带啸叫检测与抑制的音频功率放大器分析

2014年TI杯四川省大学生电子设计竞赛带啸叫检测与抑制的音频功率放大器设计报告日期：2014年8 月16 日带啸叫检测与抑制的音频功率放大器摘要：本设计以TI公司的MSP430F149为主控芯片，TI的TPA3112D1芯片作为功率放大器制作的一个带啸叫检测与抑制音频功率放大器， MSP430F149主要用于音频程控放大器功率输出，采集、处理、显示功率放大器的输出功率和啸叫的频率。

整个系统主要包括由INA333构成的前置放大电路、OPA2340构成的滤波电路、DAC8571的D/A转换电路、VCA821压控电路、OPA2356啸叫检测电路、LA3607抑制啸叫电路。

音频信号通过以上电路便可以实现无失真播放，并且在一定程度上起到抑制啸叫作用，达到设计要求。

关键词：MSP430F149；TPA3112D1；啸叫；程控放大；抑制1 前言本设计的功能是对音频信号进行处理，制作一个带有啸叫检测和啸叫抑制的音频功能放大器，带通频率为200Hz-10KHz。

为了实现功率放大，本设计采用TPA3112D1，将音频信号经过一个由IN333搭建的前置放大电路、滤波电路、控制功率电路后送入功率放大器电路，其中控制功率电路是采用程控的方式。

本设计的重点和难点是监测和抑制啸叫，啸叫会随着环境的变化而产生，频率也会相应发生变化，因此只能是尽量抑制它，并不能做到完全消除，选取合适的方案是最重要的。

对于啸叫频率的测量，利用啸叫幅度较大这一特点可以利用比较器将啸叫与需要的声音信号进行分离并产生，用单片机计算出啸叫频率在Nokia5110显示出来，均衡芯片LA3607利用测量频率来调节频点进行抑制，起到抑制啸叫的作用，使得整个系统满足要求。

2 系统方案选择根据本设计的要求，系统要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，输出功率采用程控的方式，并且在啸叫产生的时候，能够检测啸叫频率然后抑制啸叫。

因此我们在设计过程主要讨论程控方式、啸叫检测、啸叫抑制三个模块的方案。

2.1相关模块的方案比较2.1.1 程控模块方案一：TPA3112D1的第10引脚PLIMIT可以限制输出功率，PLIMIT引脚的输入电压VPL 决定了输出电压峰峰值VPP的最大值，并且它的GAIN0, GAIN0可以选择20dB, 26dB，32dB，36dB这4中不同的增益，当通过430单片机控制PLIMIT 端的电压和GAIN0, GAIN0增益选择便可以调节输出电压，从而实现输出功率从50mW~5W，但此种程控方式不能实现功率的连续调节，当输出功率调节到50mW 的时候，信号会出现大于10%的失真，不满足要求。

方案二：采用专门的压控芯片VCA821，由于它的输出电压受调节端的电压影响，通过单片机输出不同的电压给VCA821的调节端VG，便可以使VCA821输出不同的电压，再将此电压送给TPA3112D1，这样功率放大器的输出功率范围就能在50mW～5W之间调节，甚至更高，都不会出现波形的失真，完全满足要求。

综上所述，采用压控芯片VCA821实现程控功能。

2.1.2 啸叫检测方案啸叫是由于音响设备给了麦克风一个正反馈信号，在适当条件下使信号不断叠加，从而产生刺耳的声音。

啸叫很容易发生在波峰附近，它的幅值相对于让人听起来舒服的声音要大，利用这一特点，提出以下方案。

方案一：用软件实现，即采用数字处理的方法，利用DSP技术对声音信号进行高速采集，然后进行FFT变换，最后使用重心法进行频谱估计，得到中心频率。

然后再将此频率进行显示。

但此种方案对软件编写能力要求较高，因为对DSP 不是很熟练，所以不采取此种方案。

方案二：用模拟电路实现，由于430单片机不能处理模拟信号，因此可以利用OPA2356搭建跟随器和比较电路，将啸叫的正弦模拟信号转换为矩形波送给430单片机，利用M/T法的T检测法，测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率，再利用Nokia5110显示出来。

由于方案二更接近自身实际，所以采用方案二。

2.1.3啸叫抑制方案啸叫产生的原因是形成了正反馈，只需去掉形成正反馈的任一条件，便可以抑制啸叫，因此设计以下两个方案。

方案一：采用专门的数字滤波芯片MAX264，当检测到啸叫频率后，给MAX264配置相应的时钟，并且选择不同的滤波器形式，将检测到的频率进行衰减，从而抑制啸叫。

但此方案成本高，软件调试相对复杂。

方案二：采用均衡芯片LA3607将比较器测出的啸叫进行衰减和切除，通过改变LA3607 的7个通道的C1、C2电容值，来设置需要抑制的啸叫频率，再通过调节通道上连接的滑动变阻器设置衰减倍数，可以起到很好的抑制啸叫作用。

方案二性价比高，操作性强，效果也比较明显，所以采用方案二。

2.2 系统框图系统框图如图2-1所示。

图2.1 系统框图3 理论分析与计算3.1 滤波器的设计系统要求频率通带为200Hz-10KHz,滤波器利用TI 的FilterPro Desktop 软件进行设计，选用Bessel 滤波，最终设计出一阶R/C 滤波，采用的芯片是TI 公司的集成运放OPA2340，该运放采用2.7V-5.5V 电源供电，带宽为5.5MHz ，低噪声，轨到轨的输入/输出和高速运行使得它非常适合于通用和音频应用。

