2014年黑龙江赛区TI杯D题音频放大器详解

摘要
为达到一定的效率，本文采用D类功率放大器来进行对音频的放大，D类功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在在开关状态，理论上的效率可以达到100%，但是其不足之处在于可能会产生自激和噪音，产生啸叫。

啸叫可能会导致功率放大器输出功率过大，产生刚响失真等负面影响。

所以要通过啸叫抑制减弱自激振荡，可以通过运用移相电路来进行反向抵消法、调相法等方式改善这类现象。

而对于啸叫的检测可以通过
关键词：D类功率放大器高频宽调制信号自激震荡啸叫啸叫抑制
Abstract
To achieve the efficiency, we use the D class power amplifier to amplify the audio, power device class D power amplifier is a high frequency pulse width modulation (PEM) control, so that its working state in the switch, theoretical efficiency can reach 100%, but its deficiency is likely to produce self and the whistling noise. Howling may cause excessive power amplifier output power,produce negative effects such as distortion just ring. So through the howling suppression reduced self-excited oscillation, can use reverse offset and phase modulation method to improve this kind of phenomenon.
Keywords: class D power amplifier ，modulation signal of high bandwidth ，self oscillation， howling， howling suppression
目录
带啸叫检测与抑制的音频功率放大器的设计与总结报告 (2)
一、引言 (3)
二、总体方案设计 (3)
2.1拾音电路方案选择 (3)
2.2啸叫检测电路方案的选择 (4)
2.3啸叫抑制电路方案的选择 (4)
2.4功率放大器方案的选择 (4)
三、单元模块设计 (5)
3.1系统原理框图 (5)
3.2拾音电路 (6)
3.3啸叫检测电路功能及设计 (7)
3.4啸叫抑制电路功能及设计 (8)
3.4..1 移相电路的功能及设计 (8)
3.5功率放大电路功能及设计 (10)
3.6各元件选择与参数选择 (12)
3.6.1 AY-TPA3112D1芯片的选择 (12)
3.6.2移相电路中器件的计算与选择 (13)
3.6.3扬声器的选择 (14)
3.6.4运放芯片的选择 (14)
四、系统调试和测试结果 (14)
4.1测试仪器 (14)
4.2测试方法 (15)
4.2.1模拟测试 (15)
4.1.1作品测试 (15)
4.1.2啸叫抑制测试...................... 错误!未定义书签。

4.3测试结果 (15)
五、系统功能和指标参数 (15)
5.1系统功能 (15)
5.2指标参数 (15)
5.3使用注意事项 (16)
六、设计总结 (16)
参考文献 (16)
带啸叫检测与抑制的音频功率放大器的设计与总结报告一、引言
音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。

