D題：帶嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器—改(另存)

1、2014年TI杯競(jìng)賽陜西賽區(qū)設(shè)計(jì)報(bào)告封面參賽隊(duì)編號(hào)（參賽學(xué)校填寫(xiě)）學(xué)校編號(hào)組（隊(duì)）編號(hào)選題編號(hào)0516D說(shuō) 明1. 本頁(yè)作為競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告的封面和設(shè)計(jì)報(bào)告一同裝訂；2. “參賽隊(duì)編號(hào)”由參賽學(xué)校編寫(xiě)，其中“學(xué)校編號(hào)”應(yīng)按照巡視員提供的組委會(huì)統(tǒng)一編排的編號(hào)填寫(xiě)，“組（隊(duì)）編號(hào)”由參賽學(xué)校根據(jù)本校參賽隊(duì)數(shù)按順序編排，“選題編號(hào)”由參賽隊(duì)員根據(jù)所選試題編號(hào)填寫(xiě)，例如：“0105B”或“3367F”。5. 本頁(yè)允許各參賽學(xué)校復(fù)印。帶嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器（D題）本科組摘要本系統(tǒng)為一個(gè)基于TPA3112D1的帶嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器，由拾音電路、嘯叫檢測(cè)電路、嘯叫抑制電路、功率放大電路組成

2、，拾音電路通過(guò)臺(tái)式麥克風(fēng)完成對(duì)音頻信號(hào)的輸入，由LM386進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)由TLC2274C構(gòu)成的帶通濾波器完成對(duì)所需頻率響應(yīng)信號(hào)的截?。粐[叫是一種回授音，不可控，話筒拾音的音響系統(tǒng)，都有反饋嘯叫的可能。話筒嘯叫的危害很大，需要進(jìn)行必要的檢測(cè)和抑制，抑制可以從過(guò)載量，距離，角度，頻率這四個(gè)方面考慮；功率放大電路由基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1組成，對(duì)所得的頻率響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，可通過(guò)MSP430G2553對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行編程從而控制輸出功率。整個(gè)系統(tǒng)完成了對(duì)臺(tái)式麥克風(fēng)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)功率放大電路送喇叭輸出，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工作可靠。關(guān)鍵字：TPA3112D1 LM386 TL

3、C2274C 嘯叫檢測(cè)與抑制 MSP430G2553目錄一、方案論證11.拾音電路的論證與選擇11.1前級(jí)放大電路的論證與選擇11.2 帶通濾波電路的論證與選擇12.嘯叫檢測(cè)電路的論證與選擇23.嘯叫抑制電路的論證與選擇24.功率放大電路的論證與選擇2二、理論分析與計(jì)算31.前級(jí)放大電路的分析32.帶通濾波器的分析與計(jì)算53. 功率放大電路的分析6三、電路與程序設(shè)計(jì)71.電路的設(shè)計(jì)71.1 系統(tǒng)總體框圖71.2 前級(jí)放大電路原理圖71.3 帶通濾波電路原理圖81.4 功率放大電路原理圖91.5 電源電路原理圖92.程序的設(shè)計(jì)102.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路102.2 程序流程圖10四、測(cè)試方

4、案與測(cè)試結(jié)果111.測(cè)試方案111.1 硬件測(cè)試111.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)112.測(cè)試條件與儀器123.測(cè)試結(jié)果及分析123.1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）123.2 數(shù)據(jù)分析13五、 結(jié)論131.設(shè)計(jì)總結(jié)132.心得體會(huì)13六、參考文獻(xiàn)14附錄15附錄1：電路原理圖15附錄2：波形圖17附錄3：源程序20III一、方案論證本系統(tǒng)主要由拾音電路、嘯叫檢測(cè)與抑制電路、功率放大電路組成，如下圖，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。嘯叫檢測(cè)嘯叫抑制拾音電路接信號(hào)源功率放大電路ABK1音頻功率放大器K2DCRL8WVo 1. 拾音電路的論證與選擇1.1 前級(jí)放大電路的論證與選擇方案一：分立三極管VT8050。選用VT8

5、050中功率管，其功率大，可直接將音頻信號(hào)放大，但其放大的是電流信號(hào)，本系統(tǒng)需要放大電壓信號(hào)，故不適合本系統(tǒng)。方案二：TLC2274C放大。TLC2274C內(nèi)含四運(yùn)放，使用起來(lái)比較方便，但由TLC2274C構(gòu)成的前級(jí)放大電路，經(jīng)測(cè)試效果不是很好。方案三：LM386放大。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功率低、電壓增益可調(diào)整、外接元件和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)中，實(shí)際測(cè)試效果也不錯(cuò)，可以使用。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2 帶通濾波電路的論證與選擇方案一：由電容和電阻構(gòu)成的無(wú)源帶通濾波器，其電路簡(jiǎn)單，但帶負(fù)載能力差。方案二：由LM324構(gòu)成的帶通濾波器，輸入信號(hào)先

