帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器設(shè)計

潘宗春，蔡昌新，程志祥

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

麥克風拾音后，經(jīng)功率放大器、揚聲器擴大出聲音，這種聲音又通過直接輻射方式或聲反射方式進入傳聲器，使整個擴聲系統(tǒng)產(chǎn)生正反饋，引起聲電信號自我激勵，揚聲器隨即產(chǎn)生嘯叫聲?；芈晣[叫的發(fā)生，會導(dǎo)致功放音量無法調(diào)大或出現(xiàn)聲音振鈴現(xiàn)象，嚴重影響整個聲信號系統(tǒng)的正常工作，甚至會導(dǎo)致系統(tǒng)中的功率放大器和音響由于信號強度過大而燒毀損壞[1]。隨著DSP 技術(shù)的不斷發(fā)展，自動聲反饋抑制器已經(jīng)成為國內(nèi)外對于回聲嘯叫的主流解決方案。針對專業(yè)DSP 芯片價格比較昂貴，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)品的成本和售價比較高的問題，筆者設(shè)計了一種陷波法嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器系統(tǒng)，采用MSP430G2553單片機配合外圍電路，采用陷波法實現(xiàn)對嘯叫頻率的自動檢測和抑制[2,3]，并通過試驗對其效果進行測量和驗證。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由拾音電路、功率放大電路、嘯叫檢測、功率檢測與嘯叫抑制電路組成，框圖如圖1所示。聲音信號采集利用拾音電路將外部聲音信號進行采集放大，為系統(tǒng)提供模擬聲音信號的輸入。拾音電路中由數(shù)字電位器與運放構(gòu)成程控放大器，功率放大輸出通過TPA3112D1芯片實現(xiàn)，可以通過D/A向TPA3112D1 芯片特定引腳輸出對應(yīng)電平得到不同大小的功率放大倍數(shù)，達到聲音放大輸出的目的。嘯叫檢測由MSP430G2553的捕獲功能實現(xiàn)嘯叫頻率檢測，同時利用A/D對其輸出功率進行檢測，從而判斷是否發(fā)生嘯叫。正常情況下開關(guān)K接入A點，當檢測出有嘯叫發(fā)生時，對嘯叫頻率和功率進行顯示，再將開關(guān)K接入B點，嘯叫抑制電路工作，由陷波器限制嘯叫頻率點的信號幅度，即可抑制嘯叫。

2 硬件設(shè)計

2.1 拾音電路

拾音電路如圖2所示，采用X9313數(shù)字電位器芯片和LM741芯片構(gòu)成前置放大電路[4.5]，其中IN為信號輸入，通過程序輸出脈沖INC_P和DEC_P來控制數(shù)字電位器調(diào)整接入電路阻值的大小，從而控制電壓的放大倍數(shù)。數(shù)字電位器X9313芯片阻值的變化是階梯式的，由于它32個步進檔位，所以阻值比較精確，靈敏度也比較高。X9313芯片的VL腳到地接入一個2kΩ電阻，是用來防止數(shù)字電位器調(diào)節(jié)到阻值為零時對電路的影響。信號經(jīng)過電容C2耦合，起到隔離直流的作用。該電路具有使用元件簡單、抗干擾能力強的特點。

圖2 拾音電路

圖3 電壓有效值轉(zhuǎn)換電路

2.2 功率檢測電路

圖4 陷波器電路圖

圖5 幅頻特性曲線

2.3 功率放大電路

功率放大電路負責將拾音電路輸出的聲音信號放大輸出，同時要實現(xiàn)不同增益倍數(shù)的調(diào)節(jié)，采用TPA3112D1 構(gòu)成功率放大電路。TPA3112D1 是TI 公司生產(chǎn)的一款25 W 單聲道、無需加濾波器的D 類音頻放大器。音頻信號可實現(xiàn)差分輸入，可程控實現(xiàn)功率放大器的倍數(shù)。

2.4 嘯叫檢測電路

發(fā)生嘯叫時，信號的幅度會高于正常信號，設(shè)置合適的閾值即可避免正常信號的干擾，嘯叫檢測則采用高速比較器TLV3501芯片構(gòu)成的遲滯比較器實現(xiàn)方波轉(zhuǎn)換，再利用MSP430單片機的捕獲功能，通過方波高低電平的變化時間從而計算出嘯叫信號的頻率。

2.5 嘯叫抑制電路

用于嘯叫抑制的陷波器由普通運放搭建，設(shè)計參數(shù)如圖4所示，其中心頻率為800Hz,阻帶寬度為1.5kHz。用Proteus仿真[6]得出其幅頻特性曲線如圖5所示；當發(fā)生嘯叫時嘯叫抑制電路限制波形的幅度，再經(jīng)過放大電路把聲音信號放大，即可把嘯叫消除，效果非常理想。

