ZJB080設計論文帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器

1、D 題：帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器摘要：摘要： 本系統(tǒng)以 TI 公司 AY-TPA3112D1 EVM 功率放大器和 ST 公司STM32103FZET6 單片機為主要控制器件，設計并制作的帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器。通過三管功率放大器和 LM358 運算放大器構成的拾音電路對臺式麥克風音頻信號進行拾音與放大，經(jīng) TPA3112D1 功率放大電路送喇叭輸出。單片機實時采集嘯叫頻率和相應功率放大器的輸出功率，并通過 OLED 進行顯示。通過按鍵可以設置功率放大器 50mW 到 5W 范圍內(nèi)的輸出功率。單片機通過控制MAX262ACWG 雙二階通用開關電容有源濾波器來抑制嘯叫，并能夠正

2、常播放音頻信號，嘯叫抑制可以通過開關進行開啟與關閉。關鍵字：關鍵字：功率放大器；嘯叫抑制；頻率采集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 circuit a

3、mplifies 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 display. Y

4、ou 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 opened by

5、 a switch.Keywords:Keywords: power amplifier；howling suppression；Frequency acquisition一、系統(tǒng)方案論證與對比一、系統(tǒng)方案論證與對比 1.1.單片機的選擇單片機的選擇方案一：選用 AT89S52 系列微控制器，AT89S52 單片機是我們熟悉的老式單片機，但它的工作速度較慢，內(nèi)部功能較少，需要增加大量外設來滿足系統(tǒng)的需求，所以達不到產(chǎn)品設計的要求。方案二：選用 STM8S 系列微控制器，較方案一速度有所增加且外設較多。但是考慮到本系統(tǒng)的涉及到很多個時鐘控制，所以還是無法滿足設計需求。 方案三：選用 STM32F

6、103系列單片機，STM32F103ZTE6采用 Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。片上集成512KB的 Flash 存儲器和64KB 的 SRAM 存儲器。具有豐富的時鐘源、3種低功耗模式、12通道 DMA 控制器、3個12位的 us 級的 A/D 轉(zhuǎn)換器、2通道12位 D/A 轉(zhuǎn)換器；多達11個定時器能夠?qū)崿F(xiàn) PWM 輸出、輸入捕獲、看門狗定時等功能；多通信接口支持 IIC、USART、SPI、 、CAN 等通信。完全能過滿足本設計的需求，豐富的功能能夠大大減少外圍電路的搭建，因此本設計采用方案三。 2.2.拾音電路方案比較拾

7、音電路方案比較方案一：采用甲乙類互補對稱功放電路，簡稱三管功放。該電路采用單電源方式供電，故而在輸出負載支路中串接一個大電容，利用電容的儲能作用充當整個電路的負電源來滿足電路的需求。三極管9014組成電壓放大級，當二個二極管正偏導通時，為兩個8550三極管提供偏壓，使三極管處于微導通狀態(tài)。在8550的發(fā)射級上串聯(lián)3.3 電阻，以穩(wěn)定偏流，減小環(huán)境溫度對電路的影響。該方案線路簡單，具有良好的推挽輸出，放大倍數(shù)達到了10倍，但是該放大倍數(shù)還是較小。方案二：利用 LM358構成反向比例運算放大電路，放大倍數(shù)能夠滿足系統(tǒng)要求，但是麥克風采集音頻信號的輸出值較小，而且 LM358構成的反向比例放大器只能

8、放大電壓幅度，不能很好驅(qū)動后級電路。方案三：采用三管音頻放大電路作為前級和反相比例運算放大作為后級構成拾音電路，三管音頻功放能過很好的將音頻信號進行拾音放大，在通過反向比例運算放大器提高整體的放大倍數(shù)，滿足后級電路的需求，因此本設計采用方案三。 3.3.輸出功率采集方案比較輸出功率采集方案比較方案一：STM32103FZET6 單片機內(nèi)部集成有 3 個 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接利用單片機的 ADC 采集功放的輸出電壓，喇叭的額定電阻值為 8 歐姆，可以直接利用功率公式計算出功放輸出的功率。電路十分簡單，但是功放輸出的電壓波形比較復雜，直接通過單片機進行處理，編程過于復雜。方案二：利用高精度均