3.2 前置放大器的设计INA333是一款低功耗、零漂移、轨到轨输出的仪表放大器。

对于微弱电信号的放大具有良好的效果，由于此系统的最大通过频率为10KHz ，所以单级放大的最大增益不能超过30dB ，所以为了满足本设计的增益，采用了二级放大。

该运放的放大倍数计算方法如式3-1。

1001+G K G R ⎛⎫Ω= ⎪⎝⎭ (3-1)R G :接入引脚1和引脚8之间的电阻。

3.3 均衡器的设计该均衡器的1-14引脚格子外接电容C1、C2与内部芯片电阻R1（1.2K Ω）和R2（68K Ω）组成不同频段的RC 滤波网络，只需选择各自的C1、C2不同值，即可完成音频七段均衡目的。

设计均衡器的RC 滤波网络参数时，只需按照公式3-2和3-3计算所需的C1、C2值。

Q =01/2f =4 模块电路本系统主要包括电源模块、拾音模块、压控模块、功率放大模块、啸叫检测模块、啸叫抑制模块。

4.1 电源模块由于系统采用12V 直流电源供电，而系统中需要用到 2.5±V 、5±V,需要用LT1085制作12V 转5V ，为了减小干扰，需要给音频接入电路单独制作一个电源，用的是LM7805，原理图如4.1所示， 34063做5V 转-5V ，原理图如4.2所示，需要用LT3032做5±V 转 2.5±V ，LT3032是一款双通道、低噪声、正和负低压差电压线性稳压器。

每个稳压器可提供高达 150mA 电流和一个 300mV 的典型压差电压。

可提供低至 ±1.22V 基准电压的可调输出，或固定输出在 ±3.3V、±5V、±12V 和 ±15V 。

内部保护电路包括反向输出保护、电流限制和热限制。

电路图如4.3所示。

图4.LT1085（左）和LM7805电源（右）图4.2 MC34063电源图4.3 2.5V ±电源4.2 拾音电路模块拾音电路只要是对音频信号的放大、滤波，前置放大电路采用INA333，是一种低功耗、精密仪器仪表放大器，只要在使用时它的增益没有超过20dB,那么低于10K就能够通过，原理图如4.4所示，滤波采用OPA2340制作一个200Hz 的高通和一个10KHz的低通，共同构成一个带通。

能够实现对音频信号的处理，满足设计要求，其原理图如4.5所示。

图4.4 前置放大电路图4.5 带通滤波器电路4.3 压控模块端，从而用DAC8571将单片机输出的电压转化为模拟电压供给Vca821的VG调节TDA3112D1的输出功率。

原理图如4.6和4.7所示。

图4.6 压控模块电路图4.7 DAC8571电路4.4 功率放大模块采用TI的TDA3112D1功率放大芯片，该芯片是TI公司制造的D类功放芯片，原理图如4.8所示。

图4.8 TDA3112D1功率放大电路4.5 啸叫检测与抑制模块啸叫检测是74HCu04正弦波转化为方波后，用单片机检测其频率，此时还需要检测功率放大器的输出功率，利用AD637这款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值便可实现原理图如4.9所示。

啸叫抑制电路采用LA3607均衡芯片，该芯片是一种低价位、高性能的七均衡器，当啸叫检测模块测量出啸叫频率后，会发现在一定条件下啸叫频率会在一个小范围内变化，这便为设置LA3607的每个通道的频率以及增益提供数据，原理图如4.10所示。

图4.9 输出功率检测（左）和频率检测（右）图4.10 均衡器电路5 软件设计软件主要实现的功能是D/A转换、程控功率放大器输出功率、显示输出功率、显示啸叫频率。

程序框图如下。

6 系统调试用于调试的主要设备包括学生直流电源、AGILENT-33220A 20MHz数字信号发生器、100MHz示波器UNI-T、EXCEL DT9205A数字万用表。

6.1测试方法对功率放大器输出功率的测量是利用AD637转化出电压有效值，经过A/D 转换通过单片机送到Nokia5110显示，为了知道显示的值是否正确，同时用万用表测量功放输出电压进行对比。

对于啸叫频率的测试，可以通过Nokia5110显示屏直接读取，但为了数据的准确性，也要用示波器辅助测量频率，并进行对比。

6.2 功率放大器输出功率测试用信号发生器输出有效值为20mV的正弦波作为系统的输入电压，用压控控制输出功率从50mW~5W的相关数据如表一所示。

表一程控下输出功率当输出功率为5W，负载为8Ω时，功率放大器的输出功率效率如表二所示。

表二功率放大器输出功率效率6.3 啸叫频率检测测试调整输出功率和麦克风与喇叭之间的距离，可以检测出不同频率的啸叫信号。

其相关参数如表三所示。

表三啸叫频率检测注意：距离为麦克风与纸盆喇叭之间的距离。

6.4结果分析当输入信号为20mV的正弦信号时，由测试的效率可以看出，系统不满足要求的70%的效率要求，只有68%左右。

虽然TPA3112D1属于D类功放，效率较高，但在这个系统中加入了其它电路时效率要能达到百分之七十，需要在方案选择、布线、器件选择等方面做得合理一些。

对于啸叫频率的测量来说，经过多次测试，无论是在5W功率还是其它输出功率时，我们所处的环境下检测到的数据范围大概为2.73KHz~3.4KHz,这对于抑制啸叫提供了很大方便，能更有效地选取中心频点。

关于抑制啸叫的效果来看，在未启动啸叫抑制时，适当提高输出功率会产生啸叫，此时启动啸叫电路，啸叫会停止，再适当提高输出功率也能起到抑制作用，但不能达到5W。