带啸叫检测与抑制功能的音频功率放大器的设计

【摘要】本设计基于TPA3112—DEMO板，利用MAX262设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，实现了对啸叫信号的检测与抑制功能。系统主要分为六个模块：拾音电路模块、前级放大模块、啸叫检测模块、啸叫抑制模块、功率放大电路模块以及电源模块。系统最大特点是由啸叫检测模块实时监测啸叫频率点，通过单片机控制由可编程滤波器芯片MAX262设计的啸叫抑制模块，实现对语音信号的带阻滤波处理，并能对滤波的特性参数如中心频率、品质因数等进行可编程设置，减少了外围电路的复杂度。

【关键词】功率放大器;TPA3112D1;MAX262;啸叫检测与抑制

Design of Audio Power Amplifier with Howling Detection and Suppression

Abstract：The design is based on amplifier chip TPA3112D1，and the MAX262 is used to design and produce an audio amplifier with the function of howling detection and suppression to achieve the detection of whistle signals and suppression.The system consists of six modules：pick up circuit module，pre-amplifier module，howling detection module，howling suppression modules，power amplifier modules and power modules.This system is characterized by the largest real-time monitoring module whistle howling detection frequencies，programmable filters through the microcontroller chip MAX262 howling suppression modules designed to realize the band-stop filter speech signal processing，and is able to filter characteristic parameters，such as the center frequency，quality factor and other programmable settings to reduce the complexity of the external circuit.

Keywords：amplifier chip TPA3112D1;MAX262;howling detection and suppression

文中设计的系统是源自于2014年TI杯四川省电子设计大赛，要求基于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。系统结构设计如图1所示。

图1 系统结构设计图

1.系统方案论证

根据设计要求，系统方案论证如下：

1.1 拾音电路模块的论证与选择

方案一：选用三极管放大。三极管是常用的放大器件，其原理和电路结构简单易实现，可以实现对拾音信号3倍左右的放大，但由于本次设计系统负载很大，三极管驱动负载能力不够。

方案二：选用运算放大器放大。NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的低噪声性能、优良的输出驱动能力、相当高的小信号带宽和电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器，且输出波形较好。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.2 前级放大模块的论证与选择

方案一：VGA芯片AD8376。该芯片为45dB可控增益放大器，可以在任意低频到500MHz的频率范围内稳定工作。虽可以实现设计要求的增益，但是在单片机步进上实现不太理想，而且电路容易产生自激。

方案二：程控增益放大芯片VCA821。VCA821是TI公司新出品的一款DC耦合的、宽频带、V/V线性、持续可变增益的放大器。可以实现0-15倍增益的要求，通过单片机步进电压控制增益，以达到题目要求输出功率范围为50mW～5W，波形不失真且不易产生自激。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3 啸叫检测模块的论证与选择

方案一：基于FFT算法进行啸叫检测。FFT算法是将时域信号转化为频域信号进行分析，容易观测到各点的频率变化。由于啸叫点频率能量极高，容易检测。但由于单片机MSP430转化速度较慢，会有相对较长的时延，而且此算法过程较复杂，实现难度大。

方案二：使用比较器LM393检测啸叫频率点。由于啸叫时能量极高，此频率点的振幅远高于普通音频信号，在最高的振幅与普通音频信号振幅之间选择一个参考电压，使用比较器将啸叫信号转换成方波信号，通过单片机MSP430计算实时监测啸叫频率并显示。

综合以上两种方案，选择硬件实现啸叫检测模块，故选择方案二。

1.4 啸叫抑制模块的论证与选择

方案一：基于FFT算法对啸叫信号进行抑制。但MSP430转化速度较慢，会发生相对较长的延时，两次转化延时会更加长，此方案较为复杂。

方案二：使用硬件电路制作中心频率为啸叫频率点的带阻滤波器，可以有效的对啸叫信号进行滤波，但实际电路的频带太窄、衰减幅度不大、不同环境中啸叫频率点不同，所以抑制效果不太明显。

方案三：使用MAX262程控滤波电路。基于单片机可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程对各种频率信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等，可通过编程进行设置，减少了电路的复杂度。本系统通过编程对语音信号进行带阻滤波，抑制啸叫信号。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.5 系统总体方案

该系统由拾音电路模块、前级放大模块、啸叫检测模块、啸叫抑制模块、功率放大电路模块及电源模块等构成。基于以上方案的比较选择，系统总体框图如图2所示。

图2 系统总体设计框图

整个系统经啸叫检测电路实时监测不同环境中的啸叫频率点，通过LCD1602显示，并输入MSP430中控制MAX262设置以该频率点为中心频率的带阻滤波器，滤除啸叫信号后的音频信号经TPA3112D1音频功放放大。