9、方根直流轉(zhuǎn)換器 AD637 組成的均方值轉(zhuǎn)換電路，將復雜波形的功放輸出轉(zhuǎn)換易于計算的均方值，再通過單片機的 ADC 進行采集，由于喇叭的額定電阻值為 8 歐姆，所以就可以利用功率公式直接計算出功放的輸出功率，送到 OLED 進行實時的顯示。因此采用方案二。 4.4.輸出功率調(diào)節(jié)方案比較輸出功率調(diào)節(jié)方案比較 方案一：采用 PGA311 音頻控制芯片，調(diào)節(jié)功放的輸出功率，調(diào)節(jié)精度高，但需要組建外圍電路，連接復雜、調(diào)試不便。 方案二：由于 TPA3221D 功放自身帶有增益和功率調(diào)節(jié)，利用單片機 IO 口控制功放的增益，按鍵控制 D/A 輸出數(shù)字量改變功率調(diào)節(jié)端電壓，從而起到輸出功率調(diào)節(jié)的目的，連接

10、方便，無需采用外圍電路大大提高的系統(tǒng)的可靠性，因此采用方案二。 5.5.系統(tǒng)整體設計系統(tǒng)整體設計 三管功率放大器和 LM358 構成的反相比例放大器組成的拾音電路，三管音頻功放對臺式麥克風音頻信號進行拾音放大，在通過反向比例運算放大器提高整體的放大倍數(shù)。LM393 構成的電壓比較器和 CD40106 構成施密特觸發(fā)電路組成嘯叫檢測電路，麥克風輸入音頻信號經(jīng)過三管功放放大后的電壓值作為電壓比較器的輸入電壓，與基準電壓進行比較后，將檢測到的嘯叫信號送入施密特觸發(fā)器進行波形的整形，從而通過單片機定時器的輸入捕獲來采集嘯叫的頻率，通過 OLED 進行實時的顯示。按鍵可以直接設置功率放大器 50mW 到

11、 5W 范圍內(nèi)的輸出功率。單片機通過控制 MAX262ACWG 雙二階通用開關電容有源濾波器來抑制嘯叫，并能夠正常播放音頻信號。抑制嘯叫的開啟通過開關來控制，嘯叫開啟時，麥克風音頻輸入信號經(jīng)過三管功率放大后經(jīng)過嘯叫抑制模塊將信號送至TPA3112D1 功率放大模塊進行放大輸出。嘯叫關閉時，麥克風音頻輸入信號經(jīng)過三管功率放大后直接送到 TPA3112D1 功率放大模塊進行放大輸出。利用高精度均方根直流轉(zhuǎn)換器 AD637 組成的均方值轉(zhuǎn)換電路，將復雜波形的功放輸出轉(zhuǎn)換易于計算的電壓值，再通過單片機的 AD 進行采集，喇叭的額定電阻值為 8 歐姆，可以利用功率公式直接計算出功放的輸出功率，送到 OL

12、ED 進行實時的顯示。STM32103FZET6STM32103FZET6單片機單片機運放電路運放電路嘯叫檢測嘯叫檢測MAX262ACWGMAX262ACWG嘯叫抑制模塊嘯叫抑制模塊TPA3112D1TPA3112D1功率放大模塊功率放大模塊揚聲器揚聲器AD637AD637 均方根均方根采集模塊采集模塊顯示模塊顯示模塊按鍵模塊按鍵模塊麥克麥克風風三管功三管功放放圖 1 系統(tǒng)總體設計框圖二、理論分析與計算二、理論分析與計算 1.1.功放的效率分析功放的效率分析影響功率放大器效率的基本因素是無信號時的工作電流，所形成的直流功率損耗。無信號時電流愈大則直流損耗大，效率低。為此，要提高效率則應降低工作

13、點，使無信號時，無直流損耗。但是，信號導通角逾小波形失真則愈大，輸出信號中諧波成分增加，這兩個要求矛盾。如果輸入波形其他邊沿很陡直，降低工作點后，對導通角影響很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的極端狀態(tài)時輸入信號為矩形波，這種波形，無論偏置如何變化，由于前后沿是垂直升降的，導通狀態(tài)都不會變化。然而由 TPA3112D1 芯片構成 D 類數(shù)字放大器工作于開關狀態(tài)，無信號時無電流，而導電時，沒有直流損耗，理論上效率能達 100%。事實上由于關斷時器件尚有微小漏電流，而導通時，器件并未完全短路，尚有一定管壓降，故存在較少直流損耗，實際效率在 90%左右,是實用放大器中效率最高。 2 2

