACCR1=0;#pragma vector=TIMERA1_VECTOR/捕獲中斷子程序_interrupt void TimerA1(void) switch(TAIV) case 2:/比較/捕獲模塊1中斷 period=TA_ov_num*65536+TACCR1-old_cap; old_cap=TACCR1; TA_ov_num=0; break; case 4:break;/比較/捕獲模塊2中斷未用

20、case 10:TA_ov_num+; break; 3. 電壓和功率顯示模塊#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define Num_of_Results 32uchar ptr4;unsigned int max = 0,c=0;uchar shuzi=0123456789.;static uint resultsNum_of_Results; void Trans_val(uint Hex_Val);void Init_ADC();void Init_ADC() P6SEL|=0X01; ADC12CT

21、L0=ADC12ON+SHT0_8+MSC;/打開ADC，設(shè)置采樣時(shí)間 ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_2; / 使用采樣定時(shí)器 ADC12IE=0X01;/使能ADC中斷 ADC12CTL0|=ENC;/使能ADC轉(zhuǎn)換 ADC12CTL0|=ADC12SC;/開始轉(zhuǎn)換#pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uint index = 0; resultsindex+ = ADC12MEM0; if(index = Num_of_Results) uchar i; index = 0; for(i

22、= 0; i max) max = resultsi; c = 2*max ;/(Vpp值) void Trans_val(uint Hex_Val) unsigned long caltmp; uint Curr_Volt; uchar t1; unsigned long Pout; uchar t4; uchar Rl=8; caltmp = Hex_Val; Curr_Volt = (caltmp*330)/4095)-75; /caltmp = Hex_Val * 33 ptr0 = Curr_Volt / 100; t1 = Curr_Volt - (ptr0 * 100); ptr

23、2 = t1 / 10; ptr3 = t1 - (ptr2 * 10); ptr1 = 10; Write_Cmd(0x83); Write_Data(shuziptr0); Write_Data(shuziptr1); Write_Data(shuziptr2); Write_Data(shuziptr3); Pout=(Curr_Volt*Curr_Volt)/(2*Rl); t0 = Pout/1000; /Hex-Dec變換 t2 = Pout%1000/100; t3 = Pout%1000%100/10; t4 = Pout%10; t1 = 10; /shuzi表中第10位對(duì)應(yīng)

24、符號(hào). /在液晶上顯示變換后的結(jié)果 Write_Cmd(0x8b); Write_Data(shuzit0); Write_Data(shuzit1); Write_Data(shuzit2); Write_Data(shuzit3); Write_Data(shuzit4); Delay_Nms(1000); 4.12864顯示模塊void Delay_1ms(void);void Delay(unsigned int n);void Write_Cmd(unsigned char cod);void Write_Data(unsigned char dat);void Ini_Lcd(vo

25、id);void Disp_HZ(unsigned char addr,const unsigned char * pt,unsigned char num);#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intextern const unsigned char shuzi_table;#define LCD_DataIn P2DIR=0x00 /數(shù)據(jù)口方向設(shè)置為輸入#define LCD_DataOut P2DIR=0xff /數(shù)據(jù)口方向設(shè)置為輸出#define LCD2MCU_Data P2IN#define MCU2

26、LCD_Data P2OUT#define LCD_CMDOut P6DIR|=0x38 /P6口的低三位設(shè)置為輸出#define LCD_RS_H P6OUT|=BIT3 /P6.3#define LCD_RS_L P6OUT&=BIT3 /P6.3#define LCD_RW_H P6OUT|=BIT4 /P6.4#define LCD_RW_L P6OUT&=BIT4 /P6.4#define LCD_EN_H P6OUT|=BIT5 /P6.5#define LCD_EN_L P6OUT&=BIT5 /P6.5/*函數(shù)名稱：Delay_1ms功 能：延時(shí)約1ms的時(shí)間參 數(shù)：無返回值

27、：無*/void Delay_1ms(void)uchar i; for(i = 150;i 0;i-) _NOP(); /*函數(shù)名稱：Delay_Nms功 能：延時(shí)N個(gè)1ms的時(shí)間參 數(shù)：n-延時(shí)長度返回值 ：無*/void Delay_Nms(uint n) uint i; for(i = n;i 0;i-) Delay_1ms();/*函數(shù)名稱：Write_Cmd功 能：向液晶中寫控制命令參 數(shù)：cmd-控制命令返回值 ：無*/void Write_Cmd(uchar cmd) uchar lcdtemp = 0; LCD_RS_L; LCD_RW_H; LCD_DataIn; do /判忙 LCD_EN_H; _NOP(); lcdtemp = LCD2MCU_Data; LCD_EN_L; while(lcdt