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页12014年TI杯大学生电子设计竞赛设计报告D题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器【本科组】2014年8月页2D题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器摘要：根据题目的要求，本系统由拾音放大模块、功率放大模块、啸叫检测和抑制模块及电源模块组成，拾音电路采用同相放大器电路，使用基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1来制作功率放大电路；并基于MSP430F149实现程控设置功率放大器的输出功率、实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率、抑制啸叫的功能，最终实现带啸叫检测与抑制的音频功率放大器电路的搭建，该电路不仅能实时显示啸叫频率和功率，还能有效抑制啸叫并保持很高的音频播放质量。一、题目简介1．任务基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，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。2．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：（25分）页3a）在输入音频信号有效值为20mV时，功率放大器的最大不失真功率（仅考虑限幅失真）为5W，误差小于10％；b）在输入音频信号有效值为20mV时，程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50mW～5W；c）功率放大器的频率响应范围为200Hz~10kHz。（2）系统采用12V直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。（10分）（3）在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率≥80%。（10分）（4）将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，见图2（a），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。（5分）（5）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：（15分）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2（b），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。（6）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5W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。（30分）（7）其他。二、系统方案论证根据传统消除啸叫的几种方法，我们拟出以下几个方案。方案一系统框图如图2.1所示，首先拾音电路采用同相放大器进行前置放大，然后功率放大电路使用TI公司的功率放大器芯片TPA3112D1来制作，采用TLV3501制作一个比较器时刻监测拾音电路输出幅值，一旦产生方波就将方波输页4入MSP430F149来实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率，并利用单片机程控设置功率放大器的输出功率，一旦产生啸叫利用破坏幅值条件的原理降低其档位，从而有效抑制啸叫，并保持高质量的音频播放。图2.1方案一系统框图此方案的优点为：利用MSP430F149编程，能够程序控制功率输出功率并能实时显示，灵活性高，啸叫抑制明显，且不影响音频输出质量。此方案的缺点为：抑制电路会影响输出音质的音量。方案二系统框图如图2.2所示，抑制检测电路模块基于FPGA来实现，首先运用FFT算法将时序信号转换成频域信号，再来检测啸叫频率。而且运用信号与系统的原理，程序设置一个数字滤波器，将啸叫所在频率的信号全部衰减掉，从而达到啸叫抑制的目的，拾音电路与功率放大电路与方案一相同。图2.2方案二系统框图此方案优点为：通过程序检测与抑制啸叫，稳定性强，灵活性高。此方案缺点为：播放出来的音频信号会有较大失真。页5方案三系统框图如图2.3所示：用MSP430F149单片机与电压比较器相结合测出啸叫时的频率，运用MAX262程控滤波器来设置并滤掉啸叫时的信号。同样，拾音电路和功率放大电路与方案一相同图2.3方案三系统框图此方案优点为：既具有程序的灵活性，对程序的编程要求也不很高，也能很好的实现要求。此方案的缺点为：对输出音频的音质有严重失真。方案四为：采用带有语音活动性检测VAD的谱减法消除噪声，并用基于两矢量夹角法双向通话检测器DTD的仿射投影法APA对回声自适应进行估计，提出了一种回声抵消和北京噪声消除的方法。此方案优点为：能有效地消除背景噪声，收敛速度快。此方案的缺点为：对音频的质量有损失。综合上述四种方案，并结合题目要求和实际电路实现，我们采用方案一，因为方案一不仅能实时显示频率和功率、程控输出功率，还能有效抑制啸叫，达到高质量的放音。这是其余三种方案都无法达到的。三、理论分析与计算1．相关参数的分析与计算1.1功放增益的分析与计算此指标设计两个模块，一是拾音电路增益的分析与计算，二是功率放大电路增益的分析与计算。页6拾音电路采用简单的同相放大器电路，其增益的计算公式为：1211RRAV我们可以通过改变R2与R1的值来改变拾音电路增益，同时可以用CD4051搭建电阻网络来实现程序控制选择的R2的阻值，从而达到程控增益的目的。在功率放大器部分，我们选用由TI公司推荐的AY-TPA3112D1EVM板，该板提供了Gain1和Gain0这两个增益选择端口，其档位有“00”（20db），“01”（26db）,“10”(32db),“11”(36db)，通过调节档位来程控功率放大电路的增益（AV2）。