6、經(jīng)低通濾波，再經(jīng)高通濾波，完成所需頻段的頻率響應(yīng)，但其仿真效果不是很好。方案三：TLC2274C構(gòu)成帶通濾波電路，信號(hào)經(jīng)二級(jí)低通濾波，再經(jīng)二級(jí)高通濾波，其效果不錯(cuò)。綜合以上三種方案，選擇方案三。2. 嘯叫檢測(cè)電路的論證與選擇方案一：由于嘯叫時(shí)整個(gè)系統(tǒng)輸出功率將達(dá)到峰值，電壓也將長(zhǎng)時(shí)間停留在一個(gè)較高的值，可以通過(guò)電壓實(shí)現(xiàn)嘯叫檢測(cè)，但由于耗能較大不予考慮。方案二：通過(guò)頻率檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)嘯叫的檢測(cè)，如果單片機(jī)檢測(cè)高頻波則啟動(dòng)判斷，此方案不僅實(shí)現(xiàn)了頻率的實(shí)時(shí)顯示，又將嘯叫檢測(cè)加入其中，并未增加其他多余電路，通過(guò)實(shí)際的方案論證，此方案可以滿足設(shè)計(jì)要求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3. 嘯叫抑制電路的論證與

7、選擇方案一：將嘯叫通過(guò)一個(gè)反向比例放大器再用加法運(yùn)算放大器按照一定比例添加到輸入端，能量相互抵消以后即可減弱嘯叫，但由于嘯叫采樣較為復(fù)雜，無(wú)法使用一只全向麥克風(fēng)來(lái)采樣到理想的嘯叫，所以此方案無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：通過(guò)降低輸出功率來(lái)減小音響與話筒的相互作用，通過(guò)單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來(lái)控制TPA3112的PLIMIT腳的值來(lái)控制功率輸出，將功率控制在不產(chǎn)生嘯叫的范圍之內(nèi)，此方案會(huì)對(duì)最后的功率輸出產(chǎn)生一定的影響，但是由于控制迅速有效并且不外加電路不會(huì)產(chǎn)生額外的功耗所以選用此方案。綜合以上兩種方案，選擇方案二。4. 功率放大電路的論證與選擇方案一：LM3886放大電路。在額定工作電壓下最大可達(dá)

8、68W的連續(xù)不失真平均功率，同樣具有比較完善的過(guò)壓過(guò)流過(guò)熱保護(hù)功能，最可貴的是它具有自動(dòng)抗開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)的電流沖擊的功能，使揚(yáng)聲器能夠安全的工作，但由于題目選型限制要求，不適合本系統(tǒng)。方案二：TPA3112D1放大電路。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試后，效果非常好，可以使用。綜合以上兩種方案，選擇方案二。二、理論分析與計(jì)算1. 前級(jí)放大電路的分析電子學(xué)中放大的目的在于將微弱的變化信號(hào)放大成較大的信號(hào)，放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示，如圖： 電壓放大倍數(shù)：，是復(fù)數(shù)，反映了輸出和輸入的幅值比與相位差。，和分別是輸入和輸出電壓的有效值。LM386內(nèi)部電路如圖1：圖 1 LM386內(nèi)部電路第一級(jí)差分放大電路

9、（雙入單出），第二級(jí)共射放大電路（恒流源作有源負(fù)載），第三級(jí)OTL功放電路，輸出端應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極形成反饋通道，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。LM386的電壓放大倍數(shù)：1. 當(dāng)引腳1和8之間開(kāi)路時(shí)；2. 當(dāng)引腳1和8之間外接電阻R時(shí)可調(diào)整增益在20倍到200倍之間變化；3. 當(dāng)引腳1和8之間對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路時(shí)；4. 在引腳1和5之間外接電阻，也可改變電路的電壓放大倍數(shù)；結(jié)論：電壓放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20200。LM386引腳圖如圖2所示： 圖2 LM386引腳圖2. 帶通濾波器的分析與計(jì)算帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段

10、的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。比如RLC振蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器。也就是說(shuō)帶通濾波器是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，與帶阻濾波器的概念相對(duì)。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路(RLC circuit)。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來(lái)產(chǎn)生。一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒(méi)有放大或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒(méi)