3 軟件設(shè)計

軟件主要實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)步進﹑功率放大倍數(shù)選擇及嘯叫功率、頻率檢測顯示功能。為了減少功耗，并降低數(shù)字系統(tǒng)對模擬信號的干擾，控制數(shù)據(jù)設(shè)置完成之后，將微控制器設(shè)為低功耗模式。鍵盤輸入采用中斷模式，而不是查詢模式，鍵盤輸入完成后，數(shù)據(jù)端口處于靜態(tài)，可以大大降低數(shù)字系統(tǒng)對模擬信號的干擾。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

設(shè)計中利用4個按鍵手動實現(xiàn)設(shè)置，按鍵1、3為脈沖信號產(chǎn)生控制按鍵，該脈沖信號為數(shù)字電位器的控制信號。按鍵1按下時，圖2中的DEC_P產(chǎn)生脈沖，電阻值減小，前置放大器放大倍數(shù)增加；按鍵3按下時，圖2中的INC_P產(chǎn)生脈沖，電阻值變大，前置放大器放大倍數(shù)減小。按鍵2、4為D/A輸出電壓控制按鍵，間接控制功放放大倍數(shù)。當發(fā)生嘯叫時，單片機控制A/D對峰值電壓進行采樣后計算對應(yīng)功率大??；嘯叫信號經(jīng)由比較器后輸入至單片機的捕獲引腳，由單片機對其頻率進行測量。后由LCD12864對結(jié)果進行顯示。

4 試驗結(jié)果與分析

圖7 示波器測試

先由輸入端接入20mV的正弦交流信號,經(jīng)過前端放大電路放大后進入音頻功率放大模塊,該模塊將信號進一步放大之后輸出到8Ω負載。系統(tǒng)中拾音電路的放大倍數(shù)為1～6倍，分32檔位，可以做到細調(diào)來提高精度，后面的功率放大電路放大倍數(shù)為×10、×20、×40、×58等4個固定檔位。在保證最大不失真情況下，用示波器檢測其最大輸出功率不超過5W。示波器測試波形如圖7所示，其中中間波形為負載兩端輸出。上下波形為功放的差分輸出信號。

4.1 效率測量

如表1所示，在20mV正弦波輸入時測試系統(tǒng)不同功率下的效率。分析數(shù)據(jù)可知，在功率放大器輸出功率為1～5W時，電路整體效率超過82%。

表1 效率測量表

表2 頻率響應(yīng)范圍測量表

表3 嘯叫頻率檢測測量表

4.2 頻率響應(yīng)測量

在輸入信號有效值為20mV正弦波信號時，觀察輸出的最大不失真電壓(峰峰值)并記錄。固定放大倍數(shù)，改變輸入信號頻率，找到輸出峰峰值最大的一個頻率，再改變頻率，找到幅度下降到最大幅度3dB時頻率。其結(jié)果如表2所示。由表2可知，最大不失真輸出幅度為8.4V，下降3dB的幅度值應(yīng)為8.4×0.707=5.94V，故該功率放大器的幅度頻率響應(yīng)范圍能夠達到25Hz～30kHz。

4.3 嘯叫頻率檢測測量

系統(tǒng)由一個靈敏度為(-40 ± 3)dB的電容式全指向性麥克風、一個額定功率為5W、阻抗為8Ω的組合紙盆式喇叭構(gòu)成揚聲器。進行嘯叫檢測時,負載端接喇叭,輸入信號用麥克風接收聲音,增大功放放大量時觀察嘯叫顯示頻率并測試嘯叫抑制電路是否起作用。表3為系統(tǒng)對嘯叫參數(shù)的檢測。測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠采集信號并清晰播放，在麥克風和喇叭距離1m時產(chǎn)生嘯叫，并且單片機可以檢測并顯示嘯叫頻率，加入嘯叫抑制電路后有效抑制嘯叫并能正常播放音頻信號，此時麥克風與喇叭之間的距離可縮短至40cm。

5 結(jié)語

該設(shè)計采用MSP430G2553單片機配合外圍電路對嘯叫頻率實現(xiàn)自動檢測，采用陷波法抑制嘯叫，經(jīng)過檢測調(diào)試，各部分配合性能良好，實現(xiàn)了一種低成本的聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)設(shè)計。在測試過程中也暴露出了電路實現(xiàn)中不夠精準的問題，可以對嘯叫的抑制部分進行改進，以實現(xiàn)抑制頻率的動態(tài)控制，使麥克風和揚聲器定位距離進一步縮小。