利用单片机分别控制CD4051和AY-TPA3112D1EVM板，其计算公式为：21*VVVAAA就可以实现程序控制在50mW~5W范围内变化。1.2电路效率的分析和计算我们用示波器测量负载两端的波形变化，读出其峰峰值，则输出功率为：（R为定值8），由于题目要求在50mW到5W之间，所以的范围应该在1.78~17.8V，则系统的增益倍数为89～890倍。系统增益的算法是Av=Av1*Av2。输入功率通过提供的直流电源箱直接读出，计算公式UIP（U、I为电源箱上电压示数）,加上TI公司推荐AY-TPA3112D1EVM板D类功放电路，其效率能达到94%左右的效率，完全能够达到题目所要求整体电路的效率大于80%的要求（效率的计算公式为1PP），实际电路测试中能够达到85%以上。1.3步进电阻的分析和选择由于题目要求的输出功率Pout为50mW～5W,由于输入电压的有效值为20mV，则输入电压峰峰值Vpp1为56mV左右，由公式：Pout=RVpp22)22(可知输出峰峰值Vpp2的范围是1.78V～17.8V，则系统的增益倍数为32～317倍。由拾音运放的倍数和功放的倍数即Av=Av1*Av2在32和317倍之间,由拾音运放公式：页71211RRVVAinoutV计算可得R1为固定阻值3.3K，R2为最小电阻8.2K，在功放选择最小档“00”（20dB）；在功放选择“11”，R2为最大电阻20K。2.啸叫检测电路与抑制电路分析2.1啸叫的原因对于声音信号的传播，由于电路对声音信号进行了放大，从而存在一个从喇叭到麦克风的反馈环路，当放大与反馈同时出现在一个系统中时就有可能出现正反馈现象，它会导致系统的不稳定，反映在电路中就是产生啸叫。啸叫产生时，喇叭输出的信号在某一频率单音产生高强度的震荡现象，使听者产生不舒适感。通常情况下由于电路喇叭离麦克风很近，因而产生啸叫的频带都位于高频段。2.2啸叫检测电路分析啸叫检测电路我们采用MSP430F149单片机来编程实现对啸叫检测电路的检测，根据题目的要求需要实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率。我们所采用的方案步骤是：第一，设计一个电压比较器（OPA2134）设置一个适当的阈值条件，当啸叫产生的时候能够自动生成方波。第二，将比较器产生的方波信号送入单片机，通过程序显示它方波的频率也就是啸叫频率；对于功率的显示，我们采用INA282电流检测器来检测电路中的电流通过功率计算公式：RIP2使单片机实时显示其功率。2.3啸叫抑制分析抑制正反馈发生的角度出发可以分为两类：一类属于抑制正反馈环路增益条件的方法，包括降低增益、陷波器滤波法；另一类方法属于抑制正反馈发生的相位延时条件的方法，方法包括移相法、移频法和频率压缩法。根据题目的要求我们采用是降低增益的办法，当我们用单片机检测到啸叫来临的时候，我们通过降低增益来实现抑制正反馈环路增益也就是破坏啸叫产生的幅值条件从而达到要求，并用单片机自动检测并抑制，可以完全抑制噪声，使喇叭能正常播放音乐。四、电路与程序设计页8根据题目的要求及特性，本系统由拾音电路模块、功率放大器模块、抑制检测模块、啸叫抑制模块四个模块组成。接下来是电路中模块的原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图的介绍。1拾音电路模块拾音电路我们用的是OPA2134来构成一个同相放大器，其电路原理图如图所示：图4.1拾音电路麦克风进来的信号先经过匹配电路将有效的信号波形送入到运放中其，由于题目只提供12V直流电压，我们还运用LM7805三端稳压集成芯片将12V转成5V给运放供电，为了保证声音信号波形不失真，系统单边供电所以给正端一个2.5V的偏置。R12处将变位器换成数字选择器CD4051与电阻网络构成一个程控增益的电路，并经过一定的滤波作用接入功率放大电路。通过经验值我们实际取为3.3k，我们采用CD4051构建一个电阻网络，我们取的电阻值范围为8.2k~20k，单单在拾音电路部分就可以达到增益8步进的效果；2抑制检测模块抑制模块采用MSP430F149单片机来实现题目所要求检测电路实时显示啸叫的频率和相应的功率放大器输出功率功能，抑制检测的程序流程图如下图所示：页9图4.3啸叫检测程序流程图抑制检测中采用比较器电路，根据要求，比较器电路用的是OPA2134运放或者TLV3501运放，出来的效果一样，具体仿真电路图如下：图四比较器电路比较器电路在整个电路设计过程中显得尤为的重要，它的阈值设置直接影响了后面的啸叫检测电路和啸叫抑制电路的效果。所以我们需要反复条件其参数值，使其达到我们理想的效果。3功率放大器模块传统的音频放大器主要有A类、B类和AB类放大器电路。A类功放的保真度好，但是效率低，一般低于50%；B类功放效率较高，理论达到78.5%，但是存在较为严重的失真；AB类功放吸取了A类功放和B类功放的优点，理想效率可达到78.5%，广泛运用于音频功率放大电路中。但是该题目要求80%上，所以这些功率放大都不能满足要求。所以我们采用一种高效的音频放大器—D类功率放大器，D类功率放大器的效率理论值能达到100%，实际90%左右。不仅符合我们这个题目的要求，与AB类功放相比，D类功放具有节能、电源使用率高、效率高的特点。页10因此采用TI公司推荐的AY-TPA3112D1EVM板来完成D类功放电路。其电路图如下：图4.2AY-TPA3112D1EVM原理图五、测试方案即结果1、测试仪器表5.1仪器名称数量+12V电源1信号发生器1示波器2隔离变压器1万用表12.测试方法2.1按题目要求将电路连接并检查正确，用电压源供电，其输入音频信号有效值为20mv时，外接8Ω纯电阻。输入信号有效值为20mv，调节按键步进增益，记录相关数据如表5.2。2.2输入信号有效值为20mv，改变输入信号的频率，记录输出电压的峰峰值Vpp2，记录如表5.3。页112.3测试输出的电压峰峰值Vpp2，在输出电压峰峰值在18.0V时附近时，测试相关数据，并记录数据。2.4将，使用电脑外接喇叭放音，距离麦克风为0.2m，放置位置从左到右依次为:电脑喇叭、麦克风、功放喇叭，判断输出的语音信号是否清晰。2.5将台式麦克风与功放喇叭相隔1m对面放置，电脑喇叭离麦克风0.2m，从左到右依次为：麦克风、电脑喇叭、功放喇叭，从小到大调节输出功率，直到啸叫时停止，记录此时的输出功率。2.6观察并记录显示屏上显示的频率f1和功率放大器的输出功