14、、嘯叫的抑制分析、嘯叫的抑制分析麥克風拾音后，經(jīng)功率放大器放大后產(chǎn)生的音頻信號又通過直接輻射方式或聲反射方式進入麥克風，使得整個擴聲系統(tǒng)產(chǎn)生正反饋，引起聲電信號自我激勵，揚聲器隨即產(chǎn)生嘯叫。嘯叫產(chǎn)生的四個主要原因為過載量、距離、角度、頻率，只要能破壞其中一個條件，就可抑制嘯叫。避免嘯叫、提升擴音音量最有效的方法之一就是將話筒盡量靠近聲源拾音，但是本題的要求是遠距離拾音衰減很小，調(diào)整距離對防止嘯叫抑制作用不大。自激嘯叫的反饋回路是正反饋，如果把輸入信號移相處理，就會破壞自激的相位條件，從而防止系統(tǒng)的自激嘯叫。利用分立元件構成的模擬移頻器，采用大量的電阻、電容對電阻，電容的阻值，容抗精確度要求非常

15、高。要求誤差小于1%。否則模擬移頻電路工作狀態(tài)和一致性會很差。另外由于時間，溫度，適度，環(huán)境污染等原因也會造成模擬移頻效果的變化。通過單片機控制 MAX262ACWG 有源濾波器，實現(xiàn)帶阻濾波，來抑制嘯叫，程控濾波器使用靈活、 調(diào)試容易以及工作性能穩(wěn)定。 3.3.功放輸出電壓范圍計算功放輸出電壓范圍計算 當輸入有效值為20mV 的正弦波音頻信號，程控設置功放放大器的輸出功率范圍在50mW5W,則在8歐姆電阻上的正弦輸出電壓范圍為0.89V8.94V。 VRPVMM32. 68*5*axVRPVOM63. 08*05. 0*in4.4.拾音電路放大倍數(shù)計算拾音電路放大倍數(shù)計算 三管功率放大器的放

16、大倍數(shù)大約在 10 倍左右，反向比例運放的放大倍數(shù)為，所以拾音電路總體的放大倍數(shù)在 68 倍。8 . 61068R1fKKRAV3 3、電路設計電路設計 1.1.拾音電路的設計拾音電路的設計 我們采用三管音頻放大電路作為前級和反相比例運算放大作為后級構成拾音電路，三管音頻功放能過很好的將音頻信號進行拾音放大，在通過反向比例運算放大器提高整體的放大倍數(shù)，已滿足后級電路的需求。如附錄 1 所示。 2 2. .嘯叫頻率和輸出功率的采集嘯叫頻率和輸出功率的采集利用 LM393 構成的電壓比較器和 CD40106 構成的施密特觸發(fā)器組成嘯叫頻率測量電路。麥克風輸入信號經(jīng)過拾音電路放大后的電壓值作為電壓比

17、較器的輸入電壓用來檢測嘯叫，經(jīng)過施密特觸發(fā)器進行波形的整形后，通過單片機定時器的輸入捕獲測量出嘯叫的頻率。利用高精度均方根直流轉(zhuǎn)換器 AD637 組成的均方值轉(zhuǎn)換電路用來采集輸出功率，AD637 能將復雜波形的功放輸出轉(zhuǎn)換易于計算的均電壓值，再通過單片機的 A/D 進行采集，利用功率公式直接計算出功放的輸出功率。電路圖如附錄 2 所示。 3.3.嘯叫抑制設計嘯叫抑制設計MAX262ACWG 雙二階通用開關電容有源濾波器采用 CMOS 工藝制造,在不需外部元件的情況下就可以構成各種帶通、低通、高通、陷波和全通濾波器。可以通過單片機精確控制濾波器的傳遞函數(shù)，包括設置中心頻率、 品質(zhì)因數(shù)和工作方式。

18、該電路由 STM32F103ZET6 單片機 I/O 口進行控制,由單片機的 IO 口將數(shù)據(jù)送入 MAX262 中,通過設置相應的參數(shù),可實現(xiàn)帶阻濾波，就可以將嘯叫濾除，有效的抑制了嘯叫，并能夠正常播放音頻信號。這種程控濾波器具有使用靈活、 調(diào)試容易及工作性能穩(wěn)定等特點。電路圖如附錄 3 所示。4.4.人機交互電路人機交互電路以 STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)板最為核心控制，通過按鍵輸入，單片機就可以控制功率放大器的輸出功率范圍。OLED 作為單片機的顯示模塊可以實時顯示當前的輸出功率和嘯叫時的頻率。電路圖如附錄 4 所示。 四、程序設計四、程序設計 1.1.程序設計主流程圖程序設計主流

