D題：帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器—改(另存)解析

1、I2014年TI杯競賽陜西賽區(qū)設計報告封面參賽隊編號（參賽學校填寫）學校編號組（隊）編號選題編號0516D說 明1.1.本頁作為競賽設計報告的封面和設計報告一同裝訂；2.2.參賽隊編號”由參賽學校編寫，其中學校編號”應按照巡視員提供的組委會統(tǒng)一編排的編號填寫，組（隊）編號”由參賽學校根據(jù)本校參賽隊數(shù)按順序編排，選題編號”由參賽隊員根據(jù)所選試題編號填寫， 例如：0105B0105B”或 3367F3367F” 5.5.本頁允許各參賽學校復印。II帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器（D題）本科組摘要本系統(tǒng)為一個基于TPA3112D1的帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器，由拾 音電路、嘯叫檢測電路、嘯叫

2、抑制電路、功率放大電路組成，拾音電路通過臺式 麥克風完成對音頻信號的輸入，由LM386進行放大，再經(jīng)過由TLC2274C構成的 帶通濾波器完成對所需頻率響應信號的截??；嘯叫是一種回授音，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，需要進行必要的 檢測和抑制，抑制可以從過載量，距離，角度，頻率這四個方面考慮；功率放大 電路由基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1組成，對所得的頻率響應信號進行放 大,可通過MSP430G2553對數(shù)字電位器進行編程從而控制輸出功率。整個系統(tǒng)完成了對臺式麥克風音頻信號進行放大，通過功率放大電路送喇叭輸出，達到了設 計要求，工作可靠。關鍵

3、字：TPA3112D1LM386 TLC2274C嘯叫檢測與抑制MSP430G25533目錄一、方案論證 .11. 拾音電路的論證與選擇 . 11.1 前級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、理論分析與計算 .31.前 級放大電路的分析 .32帶通濾波器的分析與計算 . 53.功率放大電路的分析 . 6三、電路與程序設計 .71. 電路的設計.71.1 系統(tǒng)總體框圖. 71.2 前級放大電路原理圖 . 71.3 帶通濾波電路原理圖 .81.4 功率放大

4、電路原理圖 . 91.5 電源電路原理圖 . 92. 程序的設計.102.1 程序功能描述與設計思路 .102.2 程序流程圖.10四、測試方案與測試結果 . 111. 測試方案. 111.1 硬件測試.111.2 硬件軟件聯(lián)調(diào) . 112. 測試條件與儀器 . 123. 測試結果及分析 . 123.1 測試結果（數(shù)據(jù)）.123.2 數(shù)據(jù)分析.13五、結論. 131. 設計總結. 132. 心得體會.13六、參考文獻 .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.201亠、方案論證本系統(tǒng)主要由拾音電路、嘯叫檢測與抑制電路、功率放大電路組成，如下圖,F面分別

5、論證這幾個模塊的選擇。1. 拾音電路的論證與選擇1.1 前級放大電路的論證與選擇方案一：分立三極管VT8050。選用VT8050中功率管，其功率大，可直接將 音頻信號放大，但其放大的是電流信號，本系統(tǒng)需要放大電壓信號，故不適合本 系統(tǒng)。方案二：TLC2274C放大。TLC2274C內(nèi)含四運放，使用起來比較方便，但由TLC2274C構成的前級放大電路，經(jīng)測試效果不是很好。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，廣泛應用于錄音機和收音機中， 實際測試效果也不錯，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

6、的論證與選擇方案一：由電容和電阻構成的無源帶通濾波器，其電路簡單，但帶負載能力方案二：由LM324構成的帶通濾波器，輸入信號先經(jīng)低通濾波，再經(jīng)高通濾 波，完成所需2頻段的頻率響應，但其仿真效果不是很好。方案三：TLC2274C構成帶通濾波電路，信號經(jīng)二級低通濾波，再經(jīng)二級高通 濾波，其效果不錯。綜合以上三種方案，選擇方案三。2. 嘯叫檢測電路的論證與選擇方案一：由于嘯叫時整個系統(tǒng)輸出功率將達到峰值，電壓也將長時間停留在 一個較高的值，可以通過電壓實現(xiàn)嘯叫檢測，但由于耗能較大不予考慮。方案二：通過頻率檢測來實現(xiàn)嘯叫的檢測，如果單片機檢測高頻波則啟動判 斷，此方案不僅實現(xiàn)了頻率的實時顯示，又將嘯叫

7、檢測加入其中，并未增加其他 多余電路，通過實際的方案論證，此方案可以滿足設計要求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3. 嘯叫抑制電路的論證與選擇方案一：將嘯叫通過一個反向比例放大器再用加法運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雜，無 法使用一只全向麥克風來采樣到理想的嘯叫，所以此方案無法滿足設計要求。方案二：通過降低輸出功率來減小音響與話筒的相互作用，通過單片機通過 調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來控制TPA3112的PLIMIT腳的值來控制功率輸出，將功率控制 在不產(chǎn)生嘯叫的范圍之內(nèi)，此方案會對最后的功率輸出產(chǎn)生一定的影響，但是由 于控制迅速有效并且不外加電路

