帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器報告

1、帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器（D題） 摘要：該設計是基于功率放大器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模塊構成即拾音電路模塊，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)質的放大音量并能有效的抑制嘯叫。 關鍵字：拾音電路，功率放大，嘯叫檢測和抑制。目錄1. 方案設計與論證.3 1.1拾音電路的方案設計.3 1.2功率放大電路方案設計.3 1.3嘯叫抑制電路方案設計.3 1.4顯示控制電路方案設計.42.硬件的設計.4 2.1拾音電路的設計.4 2.2電源模塊設計.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. 軟件的設計.74. 系統(tǒng)測試.9 4.1測試方案.9 4.2測試結果與分析.95.設計總結.96.參考文獻.97.附件.101.方案設計與論證 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，具有自動增益控制（AGC）和低噪聲麥克風偏置，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間自動調節(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，放大器的級聯(lián)增

3、益為40dB，50dB和60dB。輸出放大器增益由一個三態(tài)數(shù)字輸入編程。AGC門限由一個外部電阻分壓器控制，動作/釋放時間由單個電容編程。動作/釋放時間比由一個三態(tài)數(shù)字輸入設置。AGC保持時間固定為30ms。低噪聲麥克風偏置電壓發(fā)生器可為絕大部分駐極體麥克風提供偏置。但電路設計難度大且成本高。 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成一個能放大拾音電路，運放的兩個輸出端接入降噪芯片的左右聲輸入通道。LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運放放大器。電路設計和制造較難。方案三：采用NE5532這種雙運放高性能低噪聲運算放大器。其有很好的輸出驅動能力和噪聲能

4、力。該方案具有噪聲小，音質好，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節(jié)，其優(yōu)點是電壓連續(xù)可調，缺點是精確調節(jié)較難另外也與本設計要求不符。 方案二：用TPA3112D1作為音頻放大模塊。TPA3112D1是一個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，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動感性負載；輸入的音頻信號可以是差分形式，其中在24V供電情況下，滿負載驅動8的橋接式揚聲器，

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)聲設備的頻率曲線不是理想平坦的直線，特別是一些質量比較差的放音設備，由于廳堂聲場的聲學往往都有諧振作用，使頻率響應起伏很大。可以用頻率均衡器補償擴聲曲線，把系統(tǒng)的頻率響應調成近似的直線，使各頻段的頻響基本一致進而提高系統(tǒng)的傳聲增益，這種方法也叫做寬帶陷波法。通常應該使用21段以上的均衡器，在要求比較高的場合還應該配置參量均衡器，要求更高時，則可采用反饋抑制器。實際上擴聲系統(tǒng)在出現(xiàn)反饋自激時，頻率只是固定在某一點上的純音，只要用一個頻帶很窄的陷波器將此頻率切除，即可進行有效抑制。選擇頻率特性

6、比較平直的傳聲器和揚聲器，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，移相就是移動相位。在前面我們曾提到過“相位”一詞，在空中某點，當反饋回來的聲音和原始聲音同時壓縮或擴張了該點空氣，我們稱反饋聲與原始聲相位“同相”，該點聲音增大；相反，如果一個聲音壓縮該點空氣的同時另一個聲音卻擴張了該點的空氣，我們稱這兩個聲音相位“反相”，該點聲音減弱?？梢姰斣悸暫头答伮暎ɑ蛑边_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。移相器正是基于通過改變輸入信號的相位來破壞房間峰點和嘯叫的累積建立過程，從而破壞構成聲反饋條件，最終達到防止嘯叫的目的。 1.

7、4顯示電路的選擇 方案一：用ATMEL89C51單片機來進行信號的采集和取樣同時進行數(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；可以真實仿真全部32 條IO腳；完全兼容keilC51 UV2 調試環(huán)境,可以通過UV2 環(huán)境進行單步,斷點, 全速等操作；可以使用C51語言或者ASM匯編語言進行調試；可以非常方便地進行所有變量觀察,包括鼠標取值觀察,即鼠標放在某 變量上就會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,您可以在仿真時選 使用他們,進行xdata 的

8、仿真；，可以仿真雙DPTR 指針； 方案二：有430單片機來進行信號采集和取樣同時進行顯示。MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer_A0）、定時器A1（Timer_A1）、定時器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（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迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A/D 轉換器；1