11、有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的dB數(shù)來(lái)表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。中心頻率fo：通帶頻率范圍的中心頻率點(diǎn)，在中心頻率上濾波器對(duì)信號(hào)的抑制作用最弱，所以信號(hào)通過(guò)濾波器的損耗，即插入損耗最?。ú鍝p最小點(diǎn)）。品質(zhì)因數(shù)： , B為帶通濾波器的帶寬截止頻率：由所給的截止頻率范圍可算出相關(guān)參數(shù)。3. 功率放大電路的分析PLIMIT控制參數(shù)和程序通過(guò)TPA3112技術(shù)手冊(cè)可知PLIMIT的典型

12、電壓值為6.95V時(shí)輸出功率為最大值，0.77V時(shí)輸出功率為最小值，本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字電位器進(jìn)行分壓，控制PLIMIT的電壓為6.95V、1.87V、1.50V、1.15V、0.77V五個(gè)功率檔位。由于數(shù)字電位器本身的設(shè)計(jì)不能達(dá)到理想的0即最小增益，本系統(tǒng)采用兩個(gè)電磁繼電器來(lái)控制前級(jí)放大來(lái)實(shí)現(xiàn)50mW的最低功率和5W的最高功率。由于繼電器在僅使用MSP430單片機(jī)的情況下無(wú)法使用，所以采用一個(gè)S8050三極管進(jìn)行擴(kuò)流，如圖3：圖 3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖中R1為2K，R2為5.1K，二極管使用1N4148。三、電路與程序設(shè)計(jì)1. 電路的設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖4所示：信號(hào)輸入前級(jí)放大帶

13、通濾波嘯叫檢測(cè)嘯叫抑制功率放大信號(hào)輸出圖4 系統(tǒng)總體框圖1.2 前級(jí)放大電路原理圖前級(jí)放大電路由LM386實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖5： 圖5 LM386前級(jí)放大電路1.3 帶通濾波電路原理圖帶通濾波電路由TLC2274C先經(jīng)過(guò)低通濾波，再經(jīng)過(guò)高通濾波組成，其電路圖如圖6(a)和圖6(b)：圖6(a) 低通濾波圖6(b) 高通濾波1.4 功率放大電路原理圖功率放大電路由TPA3112D1及其外圍電路組成，其原理圖如圖7：圖7 TPA3112D1功率放大電路1.5 電源電路原理圖電源電路由+12V直流單電源輸入，經(jīng)過(guò)7805三端穩(wěn)壓芯片，為整個(gè)系統(tǒng)提供+5V電源，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單

14、，其電路圖如圖8：圖8 穩(wěn)壓電源電路2. 程序的設(shè)計(jì)2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1. 程序功能描述本程序用來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值來(lái)控制功率放大器的輸出功率，使輸出功率范圍為50mW5W，從而滿足題目需要。2. 程序設(shè)計(jì)思路本程序通過(guò)按鍵來(lái)對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，每按一下按鍵程序響應(yīng)一次來(lái)程控?cái)?shù)字電位器增加或減少一定的步距，從而有不同的輸出功率。2.2 程序流程圖程序流程圖如圖9所示：開(kāi)始輸入是否鍵入判斷執(zhí)行命令輸出結(jié)束圖9 程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1. 測(cè)試方案1.1 硬件測(cè)試將硬件電路按模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前確保連線供電正確。首先確保各模塊工作正常，功能完善；其次按

15、照信號(hào)傳播方向逐個(gè)加入后續(xù)電路進(jìn)行測(cè)量，確保各模塊共地，并將測(cè)量參數(shù)記錄成表，進(jìn)行電路數(shù)據(jù)分析。1.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)將單片機(jī)的控制引腳與相應(yīng)電路連接并確保連線無(wú)誤，運(yùn)行程序，根據(jù)具體電路實(shí)際調(diào)整程序。2. 測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：數(shù)字示波器，信號(hào)發(fā)生器，穩(wěn)壓電源，學(xué)生電源，數(shù)字萬(wàn)用表，交流毫伏表。3. 測(cè)試結(jié)果及分析3.1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）輸入音頻信號(hào)有效值為20mV時(shí)，功率放大器的最大不失真功率測(cè)試如下表1：表1 功率放大器的最大不失真功率測(cè)試功率限制電位器調(diào)節(jié)輸出電壓（V）輸出功率（W）誤差（