8、不會產(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68W的連續(xù)不失真 平均功率，同樣具有比較完善的過壓過流過熱保護功能，最可貴的是它具有自動 抗開關機時的電流沖擊的功能，使揚聲器能夠安全的工作，但由于題目選型限制3要求，不適合本系統(tǒng)方案二：TPA3112D1放大電路。經(jīng)過實際應用測試后，效果非常好，可以使 用。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1、理論分析與計算1. 前級放大電路的分析電子學中放大的目的在于將微弱的變化信號放大成較大的信號，放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡表示，如圖：電壓放大倍

9、數(shù)Au:八U。Au-，代是復數(shù)，反映了輸出和輸入的幅值比與相位差。UiAu=U-，Ui和U-分別是輸入和輸出電壓的有效值。UiLM386內(nèi)部電路如圖1：O-o4Ih圖 1LM386 內(nèi)部電路uf_ & + & inUo鳥+ &+盡2Uo宅2（1+禺）僉2R120尺+盡乩+ &第一級差分放大電路（雙入單出），第二級共射放大電路（恒流源作有源負 載），第三級OTL功放電路，輸出端應外接輸出電容后再接負載。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構成反饋網(wǎng)絡，引入深度 電壓串聯(lián)負反饋。LM386的電壓放大倍數(shù)：1當引腳1和8之間開路時Uf=UR

10、5UR6Uf/2；2當引腳1和8之間外接電阻R時可調(diào)整增益在20倍到200倍之間變化;3當引腳1和8之間對交流信號相當于短路時A巫X00；R4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：7授旁路電睿一-15kQ反相入堆益設置I50Q IJSUT1T215 kQ同梅 7 入50希入扱詁級輸岀緩丄地2Rr盡+凡尺52（R7R）R5 Re2. 帶通濾波器的分析與計算帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。也就是說帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率

11、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。一個模擬帶通濾波器的例子是電阻-電感-電容電路(RLCcircuit)。這些濾波器也可以用低通濾波器同高通濾波器組合來產(chǎn)生。一個理想的帶通濾波器應該有一個完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有放大或者 衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉換在極小的 頻率范圍完成。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望頻 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被衰減但是沒 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)來表示。通常，濾波器的設計盡量保證滾

12、降范圍越窄越好，這樣濾波器的性 能就與設計更加接近。在頻帶較低的剪切頻率fl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fl之間的差值。中心頻率fo:通帶頻率范圍的中心頻率點，在中心頻率上濾波器對信號的抑 制作用最弱，所以信號通過濾波器的損耗，即插入損耗最小(插損最小點)。品質(zhì)因數(shù)Q:Q =f 0,B為帶通濾波器的帶寬BIff益疥路設建電容+冬：4*出設定輸入輸入圖 2LM386 引腳圖6由所給的截止頻率范圍可算出相關參數(shù)。3. 功率放大電路的分析PLIMIT控制參數(shù)和程序通過TPA3112技術手冊可知PLIMIT的典型電壓值為6.95V時輸出功率為最 大

13、值，0.77V時輸出功率為最小值， 本系統(tǒng)通過數(shù)字電位器進行分壓， 控制PLIMIT的電壓為6.95V、1.87V、1.50V、1.15V、0.77V五個功率檔位。由于數(shù)字電位器本 身的設計不能達到理想的0Q即最小增益，本系統(tǒng)采用兩個電磁繼電器來控制前 級放大來實現(xiàn)50mW的最低功率和5W的最高功率。由于繼電器在僅使用MSP430單片機的情況下無法使用，所以采用一個S8050三極管進行擴流，如圖3:截止頻率c2* pi* R* C7三、電路與程序設計1. 電路的設計1.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖4所示:信號輸入Hr卜前級放大圖 4 系統(tǒng)總體框圖1.2 前級放大電路原理圖前級放大電路由LM

14、386實現(xiàn)，電路圖如圖5：8Vooit圖 5LM386 前級放大電路1 3帶通濾波電路原理圖帶通濾波電路由TLC2274C先經(jīng)過低通濾波，再經(jīng)過高通濾波組成，其電路圖如圖6(a)和圖6(b):圖 6(a)低通濾波91.4 功率放大電路原理圖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7805三端穩(wěn)壓芯片，為整個系統(tǒng)提供+5V電源，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，其電路圖如圖8：7805VinVinVinVoutVoutv v m m OlliGNDGND+ +AGNO ：2X： ： ： ： ： ： ： ： ：A.：.：C2：:O.lpF R5. Wv：IkQ AGN

