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1、D题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器摘要： 本系统以TI公司AY-TPA3112D1 EVM功率放大器和ST公司STM32103FZET6单片机为主要控制器件，设计并制作的带啸叫检测与抑制的音频功率放大器。通过三管功率放大器和LM358运算放大器构成的拾音电路对台式麦克风音频信号进行拾音与放大，经TPA3112D1功率放大电路送喇叭输出。单片机实时采集啸叫频率和相应功率放大器的输出功率，并通过OLED进行显示。通过按键可以设置功率放大器50mW到5W范围内的输出功率。单片机通过控制MAX262ACWG双二阶通用开关电容有源滤波器来抑制啸叫，并能够正常播放音频信号，啸叫抑制可以通过开关进行开启
2、与关闭。关键字：功率放大器；啸叫抑制；频率采集Abstract: the system based on TI AY-TPA3112D1 EVM power amplifier with ST company STM32103FZET6 Microprocessor as the main control device, designed and produced with howling detection and suppression of audio power amplifier. Pickup circuit amplifies the desktop microphone aud
3、io signal is formed by three tube power amplifier and the operational amplifier, the TPA3112D1 power amplifier circuit to the speaker output. Power real-time acquisition of howling and the corresponding output of the power amplifier, and through the OLED display. You can set the power amplifier outp
4、ut power from 50mW to 5W range through the button. The Microprocessor through the control of MX262ACWG double general two order switched capacitor active power filter to suppress the howling, and capable of playing audio signal, howling suppression can be opened by a switch.Keywords: power amplifier
5、；howling suppression；Frequency acquisition一、系统方案论证与对比 1.单片机的选择方案一：选用AT89S52系列微控制器，AT89S52单片机是我们熟悉的老式单片机，但它的工作速度较慢，内部功能较少，需要增加大量外设来满足系统的需求，所以达不到产品设计的要求。方案二：选用STM8S系列微控制器，较方案一速度有所增加且外设较多。但是考虑到本系统的涉及到很多个时钟控制，所以还是无法满足设计需求。 方案三：选用STM32F103系列单片机，STM32F103ZTE6采用Cortex-M3内核，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬
6、件除法。片上集成512KB的Flash存储器和64KB的SRAM存储器。具有丰富的时钟源、3种低功耗模式、12通道DMA控制器、3个12位的us级的A/D转换器、2通道12位D/A转换器；多达11个定时器能够实现PWM输出、输入捕获、看门狗定时等功能；多通信接口支持IIC、USART、SPI、CAN等通信。完全能过满足本设计的需求，丰富的功能能够大大减少外围电路的搭建，因此本设计采用方案三。 2.拾音电路方案比较方案一：采用甲乙类互补对称功放电路，简称三管功放。该电路采用单电源方式供电，故而在输出负载支路中串接一个大电容，利用电容的储能作用充当整个电路的负电源来满足电路的需求。三极管9014组
7、成电压放大级，当二个二极管正偏导通时，为两个8550三极管提供偏压，使三极管处于微导通状态。在8550的发射级上串联3.3电阻，以稳定偏流，减小环境温度对电路的影响。该方案线路简单，具有良好的推挽输出，放大倍数达到了10倍，但是该放大倍数还是较小。方案二：利用LM358构成反向比例运算放大电路，放大倍数能够满足系统要求，但是麦克风采集音频信号的输出值较小，而且LM358构成的反向比例放大器只能放大电压幅度，不能很好驱动后级电路。方案三：采用三管音频放大电路作为前级和反相比例运算放大作为后级构成拾音电路，三管音频功放能过很好的将音频信号进行拾音放大，在通过反向比例运算放大器提高整体的放大倍数，满
8、足后级电路的需求，因此本设计采用方案三。 3.输出功率采集方案比较方案一：STM32103FZET6单片机内部集成有3个12位的模数转换器，直接利用单片机的ADC采集功放的输出电压，喇叭的额定电阻值为8欧姆，可以直接利用功率公式计算出功放输出的功率。电路十分简单，但是功放输出的电压波形比较复杂，直接通过单片机进行处理，编程过于复杂。方案二：利用高精度均方根直流转换器AD637组成的均方值转换电路，将复杂波形的功放输出转换易于计算的均方值，再通过单片机的ADC进行采集，由于喇叭的额定电阻值为8欧姆，所以就可以利用功率公式直接计算出功放的输出功率，送到OLED进行实时的显示。因此采用方案二。 4.