9、6 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；由于在峰峰值檢測時其需要高速的AD和DA采樣，所以需要強大的處理功能。故選擇方案二。2硬件的設計 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計 拾音電路的設計主要以NE5532集成塊為基礎，通過兩級放大之后再通過一系列濾波電路的整合，經(jīng)全相麥克風測試，拾音效果十分清晰，當電腦喇叭相隔20cm，功放喇叭背離麥克風100cm時，拾音結果也還是很清晰，沒有嘯叫。當麥克風正對功放喇叭且相隔100cm時，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，該偏壓的大小也調整了電路的靈敏度。該電路中實現(xiàn)放大作用的主要是由運放I C2構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構成的惠斯通電橋進行耦合。該電路中I C2A 構成釣電壓放大器采用了同相輸入的形式，對話筒而言相當于一個“較輕”的負載，這樣對話筒的影響較小，該級的電壓放大倍 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電源模塊設計此電子設計大賽所要用到的有+5V電源和+12V電源，我們組就簡單設計了一個正負5V和正負12V的電源，以備后用。下圖為正負5V電路設計。經(jīng)過變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓和保護等基本電路模塊構成，其中穩(wěn)壓部分用的是LM7805和LM7905電源穩(wěn)壓芯片來進行穩(wěn)壓；其中正負12V電源設計與正負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（即脈動大）。 （3）濾波：脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，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，供給負載RL。 （5）保護：過壓和過流保護，限流保護電路和截流保護電路或利用穩(wěn)壓管的反向擊穿穩(wěn)壓進行過壓保護。經(jīng)測試后，電源可以正常工作。 2.3程控放大電路的設計 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，運用在電視和消費類音頻設備中。該芯片供電范圍為8V到26V,采用H橋作為功率輸出級，使得其可在輸出沒有傳統(tǒng)的LC濾波器的情況下直接驅動感性負載；輸入的音頻信號可以是差分形式，其中在24V供電情況下，滿負載驅動8歐姆的橋接式揚聲器，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。 通過實驗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，導致相互消弱甚至抵消的原理，抑制正反饋，提高音質。其原理圖。Q1采用分壓式電流負反饋偏置電路，由于R4的電流負反饋作用，所以該級的靜態(tài)工作點較為穩(wěn)定，由于R3和R4的阻值相等，所以Q1的發(fā)射極，集電極輸出的信號也大小近似相等，相位剛好相反，從而完成了對輸入信號的倒相作用。Q2和Q1的集電極通過電容C4交流接地，構成了射級輸出級，故面當移相電路中的阻值改變時，對放大電路的影響較小。PCB圖：3軟件設計部分 進入中斷 初始化關閉看門狗 開始 語音輸入 采集電壓值初始化定時器模擬電壓轉換 為數(shù)字電壓設置輸出端口CSP分析濾波器組嘯叫頻率檢測 特征參數(shù)提取 計算功率嘯叫抑制 十

15、進制轉換輸出嘯叫頻率 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。然后將其各個模塊通過原理圖來進行連接，最后給所需的模塊供電來進行測試。 4.2測試結果和分析。因為在輸入音頻信號有效值為20mV時，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.設計總結該設計通過實驗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1、黃正瑾、田良·電子設計競賽賽題解析·東南大學出版社·2004年·第一版2、黃智偉、陳文光·全國大學生電子設計競賽訓練教程·電子工業(yè)出版社·2005年·第一版3、王松武·電子創(chuàng)新設計與實踐·國防工業(yè)出版社·2005年·第一版4、童詩白、華成英·模擬電子技術基礎·高等教育出版社·2000年·第二版7附頁1. 界面顯示模塊#include<msp430x14x.h>#include"Cry12864

17、.c"#include"Cry12864.h"uchar 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=" ××× "uchar h8="電壓: V"

18、;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); Di

19、sp_HZ(0x90,h9,8); Disp_HZ(0x88,h10,8);2. 頻率檢測程序#include<msp430x14x.h>#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;/信號周期unsigned char TA_ov_num=0;/定時器計數(shù)溢出次數(shù)void cap_init() P1SEL|=BIT2; / 設置 P1.2為第二功能引

20、腳TA1 P1DIR&=BIT2; / 設置P1.2為輸入引腳 TACTL = TASSEL_2 + ID_3+MC_2+TAIE; /計數(shù)時鐘為1MHz，計數(shù)方式為連續(xù)計數(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

21、_num=0; break; case 4:break;/比較/捕獲模塊2中斷未用 case 10:TA_ov_num+; break; 3. 電壓和功率顯示模塊#include<msp430x14x.h>#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 Tra

22、ns_val(uint Hex_Val);void Init_ADC();void Init_ADC() P6SEL|=0X01; ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_8+MSC;/打開ADC，設置采樣時間 ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_2; / 使用采樣定時器 ADC12IE=0X01;/使能ADC中斷 ADC12CTL0|=ENC;/使能ADC轉換 ADC12CTL0|=ADC12SC;/開始轉換#pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uint index = 0; results

23、index+ = ADC12MEM0; if(index = Num_of_Results) uchar i; index = 0; for(i = 0; i < Num_of_Results; i+) if(resultsi > 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; C

24、urr_Volt = (caltmp*330)/4095)-75; /caltmp = Hex_Val * 33 ptr0 = Curr_Volt / 100; t1 = Curr_Volt - (ptr0 * 100); ptr2 = 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)/

25、(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位對應符號"." /在液晶上顯示變換后的結果 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v

26、oid Delay_1ms(void);void Delay(unsigned int n);void Write_Cmd(unsigned char cod);void Write_Data(unsigned char dat);void Ini_Lcd(void);void Disp_HZ(unsigned char addr,const unsigned char * pt,unsigned char num);#include <msp430x14x.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intextern c

27、onst unsigned char shuzi_table;#define LCD_DataIn P2DIR=0x00 /數(shù)據(jù)口方向設置為輸入#define LCD_DataOut P2DIR=0xff /數(shù)據(jù)口方向設置為輸出#define LCD2MCU_Data P2IN#define MCU2LCD_Data P2OUT#define LCD_CMDOut P6DIR|=0x38 /P6口的低三位設置為輸出#define LCD_RS_H P6OUT|=BIT3 /P6.3#define LCD_RS_L P6OUT&=BIT3 /P6.3#define LCD_RW_H P6

28、OUT|=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：延時約1ms的時間參 數(shù)：無返回值 ：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N個1ms的時間參 數(shù)：n-延時長度返回值 ：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