进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。

而电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器就是在这种需求的背景下，D类放大器产生。

它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

但在扩音系统中，传输响应以及声反馈易引起声音畸变产生啸叫。

而啸叫是由很多高频分量组成的，因此在抑制啸叫的各种方法中，移相法显得最为合适。

另外，当话筒与扩音器距离很近时，还会产生较高幅度的信号，因此需要在移相电路后加入减幅电路来削减啸叫。

而为了应对啸叫有时需要得到啸叫信号的频率和幅值，可以通过单片机来控制功率放大器和显示啸叫信号频率。

二、总体方案设计
2.1拾音电路方案选择
拾音电路即高输入阻抗的输入电路，对声音进行拾取放大的作用。

方案一、采用场效应管的高阻输入电路，是非常简单的。

场效应管工作时只有一种迹象的载流子参与导电，所以场效应管有陈伟单机型晶体管。

优点输入电阻大，稳定性好，制作工艺简单便于集成。

但是场效应管价格较高且放大倍数不如三极管。

方案二、采用LM358P运算放大电路。

集成放大器由三极管，电阻，电容组成，分为输入级、中间级、输出级，偏执电路。

LM358适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

其工作性能稳定，电路简单利于操作。

综合来看，考虑到音频放大的因素及测试等问题，选择方案二。

总结来讲，我们选择方案一。

集成电路中包含三极管放大，而且集成电路的漂移小，可靠性高，高速，电路较为简单，操作方便。

2.2啸叫检测电路方案的选择
方案一、用51单片机定时器门电路直接对功放板进行测量，获得啸叫频率。

这种方法简单易行，但对波形要求较高，需要较为典型的方波才能计数。

方案二、通过过零比较器对信号进行转换，变为规整的方波后再通过模拟开关进入乘法器，最后输入单片机进行测量。

这种方法能较好的实现对啸叫频率的测量，并在LCD屏上显示。

综合来看，方案二的稳定度高，结果相对准确，因此选择方案二。

2.3啸叫抑制电路方案的选择
方案一、利用频率分析法抑制啸叫，可以用频率均衡器补偿扩声曲线，把系统的频率响应调成近似的直线，使各频段的增益基本一致，提高系统的传声增益。

可使用21段以上的均衡器，但成本较高。

方案二、利用调相法抑制啸叫，扩音系统的自激啸叫是由于扩音信号与原始信号相位相同而叠加产生。

如果把话筒信号调相处理进行反馈，就会破坏自激的相位条件，从而防止系统的自激啸叫。

这种方法抑制效果明显，原理易懂，电路简单，便于制作和测试。

但当话筒与扩音器距离足够近时，信号振幅会发生突变产生啸叫。

综合来看，我们选择方案二。

2.4功率放大器方案的选择
方案一、A、B、C类功率放大器的效率低，功放的声音较为清晰，但损耗高。

还可能会存在交越失真的情况。

方案二、采用单片机控制D 类功率放大器TPA3112D1，效率为100%（实际效率可达90%左右），而且功率大。

工作中在开关状态，失真低，实用性好操作简单。

综上来看，我们选择方案三。

D 类功放的的效率远远高于其他两个并且失真低，更为符合题目要求。

D 类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM 调制器、放大器、低通滤波器。

电路结构组成如下图
图1 D 类功放电路的结构组成图
三、单元模块设计
3.1系统原理框图 音频放大电路是一种对音频信号进行放大的功率放大电路，但在放大时由于距离问题或者自激振荡的产生会发声刺耳的啸叫。

因此，对于啸叫信号的检测和抑制显得尤为重要。

带啸叫检测和抑制的音频功率放大器以功率放大器为基础，其核心是啸叫抑制和检测模块。

带啸叫抑制和检测的音频功率放大器组成框图如下图
图2 带啸叫抑制和检测的音频功率放大器组成框图
啸叫检测 啸叫抑制 拾音电路 接信号
功率放大电A B K 音频功率放大器 K D C R L 8 V o
在开关K1、K2分别接至A、C端口时，声音信号首先通过拾音电路转化为电信号并进行前置放大，然后接入功率放大器，用单片机控制实现功率可调。

在开关K1、K2分别接至B、D口时，用单片机进行啸叫频率、幅值检测与显示，并通过移相法进行调相反馈抑制啸叫，可以很好地实现音量放大并消除啸叫的功能。

图3 总体设计框图
3.2拾音电路
要求麦克风输出阻抗为1kΩ ~ 2.2kΩ。

拾音电路是通过话筒对声音信号转化为电信号，进而进行下一步的放大。

拾音电路主要由音频转换电路和前置放大电路组成。

首先音频通过话筒转化为电压信号，进入前置放大电路，通过运放电压负反馈对信号进行放大。

在这里选用LM358P实现，其价格低，引脚便于操作应用普遍。

电路图如图4，通过调整R1、R2的阻值能够实现放大倍数的变化。

图4 拾音电路电路图
3.3啸叫检测电路功能及设计
通过示波器观察产生的啸叫信号可以观测出，其波形大致是方波，其中含有很多高频分量。

这也是听到刺耳声啸叫的原因。

同时，啸叫声波的振幅也会异常升高，
因此，以振幅异常升高信号为基准，通过单片机显示啸叫时刻的频率值。

但当啸叫发生时单片机不能完全检测出其频率，所以需要加一个过零比较器，来将杂乱的波形变为容易被单片机编程的方波，最后单片机检测出产生啸叫的频率并显示出来。

在功率测量上，可以通过乘法器对信号进行平方运算，再通过积分器积分，最后输入单片机，进而求出方波的功率。

系统以单片机AT89C51为核心，构成完备的测量系统。

可以对信号进行频率的精确测量。

采用液晶LCD1602显示被测信号的频率。

与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高、硬件结构简单的优点。

在测量中，要用到GATE 信号，GATE=1时，TR0=1，INTO=1才能启动计数器，而计数器0是通过外部中断INTO 的下降沿开始触发的，计时器从0开始计时，计数器只能测高电平，因此测得的时间为半个周期。