9、输出功率调节方案比较 方案一：采用PGA311音频控制芯片，调节功放的输出功率，调节精度高，但需要组建外围电路，连接复杂、调试不便。 方案二：由于TPA3221D功放自身带有增益和功率调节，利用单片机IO口控制功放的增益，按键控制D/A输出数字量改变功率调节端电压，从而起到输出功率调节的目的，连接方便，无需采用外围电路大大提高的系统的可靠性，因此采用方案二。 5.系统整体设计 三管功率放大器和LM358构成的反相比例放大器组成的拾音电路，三管音频功放对台式麦克风音频信号进行拾音放大，在通过反向比例运算放大器提高整体的放大倍数。LM393构成的电压比较器和CD40106构成施密特触发电路组成啸叫
10、检测电路，麦克风输入音频信号经过三管功放放大后的电压值作为电压比较器的输入电压，与基准电压进行比较后，将检测到的啸叫信号送入施密特触发器进行波形的整形，从而通过单片机定时器的输入捕获来采集啸叫的频率，通过OLED进行实时的显示。按键可以直接设置功率放大器50mW到5W范围内的输出功率。单片机通过控制MAX262ACWG双二阶通用开关电容有源滤波器来抑制啸叫，并能够正常播放音频信号。抑制啸叫的开启通过开关来控制，啸叫开启时，麦克风音频输入信号经过三管功率放大后经过啸叫抑制模块将信号送至TPA3112D1功率放大模块进行放大输出。啸叫关闭时，麦克风音频输入信号经过三管功率放大后直接送到TPA311
11、2D1功率放大模块进行放大输出。利用高精度均方根直流转换器AD637组成的均方值转换电路，将复杂波形的功放输出转换易于计算的电压值，再通过单片机的AD进行采集，喇叭的额定电阻值为8欧姆，可以利用功率公式直接计算出功放的输出功率，送到OLED进行实时的显示。STM32103FZET6单片机运放电路啸叫检测MAX262ACWG啸叫抑制模块TPA3112D1功率放大模块扬声器AD637均方根采集模块显示模块按键模块麦克风三管功放图1 系统总体设计框图二、理论分析与计算 1.功放的效率分析影响功率放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。为此
12、，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。如果输入波形其他边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。波形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化。然而由TPA3112D1芯片构成D类数字放大器工作于开关状态，无信号时无电流，而导电时，没有直流损耗，理论上效率能达100%。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时，器件并未完全短路，尚有一定管压降，故存在较少直流损耗，实际效率在90%左右,是实用放大器中效率最
13、高。 2、啸叫的抑制分析麦克风拾音后，经功率放大器放大后产生的音频信号又通过直接辐射方式或声反射方式进入麦克风，使得整个扩声系统产生正反馈，引起声电信号自我激励，扬声器随即产生啸叫。啸叫产生的四个主要原因为过载量、距离、角度、频率，只要能破坏其中一个条件，就可抑制啸叫。避免啸叫、提升扩音音量最有效的方法之一就是将话筒尽量靠近声源拾音，但是本题的要求是远距离拾音衰减很小，调整距离对防止啸叫抑制作用不大。自激啸叫的反馈回路是正反馈，如果把输入信号移相处理，就会破坏自激的相位条件，从而防止系统的自激啸叫。利用分立元件构成的模拟移频器，采用大量的电阻、电容对电阻，电容的阻值，容抗精确度要求非常高。要求
14、误差小于1%。否则模拟移频电路工作状态和一致性会很差。另外由于时间，温度，适度，环境污染等原因也会造成模拟移频效果的变化。通过单片机控制MAX262ACWG有源滤波器，实现带阻滤波，来抑制啸叫，程控滤波器使用灵活、 调试容易以及工作性能稳定。 3.功放输出电压范围计算 当输入有效值为20mV的正弦波音频信号，程控设置功放放大器的输出功率范围在50mW5W,则在8欧姆电阻上的正弦输出电压范围为0.89V8.94V。 4.拾音电路放大倍数计算 三管功率放大器的放大倍数大约在10倍左右，反向比例运放的放大倍数为，所以拾音电路总体的放大倍数在68倍。三、 电路设计 1.拾音电路的设计 我们采用三管音频
15、放大电路作为前级和反相比例运算放大作为后级构成拾音电路，三管音频功放能过很好的将音频信号进行拾音放大，在通过反向比例运算放大器提高整体的放大倍数，已满足后级电路的需求。如附录1所示。 2.啸叫频率和输出功率的采集利用LM393构成的电压比较器和CD40106构成的施密特触发器组成啸叫频率测量电路。麦克风输入信号经过拾音电路放大后的电压值作为电压比较器的输入电压用来检测啸叫，经过施密特触发器进行波形的整形后，通过单片机定时器的输入捕获测量出啸叫的频率。利用高精度均方根直流转换器AD637组成的均方值转换电路用来采集输出功率，AD637能将复杂波形的功放输出转换易于计算的均电压值，再通过单片机的A
16、/D进行采集，利用功率公式直接计算出功放的输出功率。电路图如附录2所示。 3.啸叫抑制设计MAX262ACWG双二阶通用开关电容有源滤波器采用CMOS 工艺制造,在不需外部元件的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。可以通过单片机精确控制滤波器的传递函数，包括设置中心频率、 品质因数和工作方式。该电路由STM32F103ZET6单片机I/O口进行控制,由单片机的IO口将数据送入 MAX262中,通过设置相应的参数,可实现带阻滤波，就可以将啸叫滤除，有效的抑制了啸叫，并能够正常播放音频信号。这种程控滤波器具有使用灵活、 调试容易及工作性能稳定等特点。电路图如附录3所示。4.人机