15、DCLgF R14r-VVV1fc0R1Sv/vIhC圖 6(b)高通濾波XBV1功率放大電路由TPA3112D1及其外圍電路組成，其原理圖如圖7:100,lu0,luO.luO.luGNDGND圖 8 穩(wěn)壓電源電路2. 程序的設計2.1 程序功能描述與設計思路1.程序功能描述本程序用來調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值來控制功率放大 器的輸出功率，使輸出功率范圍為50mW5W,從而滿足題目需要。2.程序設計思路本程序通過按鍵來對數(shù)字電位器進行調(diào)節(jié)， 每按一下按鍵程序響應一次來 程控數(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：11四、測試

16、方案與測試結果1.測試方案1.1 硬件測試將硬件電路按模塊進行測試，測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；其次按照信號傳播方向逐個加入后續(xù)電路進行測量，確保各 模塊共地，并將測量參數(shù)記錄成表，進行電路數(shù)據(jù)分析。1.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)將單片機的控制引腳與相應電路連接并確保連線無誤，運行程序，根據(jù)具體電路實際調(diào)整程序122.測試條件與儀器測試條件：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 且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：數(shù)字示波器，信號發(fā)生器，穩(wěn)壓電源，學生電源，數(shù)字萬用表， 交流毫伏表。3. 測試結果及分析3.1 測試結果（數(shù)據(jù)）輸入音頻信號有效值為

17、20mV時，功率放大器的最大不失真功率測試如下表1：表 1 功率放大器的最大不失真功率測試功率限制輸出電壓輸出功率誤差電位器調(diào)節(jié)（V）（W）（%）第一次6.345.0240.48第二次6.575.3967.2第三次6.405.122.4輸入音頻信號有效值為20mV時，程控設置功率放大器的輸出功率測試如下表2：表 2 程控設置功率放大器的輸出功率測試按鍵控制功率計數(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

18、6.575.396通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9C103負載兩端電壓波形變化過程見附錄二。133.2 數(shù)據(jù)分析通過測試，所得數(shù)據(jù)滿足題目要求，當輸入音頻信號有效值為20mV時，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)； 通過程控數(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。五、結論1. 設計總結分立元件組成的功放，如果電路選擇的好，參數(shù)選擇恰當，元件性能優(yōu)良， 設計和調(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 個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，貝性能會低于一般集成功放，且為了不致過載、過流、過熱等 損壞元件，需要加以復

19、雜的保護電路，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)部設計具有復合保護電路，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，無須調(diào)整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電路簡單，保護功能齊全，還可外加散熱片解決散熱問題。2. 心得體會通過本次比賽，使我們更加扎實的掌握了有關音頻方面的知識，在設計過程 中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考、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在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐 出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。在整個系

20、統(tǒng)設 計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。此次比賽即將 結束，在設計中遇到的很多問題，都是一些微小、容易被忽視卻又容易出現(xiàn)的錯 誤。在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想 到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，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。14六、參考文獻1童詩白，華成英模擬電子技術基礎（第四版）M.北京：高等教育出版 社，2006.2運算放大器及其應用彭軍編著3Texas In strume nts In c. LM324 -0.4-V to 26-V In put Quadruple O

21、peratio nal Amplifiers http:/.c n/cn/lit/ds/symli nk/lm324.pdf4Texas In strume nts Inc. TLC227x, TLC227xA: Adva need Li nCMOS Rail-to-RailOp Amps http:/.en/c n/lit/ds/symli nk/tlc2274.pdf15附錄 1 1 電路原理圖附錄10uGNDGND GND圖 5LM386 前級放大電路圖 6(a)低通濾波16圖 6(b)高通濾波圖 7 TPA3112D1 功率放大電路17附錄 2 2:波形圖Fuunni /wwif181

22、9附錄 3 3:源程序20程序1數(shù)字電位器#i nclude/CSP1.1/INCP1.2/U/DP1.3#defi ne NOKEY 0/未按下狀態(tài)#defi ne KEY_o ne 1按鍵1按下狀態(tài)#define KEY_two 2 /按鍵2按下狀態(tài)unsignedchar KEY=0;按zzz鍵狀態(tài)處理unsigned int B=5 ;/初始化NB voidX9C103_Dec_N_Step(u nsig ned char n); void X9C103_I nc_N_Step(u nsig ned charn); void Delay (un sig ned int t);void

23、X9C103_up_N_Step(u nsig ned char n); void X9C103_down_N_Step(u nsig nedchar n);void Delay (un sig ned int t)un sig ned int i;for(i=0;i0;i-)P1OUT|=BIT3;Delay(600);P1OUT|=BIT2;Delay(2);P1OUT&=BIT2;Delay(2);P1OUT|=BIT1;P1OUT|=BIT2;21void X9C103_down_N_Step(u nsig ned char n) -un sig ned char i=0;P1OUT&=BIT1;Delay(3);for(i=n;i0;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;P2REN|=BIT3; void mai n( void )WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /關閉看門狗BCSCTL1= CALBC1_1MHZ;