16、%）第一次6.345.0240.48第二次6.575.3967.2第三次6.405.122.4輸入音頻信號(hào)有效值為20mV時(shí)，程控設(shè)置功率放大器的輸出功率測(cè)試如下表2：表2 程控設(shè)置功率放大器的輸出功率測(cè)試按鍵控制功率計(jì)數(shù)次數(shù)輸出電壓（V）輸出功率（W）第一次0.650.0528第二次0.830.0861第三次1.810.410第四次3.001.125第五次4.112.120第六次5.073.213第七次5.824.234第八次6.345.024第九次6.575.396通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9C103負(fù)載兩端電壓波形變化過(guò)程見(jiàn)附錄二。3.2 數(shù)據(jù)分析通過(guò)測(cè)試，所得數(shù)據(jù)滿足題目要求，當(dāng)輸入音頻信號(hào)

17、有效值為20mV時(shí)，滿足功率放大器的最大不失真功率為5W，誤差小于10，誤差在合理的范圍內(nèi)；通過(guò)程控?cái)?shù)字電位器X9C103，從而調(diào)節(jié)功率放大器的輸出功率，使功率在50mW5W范圍之內(nèi)，滿足要求。5、 結(jié)論1. 設(shè)計(jì)總結(jié)分立元件組成的功放，如果電路選擇的好，參數(shù)選擇恰當(dāng)，元件性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)和調(diào)試的好，則性能也很優(yōu)良。許多優(yōu)質(zhì)功放均是分立功放，但只要其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，則性能會(huì)低于一般集成功放，且為了不致過(guò)載、過(guò)流、過(guò)熱等損壞元件，需要加以復(fù)雜的保護(hù)電路，在分立元件組成的功放中由二極管、電阻、電容等器件組成的核心電路，提供了自由調(diào)整的余地，集成功放電路成熟，低頻性能好，內(nèi)部設(shè)計(jì)具有復(fù)合保護(hù)電路，

18、可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件參數(shù)穩(wěn)定，無(wú)須調(diào)整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電路簡(jiǎn)單，保護(hù)功能齊全，還可外加散熱片解決散熱問(wèn)題。2. 心得體會(huì)通過(guò)本次比賽，使我們更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)音頻方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考、討論，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我們?cè)谶@方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。此次比賽即將結(jié)束，在設(shè)計(jì)中遇到的很多問(wèn)題，都是一些微小、容易被忽視卻又容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)

19、習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功地做成想做的事，才能在今后的道路上披荊斬棘。六、參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）M. 北京：高等教育出版社，2006.2 運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 彭軍 編著3 Texas Instruments Inc. LM324 -0.4-V to 26-V Input Quadruple Operational Amplifi

20、ers     4 Texas Instruments Inc. TLC227x, TLC227xA: Advanced LinCMOS Rail-to-Rail Op Amps  附錄附錄1：電路原理圖 圖5 LM386前級(jí)放大電路圖6(a) 低通濾波圖6(b) 高通濾波圖7 TPA3112D1功率放大電路附錄2：波形圖附錄3：源程序程序1：數(shù)字電位器#include<msp430g2553.h>/CSP1.1/INCP1

21、.2/U/DP1.3#define NOKEY 0 /未按下?tīng)顟B(tài)#define KEY_one 1 /按鍵1按下?tīng)顟B(tài)#define KEY_two 2 /按鍵2按下?tīng)顟B(tài)unsigned char KEY=0; /按zzz鍵狀態(tài)處理unsigned int B=5 ;/初始化NBvoid X9C103_Dec_N_Step(unsigned char n);void X9C103_Inc_N_Step(unsigned char n);void Delay(unsigned int t);void X9C103_up_N_Step(unsigned char n);void X9C103_dow

22、n_N_Step(unsigned char n);void Delay(unsigned int t) unsigned int i; for(i=0;i<t;i+);void X9C103_up_N_Step(unsigned char n) unsigned char i=0; P1OUT&=BIT1; Delay(3); for(i=n;i>0;i-) P1OUT|=BIT3; Delay(600); P1OUT|=BIT2; Delay(2); P1OUT&=BIT2; Delay(2); P1OUT|=BIT1; P1OUT|=BIT2; void X9

23、C103_down_N_Step(unsigned char n) unsigned char i=0; P1OUT&=BIT1; Delay(3); for(i=n;i>0;i-) P1OUT&=BIT3; Delay(600); P1OUT|=BIT2; Delay(2); P1OUT&=BIT2; Delay(2); P1OUT|=BIT1; P1OUT|=BIT2;void GPIO() P1DIR|=(BIT1+BIT2+BIT3); P2DIR&=(BIT2+BIT3); P2REN|=BIT2; /配置p2.2上拉電阻 P2REN|=BIT3; /配置p2.3上拉電阻void main( void ) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 關(guān)閉看門(mén)狗 BCSCTL1= CALBC1_1MHZ; /1M內(nèi)部時(shí)鐘 DCOCTL = CALDCO_1MHZ; G