2014年省电子设计大赛D题

2014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

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D 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）

a）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

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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。

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V AD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。

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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：

1211R R A V +=

我们可以通过改变R 2与R 1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R 2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-TPA3112D1 EVM 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（A V2）。

利用单片机分别控制CD4051和AY-TPA3112D1 EVM 板，其计算公式为：

21*V V V A A A =

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8Ω），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=Av 1*Av 2。输入功率通过提供的直流电源箱直接读出，计算公式UI P =（U 、I 为电源箱上电压示数）,加上TI 公司推荐AY-TPA3112D1 EVM 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1

P P =η），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=R V pp 22)2

2(

可知输出峰峰值Vpp 2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=Av 1*Av 2在32和317倍之间,由拾音运放公式：