19、程圖程序初始化：初始化系統(tǒng)及外設時鐘，使能外設。當定時器輸入捕獲檢測到嘯叫頻率后，單片機將設置的濾波參數(shù)通過 IO 口送入 MAX262，實現(xiàn)帶阻濾波，當檢測到按鍵按下后，D/A 輸出步進 0.1V 電壓，用于控制功率放大的輸出功率。A/D 實時采集 AD637 的轉(zhuǎn)換后電壓值，進行計算處理，最終將嘯叫頻率和輸出功率送到 OLED 進行顯示。NYYN有無按鍵輸入？有無按鍵輸入？程控濾波程控濾波DACDAC 輸出步進輸出步進0.1V0.1V計算輸出功率計算輸出功率顯示功率和頻率顯示功率和頻率ADCADC 采集采集均方值電壓均方值電壓程序初始化程序初始化是否檢測到嘯叫？是否檢測到嘯叫？圖 2 主程

20、序流程圖 2.2.程控濾波子程序設計程控濾波子程序設計采用 keil uvision4 對 MAX262 進行軟件程序設計,MAX262 的地址 A0 A3與數(shù)據(jù) D0D1 的關系如表 1 所列。由表 1 可看出,每個濾波器的工作模式、 中心頻率 f 0、 品質(zhì)因數(shù) Q 值所需編程數(shù)據(jù),均需分 8 次寫入 MAX262 的內(nèi)部寄存器才能完成設置。由 Q 值計算 N 并轉(zhuǎn)換成二進制編程數(shù)據(jù) Q0Q6 送片內(nèi) RAM ,由輸入的中心頻率 f 0 值計算 N1。N 為二進制數(shù)據(jù) Q0Q6 對應的十進制整數(shù),范圍為 0127 ,共 128 級; N1 為二進制數(shù)據(jù) F0F5 對應的十進制整數(shù),范圍為

21、063 ,共 64 級。在獲得 MAX262 的工作參數(shù)后,根據(jù)表 1 將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為 8 字節(jié)的編程數(shù)據(jù)。通過單片機 IO 口將數(shù)據(jù)送入 MAX262，進行設置。設置完成后,MAX262 就按照當前所需求的中心頻率、Q 值和濾波器工作方式對輸入信號進行濾波處理。表 1 MAX262 的地址分配 四、測試方案與結果四、測試方案與結果 1.1.測試儀器測試儀器數(shù)控式直流穩(wěn)壓電源（LPS-305） 、數(shù)字萬用表（VC9807A+)、數(shù)字示波器（TDS1001B） 、F05A型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器。 2.2.硬件參數(shù)硬件參數(shù) 利用駐極體話筒對音頻信號采集，駐極體話筒的具體參數(shù)如下： 型號

22、 CZN-15E，全指向性，頻率范圍在 20Hz12KHz，靈敏度為-58-2dB，輸出阻抗1K，額定電壓 112V，額定電流 0.02A。 嘯叫檢測時，輸出端外接額定功率為5W，額定阻抗為8的組合紙盆電動式喇叭。 3.3.測試結果測試結果在輸入電壓 12V 時，用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率 1KHz，有效值為 20mV 的正弦波送入輸入端，輸出端外接 8 歐姆、5W 純電阻負載。通過按鍵設置功率放大器的功率，通過數(shù)字示波器測量出功放的輸出范圍。表 1 測試結果輸出電壓(V)0.6191.833.304.225.416.40輸出功率(W)0.0470.4181.372.223.665.20輸入功率(W)0.0540.4711.682.544.235.98顯示功率(W)0.0500.4301.392.313.615.01整體效率(%)88.887.886.585.284.782.6誤差（%）7.27.58.18.68.79.1 4.4.測試結果分析測試結果分析 1) 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，誤差在 9，滿足設計要求。 2）在輸入音頻信號有效值為 20mV 時，可以程控設置功率放大器的輸出功率，功率范圍為 50mW5W，滿足設計要求