帶嘯叫檢測與抑制功能的音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

趙晉楠 周林宇 湯琴

【摘要】本設(shè)計(jì)基于TPA3112—DEMO板，利用MAX262設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帶嘯叫檢測與抑制功能的音頻放大器，實(shí)現(xiàn)了對嘯叫信號的檢測與抑制功能。系統(tǒng)主要分為六個(gè)模塊：拾音電路模塊、前級放大模塊、嘯叫檢測模塊、嘯叫抑制模塊、功率放大電路模塊以及電源模塊。系統(tǒng)最大特點(diǎn)是由嘯叫檢測模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測嘯叫頻率點(diǎn)，通過單片機(jī)控制由可編程濾波器芯片MAX262設(shè)計(jì)的嘯叫抑制模塊，實(shí)現(xiàn)對語音信號的帶阻濾波處理，并能對濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等進(jìn)行可編程設(shè)置，減少了外圍電路的復(fù)雜度。

【關(guān)鍵詞】功率放大器;TPA3112D1;MAX262;嘯叫檢測與抑制

Design of Audio Power Amplifier with Howling Detection and Suppression

Abstract：The design is based on amplifier chip TPA3112D1，and the MAX262 is used to design and produce an audio amplifier with the function of howling detection and suppression to achieve the detection of whistle signals and suppression.The system consists of six modules：pick up circuit module，pre-amplifier module，howling detection module，howling suppression modules，power amplifier modules and power modules.This system is characterized by the largest real-time monitoring module whistle howling detection frequencies，programmable filters through the microcontroller chip MAX262 howling suppression modules designed to realize the band-stop filter speech signal processing，and is able to filter characteristic parameters，such as the center frequency，quality factor and other programmable settings to reduce the complexity of the external circuit.

Keywords：amplifier chip TPA3112D1;MAX262;howling detection and suppression

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是源自于2014年TI杯四川省電子設(shè)計(jì)大賽，要求基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帶嘯叫檢測與抑制功能的音頻放大器，完成對臺式麥克風(fēng)音頻信號進(jìn)行放大，通過功率放大電路送喇叭輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.系統(tǒng)方案論證

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)方案論證如下：

1.1 拾音電路模塊的論證與選擇

方案一：選用三極管放大。三極管是常用的放大器件，其原理和電路結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對拾音信號3倍左右的放大，但由于本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)負(fù)載很大，三極管驅(qū)動負(fù)載能力不夠。

方案二：選用運(yùn)算放大器放大。NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放相似，但它具有更好的低噪聲性能、優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力、相當(dāng)高的小信號帶寬和電源電壓范圍大等特點(diǎn)。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器，且輸出波形較好。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.2 前級放大模塊的論證與選擇

方案一：VGA芯片AD8376。該芯片為45dB可控增益放大器，可以在任意低頻到500MHz的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。雖可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的增益，但是在單片機(jī)步進(jìn)上實(shí)現(xiàn)不太理想，而且電路容易產(chǎn)生自激。

方案二：程控增益放大芯片VCA821。VCA821是TI公司新出品的一款DC耦合的、寬頻帶、V/V線性、持續(xù)可變增益的放大器。可以實(shí)現(xiàn)0-15倍增益的要求，通過單片機(jī)步進(jìn)電壓控制增益，以達(dá)到題目要求輸出功率范圍為50mW～5W，波形不失真且不易產(chǎn)生自激。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

1.3 嘯叫檢測模塊的論證與選擇

方案一：基于FFT算法進(jìn)行嘯叫檢測。FFT算法是將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號進(jìn)行分析，容易觀測到各點(diǎn)的頻率變化。由于嘯叫點(diǎn)頻率能量極高，容易檢測。但由于單片機(jī)MSP430轉(zhuǎn)化速度較慢，會有相對較長的時(shí)延，而且此算法過程較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。