2.主要硬件电路设计与理论分析计算

2.1 前级放大模块电路设计与分析

系统要求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。由于功率放大器TPA3112D1选用GAIN0放大10倍左右，因此前级放大倍数为3-40左右，系统采用两级放大：前级拾音模块放大倍数为3倍，通过级联方式第二级采用程控放大0～15倍即可，使用MSP430对电压进行10mV的步进控制。

根据：P=U有效2/R，=U有效，由于P=50mW ～W，V有效=20mV。

则：U有效=0.632～6.32V，前级放大倍数为Au=3～40。

图3为VCA821压控放大电路。

图3 前级放大电路

2.2 啸叫检测抑制模块电路设计与分析

啸叫检测模块主要由比较器电路、衰减电路和射极跟随电路电路组成，如图4所示。

由于单片机所能识别的信号电压范围为3-4V，所以需要衰减电路降压，射级跟随器的输出阻抗小，带负载能力强，故将其接入此模块的输出级驱动MSP430显示啸叫频率。

图4 啸叫检测模块

图5 程控滤波电路

啸叫抑制模块使用MAX262程控滤波电路，该电路可程控滤波电路的中心频率、品质因数等，具有很强的操作性电路如图5所示。

不同环境中产生的啸叫频率点不同，所以设计可程控中心频率的带阻滤波器。

2.3 功率转换效率的分析与计算

通过单片机实时检测电路的输入电流I，得到电源输入功率Pv=IU源;由示波器读出经放大后的输出电压Uo，得到输出功率Po=Uo2/R。根据公式，得到电路的转换效率;将该值传给单片机，作为已知参量，实时监测显示不同输入信号下的Po，且。

3.软件设计与实现

本系统通过AD数据采样，将采集到的电路信号传入给超低功耗MSP430单片机进行数据处理，并通过LCD液晶屏显示。所检测的电路信号有电源输入电流、经放大后的输出电压以及与啸叫频率一致的方波信号。LCD液晶屏显示效率、功率以及啸叫频率。当啸叫被抑制的时候系统检测没有啸叫点，则表示啸叫完全抑制。软件流程图如图6所示。

图6 软件设计流程图

4.系统测试与结果分析

4.1 测试仪器

双路直流电源TPR303T-3C、函数发生器SP1641B、数字信号发生器SP1461、双踪示波器TDS2012、万用表VC97等。

4.2 测试方法

（1）拾音电路接入的固定频率的信号源，此处选用1kHz的正弦信号;输入信号有效值为20mV，调节程控电压VG，对应功率放大器的电压输出Vo如表1所示。

表1 程控增益的电压值对应功率放大的电压幅度（Vo）

注：此处程控增益电压由单片机设置按键步进控制，Vo为峰峰值。

功率功率放大器的频率响应范围测试如表2所示。

表2 功率放大器的频率响应

（2）在功率放大器输出功率为5W时，测得电路中I=0.480A

（3）制作电压可以实现±5V的直流电源供电。

（4）将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，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，输出清晰的音频信号。

（5）啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，MSP430控制液晶屏显示啸叫频率为2.3KHz，显示啸叫功率3-4W。

（6）通过使用程控芯片MAX262能够完全抑制啸号，效果较好。

4.3 测试分析与结论

分析上述测试数据，由此可以得出以下结论：

测试电压为17.6V，通过PU2/R计算出P≈4.84W，达到题目要求的最大不失真功率。分析表1数据可计算Vo=1.76V时，对应输出功率P=50mW;Vo=17.6V时，对应输出功率P≈5W，达到题目功率输出范围要求。分析表2数据，可以得出设计达到题目要求的指标，功率放大器频率响应范围为200Hz～10Hz。

在功率放大器输出功率为5W时，测得电流I=0.480A，电源供电U=12V，P=UI=5.75W计算电路整体效率，达到题目设计要求。

综上所述，本设计达到题目所要求的所有指标，而且对啸叫抑制有很明显的效果。

5.结语

通过测试，本次设计的音频放大系统完全实现了对音频信号得放大，在保证系统的效率的情况下，实时监测啸叫频率点，并采用程控带限滤波器的方法抑制啸叫，完善了系统的功能，放大效果较好，啸叫抑制可控性较强，有一定的实用价值。

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