带啸叫检测与抑制的音频功率放大器

带啸叫检测与抑制的音频功率放大器

摘要：本项目主要实现带啸叫检测与抑制的音频功率放大器，完成对台式麦克风音频信号进行放大，通过功率放大电路送喇叭输出。本系统采用STM32主控制器，围绕TI的功率放大器TPA3112D1芯片，搭建拾音、滤波、放大、啸叫检测、啸叫抑制等电路模块，并对信号进行数字化滤波处理，实现了对音频信号的采集和播放功能。

关键词：STM32, TPA3112D1, 啸叫

Abstract：This project is developed a howls detection and suppression of audio power amplifier which used to amplify the desktopmicrophone audio signal and output by the speaker.The hardware system is included the STM32 micro controller unit,a TPA3112D1 power amplifier chip,audio-pickup, filtering,amplification,howls detection and howls suppression circuit module. The software systme is used the digital filter algorithm. The circuit is realized the function of audio signal acquisition and play .

Keywords :STM32,TPA3112D1, howls

一. 系统设计方案

1.原理

题目要求用基于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进行放大，通过功率放大电路送喇叭输出。电路示意图如图1-1所示。

图1-1

2.控制系统总体设计

本系统由拾音模块、功放模块、滤波模块、啸叫检测和抑制等模块构成。控制系统的结构框图如图1-2 所示。

STM32 MCU

拾音模块

放大模块滤波模块啸叫检测模块啸叫抑制模块LCD显示模块

TPA3112D1

功放模块

麦克风

喇叭

图1-2

二. 方案论证

经过分析和论证，带啸叫检测与抑制功能的音频放大器可由拾音电路、可控增益放大电路、带通滤波电路，啸叫检测电路、啸叫抑制电路、LCD显示电路，

功率放大电路和主控制器模块组成，其中功率放大电路选取比赛指定芯片TPA3112D1。

1.拾音电路方案论证

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。它是一个三级放大电路，第一级为差分放大电路，第二级为共射放大电路，第三级中可以消除交越失真。另外，选频网络和放大电路组成正弦振荡电路，电路结构简单，经济方便，但是有不足，选频性能较差，频率调节不方便，且提高正弦振荡电路的振荡频率就必须减少R和C的数值，这就会影响到放大电路部分，所以其频率有限，一般是几赫兹到几千赫兹之间，足以满足题目基本要求。

利用以上的LM386，驻极体话筒，扬声器，选频网络等，即可设计一个将声音信号转换为电信号，经放大后，由扬声器恢复放大的声音信号。

2.可控增益放大电路方案论证

LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其可接单电源使用（3~30V），也可以接双电源使用（正负1.5V~正负15V），不需要调零，具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被选用搭建各种滤波电路。

另外，可控增益芯片型号众多，本队在平时训练过程中常用LM324，可通过滑动变阻器来控制LM324实现二级增益调节，并且其外围元件少，电路简单。

3.带通滤波电路方案论证

结合理论和实验测试，本系统中的啸叫抑制电路采用由LM324搭建的有源200Hz~10KHz带通滤波器组成。

4.啸叫检测电路方案论证

采用STM32 MCU片内集成的12 bitAD控制器，对电路中的输入信号进行采集，并通过数字滤波算法识别出输入信号中的啸叫信号；当检测出啸叫信号后，STM32 MCU会通过启动继电器的方式接通啸叫抑制电路。

5.啸叫抑制电路方案论证

结合理论和实验测试，本系统中的啸叫抑制电路采用由LM324搭建的7KHz，带宽为1KHz的有源带阻滤波器组成。

6.主控制模块方案论证

选用STM32 MCU对系统进行控制。STM32 MCU主要完成以下功能。

○1接收用户的按键信息，分别选择演示功能以及控制放大器增益及带宽，并将增益和带宽信息显示在TFT液晶屏幕上。

○2使用片内12bit的AD对啸叫信号进行检测采集。

○3使用GPIO口对啸叫控制电路进行控制。

7.电源芯片方案论证

由图1-2可知，本方案使用的电源分别有5v、+/-6v和12v。其中12v电源由指定的12v直流稳压电源提供。

○1正负6v电源

对于大多数的OTL功放类器件而言，其内部一般都设置了对称的偏置电路结构，这就使其输出端的直流电位近似为电源电压的一半；根据上述原理，本

方案中釆用集成功放将单电源转换成为大小相等的双极性正、负电源，具体电路图如图4-1所示。

○25v电源

采用三端稳压集成芯片LM7805，将12V电压降压、稳压后给STM32 MCU 系统供电。LM7805具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。三. 理论分析与计算

“啸叫”产生的四个原因：过载量，距离，角度，频率。其消除反馈啸叫要从产生反馈啸叫的必要条件入手，只要能破坏其中一个条件，就可达到目的。

解决方案有如下四种方法。

1 调整距离法

2 频率均衡法（宽带陷波法）

3 反馈抑制器法（窄带陷波法）

4 反相抵消法

5 调相法

系统方案中采用第3种方法对啸叫进行抑制。

四. 硬件设计

1.电源电路

事实上，由于内容参数的离散型以及自举电路结构的影响，集成功放输出端的电压并不是绝对的VCC/2，从而造成正、负输出电压不平衡的现象。对此我们需要将一只10-100KΩ的电位器串联在正负电源之间，并把LM386第3脚输入端接到电位器的中间抽头，而第2脚保持悬空。就可以在芯片的输出端得到大小非常紧接的正负电压值了。电源电路图如图4-1所示。

图4-1

2.拾音电路

拾音电路的核心是LM386功放集成电路，如下图4-2所示。LM386的1、8脚间接上一只可调电阻RP（即下图中R5）和一个10uF的电容器C6组成串联RC网络，用来调节LM386的放大倍数，当R5阻值为零时，LM386的放大倍数最大（200倍）。若要使功放的声音柔和些，可在LM386的5脚与地之间串接一只电容器C4与一只电阻R4。而在7脚与地之间接的47uF电容器C5可防止LM386自激。