方案二：使用比較器LM393檢測嘯叫頻率點(diǎn)。由于嘯叫時(shí)能量極高，此頻率點(diǎn)的振幅遠(yuǎn)高于普通音頻信號，在最高的振幅與普通音頻信號振幅之間選擇一個(gè)參考電壓，使用比較器將嘯叫信號轉(zhuǎn)換成方波信號，通過單片機(jī)MSP430計(jì)算實(shí)時(shí)監(jiān)測嘯叫頻率并顯示。

綜合以上兩種方案，選擇硬件實(shí)現(xiàn)嘯叫檢測模塊，故選擇方案二。

1.4 嘯叫抑制模塊的論證與選擇

方案一：基于FFT算法對嘯叫信號進(jìn)行抑制。但MSP430轉(zhuǎn)化速度較慢，會發(fā)生相對較長的延時(shí)，兩次轉(zhuǎn)化延時(shí)會更加長，此方案較為復(fù)雜。

方案二：使用硬件電路制作中心頻率為嘯叫頻率點(diǎn)的帶阻濾波器，可以有效的對嘯叫信號進(jìn)行濾波，但實(shí)際電路的頻帶太窄、衰減幅度不大、不同環(huán)境中嘯叫頻率點(diǎn)不同，所以抑制效果不太明顯。

方案三：使用MAX262程控濾波電路?；趩纹瑱C(jī)可編程濾波器芯片MAX262可以通過編程對各種頻率信號實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理，且濾波的特性參數(shù)如中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等，可通過編程進(jìn)行設(shè)置，減少了電路的復(fù)雜度。本系統(tǒng)通過編程對語音信號進(jìn)行帶阻濾波，抑制嘯叫信號。

綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.5 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)由拾音電路模塊、前級放大模塊、嘯叫檢測模塊、嘯叫抑制模塊、功率放大電路模塊及電源模塊等構(gòu)成?；谝陨戏桨傅谋容^選擇，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)嘯叫檢測電路實(shí)時(shí)監(jiān)測不同環(huán)境中的嘯叫頻率點(diǎn)，通過LCD1602顯示，并輸入MSP430中控制MAX262設(shè)置以該頻率點(diǎn)為中心頻率的帶阻濾波器，濾除嘯叫信號后的音頻信號經(jīng)TPA3112D1音頻功放放大。

2.主要硬件電路設(shè)計(jì)與理論分析計(jì)算

2.1 前級放大模塊電路設(shè)計(jì)與分析

系統(tǒng)要求輸入音頻信號有效值為20mV時(shí)，程控設(shè)置功率放大器的輸出功率，功率范圍為50mW～5W。由于功率放大器TPA3112D1選用GAIN0放大10倍左右，因此前級放大倍數(shù)為3-40左右，系統(tǒng)采用兩級放大：前級拾音模塊放大倍數(shù)為3倍，通過級聯(lián)方式第二級采用程控放大0～15倍即可，使用MSP430對電壓進(jìn)行10mV的步進(jìn)控制。

根據(jù)：P=U有效2/R，=U有效，由于P=50mW ～W，V有效=20mV。

則：U有效=0.632～6.32V，前級放大倍數(shù)為Au=3～40。

圖3為VCA821壓控放大電路。

圖3 前級放大電路

2.2 嘯叫檢測抑制模塊電路設(shè)計(jì)與分析

嘯叫檢測模塊主要由比較器電路、衰減電路和射極跟隨電路電路組成，如圖4所示。

由于單片機(jī)所能識別的信號電壓范圍為3-4V，所以需要衰減電路降壓，射級跟隨器的輸出阻抗小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，故將其接入此模塊的輸出級驅(qū)動MSP430顯示嘯叫頻率。