当计数器0计时溢出，执行m 加1的操作。

则测量时间为
65536256001++⨯=TL TH t
所求频率为
1
21000000t F ⨯= 单片机系统设计框图如下：
图5 单片机系统框图程序流程图如下：
图6 程序流程图
3.4啸叫抑制电路功能及设计
3.4..1 移相电路的功能及设计
啸叫的产生是由于运放自激振荡以及输出音频与输入信号相位相同相互不断叠加放大。

因此，可以用移相法使放大的音频信号发生相移，导致扬声器反馈回的输出音频信号与麦克端的输入信号相位不同，这样就可以避免啸叫的产生。

在电路中，电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流90度,电感的端电压超前于电流90度。

一般来说，将RC与运放联系起来组成有源滤波的移相电路应用较为广泛。

因此，以运放LM358P为基础，构成移相电路如图4。

在输入部分接入信号发生器产生正弦波，可以看到输出的波形发生了相移。

图7 移相电路仿真图及仿真测试结果
通过调节两个电位器的阻值，可以实现波形的前后移动。

3.5功率放大电路功能及设计
要求输入音频信号有效值20mV，功率放大器最大不失真功率为5W，误差小于10％；并可以程控设置功率放大器的输出功率，范围为50mW～5W；其频率响应范围为200Hz ~ 10kHz。

在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率≥80%。

因此选用89C51单片机控制D类音频放大器TPA3112D1，其工作电压8V~26V，功率可以达到要求范围，效率高。

实验板上芯片外围电路主要包含以下几部分：供电电路，音频输入电路，功率输出电路，功率限制引脚外部电路。

其中，功率输出电路采用H桥输出滤波器，电路如图6.
L1
1mH
L2
1mH
L3
1mH
L4
1mH
C1
1µF
C2
1µF
C3
1µF
C4
1µF
OUTP
OUTN
Filter A Filter B
LC滤波器
接扩音器
图8 H桥输出滤波电路
此方式可以充分利用电源电压，有效的提高了输出功率，且能达到题目要求。

在音频输入电路上，应用差分输入电路。

差分信号一定通过电容与引脚INN 和INP相连。

如果是单端输入，不使用的电流应通过电容与地相连。

连接示意图如图7所示。

输入电容选取公式：
c
i
i f
Z
C
π2
1
=
其中
c
f是高通滤波器截止频率，
i
Z为输入阻抗。

图9 音频输入电路
另外，在使用电路板时应当注意，由于TPA3112D1为大功率音频放大器，在不接外接输出时就给电很容易造成芯片烧毁。

在初步测试时，我们就因为没有发现扬声器导线断路就直接供电，造成了芯片的损毁。

在单片机控制功率输出模块，运用脉冲宽度调制，对模拟信号电平进行数字编码。

通过高分辨率计数器的使用，调整方波的占空比，来对一个具体模拟信号
的电平进行编码。

然后计算其功率。

系列单片机无PWM输出功能，可以采用定时器配合软件的方法输出。

对精度要求不高的场合，非常实用。

电路图见图一，采用了高速光隔（6N137）输出，并将PWM的信号倒相。

用可变脉宽PWM输出，用T0定时器控制PWM的占空比，T1定时器控制脉宽（最大：65536微妙）。

图10为PWM系统原理图
VCC
6N137
PWM
图10 PWM原理图
3.6各元件选择与参数选择
3.6.1 AY-TPA3112D1芯片选择
TPA3112D1电路板是一个单一D类音频功率放大器，25W单声道。

安装在一个可用于直接驱动扬声器与外部模拟音频源作为输入电路，带有少量的外部元件。

EVM的默认输出滤波器配置是一个LC滤波器，但可以很容易地配置为支持无滤波操作。

图11 TPA3112D1芯片管脚示意图
3.6.2移相电路中器件的计算与选择
移相电路第一级运放如图8所示，运放与电容、电阻共同构成微分电路，此电路具有0～180度超前移相功能。