17、交互电路以STM32F103ZET6最小系统板最为核心控制，通过按键输入，单片机就可以控制功率放大器的输出功率范围。OLED作为单片机的显示模块可以实时显示当前的输出功率和啸叫时的频率。电路图如附录4所示。 四、程序设计 1.程序设计主流程图程序初始化：初始化系统及外设时钟，使能外设。当定时器输入捕获检测到啸叫频率后，单片机将设置的滤波参数通过IO口送入 MAX262，实现带阻滤波，当检测到按键按下后，D/A输出步进0.1V电压，用于控制功率放大的输出功率。A/D实时采集AD637的转换后电压值，进行计算处理，最终将啸叫频率和输出功率送到OLED进行显示。NYYN有无按键输入？程控滤波DAC输
18、出步进0.1V计算输出功率显示功率和频率ADC采集均方值电压程序初始化是否检测到啸叫？图2 主程序流程图 2.程控滤波子程序设计采用keil uvision4对MAX262进行软件程序设计,MAX262 的地址 A0 A3与数据D0D1的关系如表1所列。由表1可看出,每个滤波器的工作模式、 中心频率 f 0、 品质因数 Q值所需编程数据,均需分8 次写入 MAX262 的内部寄存器才能完成设置。由 Q值计算N 并转换成二进制编程数据 Q0Q6 送片内 RAM ,由输入的中心频率 f 0 值计算 N1。N 为二进制数据Q0Q6 对应的十进制整数,范围为0127 ,共128 级; N1 为二进制数
19、据 F0F5对应的十进制整数,范围为 063 ,共 64 级。在获得MAX262 的工作参数后,根据表1 将这些参数转换为8 字节的编程数据。通过单片机IO口将数据送入MAX262，进行设置。设置完成后,MAX262 就按照当前所需求的中心频率、Q 值和滤波器工作方式对输入信号进行滤波处理。表1 MAX262的地址分配 四、测试方案与结果 1.测试仪器数控式直流稳压电源（LPS-305）、数字万用表（VC9807A+)、数字示波器（TDS1001B）、F05A型数字合成函数信号发生器/计数器。 2.硬件参数 利用驻极体话筒对音频信号采集，驻极体话筒的具体参数如下： 型号CZN-15E，全指向性
20、，频率范围在20Hz12KHz，灵敏度为-58-2dB，输出阻抗1K，额定电压112V，额定电流0.02A。 啸叫检测时，输出端外接额定功率为5W，额定阻抗为8的组合纸盆电动式喇叭。 3.测试结果在输入电压12V时，用函数信号发生器产生频率1KHz，有效值为20mV的正弦波送入输入端，输出端外接8欧姆、5W纯电阻负载。通过按键设置功率放大器的功率，通过数字示波器测量出功放的输出范围。表1 测试结果输出电压(V)0.6191.833.304.225.416.40输出功率(W)0.0470.4181.372.223.665.20输入功率(W)0.0540.4711.682.544.235.98显示
21、功率(W)0.0500.4301.392.313.615.01整体效率(%)88.887.886.585.284.782.6误差（%）7.27.58.18.68.79.1 4.测试结果分析 1) 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，误差在9，满足设计要求。 2）在输入音频信号有效值为20mV 时，可以程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50mW5W，满足设计要求。 3）功率放大器的频率响应范围为200Hz10kHz，满足设计要求。 4）在功率放大器输出功率为5W 时，电路整体效率为82.6%，满足设计要求。 5）将台式麦克风与喇叭相隔1m
22、 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，输出的音频信号清晰，满足设计要求。 6）经过测试，产生啸叫时的频率为2KHZ，OLED显示的啸叫频率为1998HZ，满足设计要求。 7）启动啸叫抑制电路时，音功率放大器能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号，满足设计要求。 8）在无啸叫产生时，能够将音频功率放大器的输出功率提高到 5W，啸叫抑制电路仍能正常工作，面对面放置的麦克风与喇叭之间的放置距离能够缩短60cm，满足设计要求。五、结论由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。参考文献1 童诗白、华成英主编模拟电子技术基础M第四版北京：高等教育出版社，20062 马潮编著AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践M第2版北京：北京航空航天大学出版社，20113 谭浩强著C程序设计M第四版北京:清华大学出版社，20104 章亚明著嵌入式控制系统应用设计M北京：北京邮电大学出版社，2010 5 黄根春.周立青.张望先.全国大学生电子设计竞赛教程基于TI器件的设计方法.电子工业出版社.2012.附录1：拾音电路图3 拾音电路原理图附录2：啸叫频率和输出功率的采集图4 啸叫频率和输出功率的采集电路图附录3：啸叫抑制电路图5 啸叫抑制电路图附录4：人机交互电路图6 人机交互电路图9