圖4 嘯叫檢測模塊

圖5 程控濾波電路

嘯叫抑制模塊使用MAX262程控濾波電路，該電路可程控濾波電路的中心頻率、品質(zhì)因數(shù)等，具有很強(qiáng)的操作性電路如圖5所示。

不同環(huán)境中產(chǎn)生的嘯叫頻率點(diǎn)不同，所以設(shè)計(jì)可程控中心頻率的帶阻濾波器。

2.3 功率轉(zhuǎn)換效率的分析與計(jì)算

通過單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測電路的輸入電流I，得到電源輸入功率Pv=IU源;由示波器讀出經(jīng)放大后的輸出電壓Uo，得到輸出功率Po=Uo2/R。根據(jù)公式，得到電路的轉(zhuǎn)換效率;將該值傳給單片機(jī)，作為已知參量，實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示不同輸入信號下的Po，且。

3.軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)通過AD數(shù)據(jù)采樣，將采集到的電路信號傳入給超低功耗MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過LCD液晶屏顯示。所檢測的電路信號有電源輸入電流、經(jīng)放大后的輸出電壓以及與嘯叫頻率一致的方波信號。LCD液晶屏顯示效率、功率以及嘯叫頻率。當(dāng)嘯叫被抑制的時(shí)候系統(tǒng)檢測沒有嘯叫點(diǎn)，則表示嘯叫完全抑制。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

4.1 測試儀器

雙路直流電源TPR303T-3C、函數(shù)發(fā)生器SP1641B、數(shù)字信號發(fā)生器SP1461、雙蹤示波器TDS2012、萬用表VC97等。

4.2 測試方法

（1）拾音電路接入的固定頻率的信號源，此處選用1kHz的正弦信號;輸入信號有效值為20mV，調(diào)節(jié)程控電壓VG，對應(yīng)功率放大器的電壓輸出Vo如表1所示。

表1 程控增益的電壓值對應(yīng)功率放大的電壓幅度（Vo）

注：此處程控增益電壓由單片機(jī)設(shè)置按鍵步進(jìn)控制，Vo為峰峰值。

功率功率放大器的頻率響應(yīng)范圍測試如表2所示。

表2 功率放大器的頻率響應(yīng)

（2）在功率放大器輸出功率為5W時(shí)，測得電路中I=0.480A

（3）制作電壓可以實(shí)現(xiàn)±5V的直流電源供電。

（4）將臺式麥克風(fēng)與喇叭相隔1m背靠背放置，使用電腦播放音樂作為音頻信號源。音頻功率放大器能通過麥克風(fēng)采集信號，經(jīng)功率放大電路送喇叭輸出，輸出清晰的音頻信號。

（5）嘯叫檢測電路能實(shí)時(shí)監(jiān)測所產(chǎn)生嘯叫，MSP430控制液晶屏顯示嘯叫頻率為2.3KHz，顯示嘯叫功率3-4W。

（6）通過使用程控芯片MAX262能夠完全抑制嘯號，效果較好。

4.3 測試分析與結(jié)論

分析上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

測試電壓為17.6V，通過PU2/R計(jì)算出P≈4.84W，達(dá)到題目要求的最大不失真功率。分析表1數(shù)據(jù)可計(jì)算Vo=1.76V時(shí)，對應(yīng)輸出功率P=50mW;Vo=17.6V時(shí)，對應(yīng)輸出功率P≈5W，達(dá)到題目功率輸出范圍要求。分析表2數(shù)據(jù)，可以得出設(shè)計(jì)達(dá)到題目要求的指標(biāo)，功率放大器頻率響應(yīng)范圍為200Hz～10Hz。

在功率放大器輸出功率為5W時(shí)，測得電流I=0.480A，電源供電U=12V，P=UI=5.75W計(jì)算電路整體效率，達(dá)到題目設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到題目所要求的所有指標(biāo)，而且對嘯叫抑制有很明顯的效果。

5.結(jié)語

通過測試，本次設(shè)計(jì)的音頻放大系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了對音頻信號得放大，在保證系統(tǒng)的效率的情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)測嘯叫頻率點(diǎn)，并采用程控帶限濾波器的方法抑制嘯叫，完善了系統(tǒng)的功能，放大效果較好，嘯叫抑制可控性較強(qiáng)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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