图12 移相电路一级运放电路图
其中电容以及电阻的取值参数可依据下列公式计算：
)()
(
)
(
2
22222222212_111C R k RC j C R C R k U U w j H U U U U k U U R R R U U RC
j RC j U i
O
O i O i i ωωωωωω+--+===∴⎪
⎭⎫- ⎝⎛=⎪⎭⎫
- ⎝⎛+=+=
••
-
•
+••••••
•
+•
对于第二级运放，其和电阻、电容构成积分电路，实现滞后移相功能。

3.6.3扬声器的选择
纸盆式扬声器又称为动圈式扬声器。

它由三部分组成：①振动系统，包括锥形纸盆、音圈和定心支片等；②磁路系统，包括永义磁铁、导磁板和场心柱等；③辅助系统，包括盆架、接线板、压边和防尘盖等。

当处于磁场中的音圈有音频电流通过时，就产生随音频电流变化的磁场，这一磁场和永久磁铁的磁场发生相互作用，使音圈沿着轴向振动，由于扬声器结构简单、低音丰满、音质柔和、频带宽，但效率较低。

3.6.4运放芯片的选择
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运放放大器，适用于单电源，也适用于双的电源工作模式，再推荐的工作天剑侠，电源与电压无关。

它的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所欲哦可用电电源供电的使用运算放大器的场合。

选用此芯片进行运放完全符合实验要求
四、系统调试和测试结果
4.1测试仪器
双踪示波器、信号发生器、万用表、台式全向麦克风、组合纸盆方式的电动式喇叭（额定功率为5W）
4.2测试方法
4.2.1模拟测试
用软件Multsim来模拟出电路图，并测试
用软件测试成功后输入端连接信号发生器，在输出端连接示波器，测试观察，得到结论后绘制PCB图，并绘制成电路板。

4.2.2作品测试
第一步：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。

第二步：啸叫测试。

麦克风与喇叭面对面一直接近，单片机显示实时频率，直到发生啸叫。

启动啸叫抑制电路，将话筒与喇叭一直接近，测试喇叭是否发出啸叫
4.3测试结果
五、系统功能和指标参数
5.1系统功能
把声音信号进行放大的同时可以减弱消除自激。

使声音在传输过程中没有自激振荡的影响，可以随意调节话筒和喇叭的距离与方向。

5.2指标参数
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％。

在输入音频信号有效值为20mV时，功率范
围为50mW～5W，功率放大器的频率响应范围为200Hz ~ 10kHz。

在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率≥80%。

且能保证在功率放大器输出为5W时，在1米距离内不发生啸叫。

5.3使用注意事项
使用功率放大器时需要注意，喇叭的导线容易断，导致功率放大器容易烧坏。

注意控制功率放大器两端电压。

六、设计总结
本实验作品基本符合题目要求，符合前期的设计指标。

在调试时能达到理想的音效效果，通过运放电路和D类功率放大器对音频进行放大，成功检测出啸叫前的实时频率和啸叫时的频率，并且能够成功的抑制住啸叫。

再通过运放电路的过程中可能会发生自激振荡，使原本的正弦波变为含有高频成分的方波，啸叫抑制电路将原本产生啸叫的的方波经过调相器的负反馈调节变为不会产生小脚的正常正弦波，抑制了啸叫，输出没有啸叫的音频信号，达到实验要求。

通过本次实验，我们学会了怎样制作一个音频放大器音放大的同时能够满足啸叫检测和抑制的整个过程，在这次试验中我们学到很多知识，学会了运用Keil 和Multsim软件，也学会了如何设计电路图，在软件上仿真成功后自己做出电路板来实现这个电路。

这次实验最重要的是培养了我们的学习兴趣，和自己动手的能力。

从以前的被动学习到现在的自愿去发现课题，研究课题，最后把自己的想法落实到实际课题中。

参考文献
[1]阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨工程大学出版社.2001
[2]孙晓波.李双全.王海英.自动控制原理.科学出版社.2006
[3]
[4]
附录
话筒参数
喇叭参数
电阻8欧功率5瓦。