带啸叫检测与抑制的音频功率放大器设计

陈林辉，李志军，张亚洲

(1.重庆大学 通信工程学院，重庆 400044；2.扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

带啸叫检测与抑制的音频功率放大器设计

陈林辉1，李志军2，张亚洲2

(1.重庆大学 通信工程学院，重庆 400044；2.扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

音频功率放大器；OP07运算放大器；FFT快速傅里叶变换；啸叫；程控模拟开关

随着半导体技术的不断发展，集成电路被广泛应用于各类电子电路中，功率放大电路也得到了飞速的发展和应用。与其他类型功率放大器笨重、耗电、体积大相比，D类功率放大器具有高效、低功耗的优点，同时也使功率放大器可靠性、安全性大幅度提高[1]。

1 设计要求

本文针对2014年TI杯大学生电子设计竞赛D题要求进行的设计。任务要求是基于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，完成对麦克风音频信号的放大，通过功率放大电路放大后送喇叭输出[2]。电路示意图如图1所示。

该设计基本要求如下：

1)设计并制作图1中所示的“拾音电路”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器。要求：

b)在输入音频信号有效值为20 mV时，可以程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50 mW～5 W；功率放大器的频率响应范围为200 Hz ～10 kHz。

2)系统采用12 V直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。

4)将台式麦克风与话筒相隔1 m背靠背放置，使用计算机播放音乐作为音频信号源。音频功率放大器通过麦克风采集信号，经功率放大电路送话筒输出，输出的音频信号清晰[2]。

2 系统方案设计

经过对基本要求的分析，系统电路主要包括小信号放大电路、功率放大电路、单片机测量电路和电源供电电路 4个主要部分，确定的方案电路如图2所示。

图2 电路系统组成

3 小信号放大电路

小信号放大电路最主要的指标是增益，提高增益的最直接方案是采用多级放大器级联，但该结构在提高增益的同时也会带来噪声干扰，而且级数过多会造成系统不稳定[3]。这里有两种方案可以选择。

方案一，通过合理设置静态工作点，给驻极体串联阻值相当的电阻，以电容耦合方式采集驻极体话筒两端的动态电压，然后采用多级三极管或MOS管放大，同时采用MOS管放大可以在一定程度上抑制噪声。

方案二，采用两级放大器级联的方式，运算放大器采用同相输入、电容耦合方式，利用其高输入阻抗，达到采集音频信号，同时抑制动态噪声的目的[4]。

德州仪器公司生产的OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路[5]，同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2 nA)和开环增益高(对于OP07A为300 V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07能够满足设计指标放大要求。通过合理比较最后选择高增益、低噪声的第二种方案。模块仿真图如图3所示。

使用双踪示波器测量信号放大倍数，第一个通道用于检测第一级放大的效果，第二个通道来检测总的放大情况，当输入电路幅度范围为10～100 mV时，会发现输出信号没有失真，信号放大倍数为10倍。

图3 小信号放大电路

4 功率放大器电路

按照比赛要求，必须采用TI的芯片TPA3112D1来设计功率放大器，采用TI的功放TPA3112D1完成输出级功率推动的优点[6]：

2)TPA3112D1可直接用12 V单电源供电，便于实现；

3)TPA3112D1只需外接输出级无源滤波电路以及电源等少量外围电路即可工作。

TPA3112D1功放的典型电路图如图4所示。

图4 TPA3112D1电路图

5 单片机检测及啸叫检测抑制电路

5.1 啸叫检测

1)FFT快速傅里叶分析。

利用TM4C内置采样，12位的AD即可达到精度要求，使用AD采样，然后用FFT算法，在频域上对输入信号进行分析，如果发生啸叫，频域上面会很容易区分语音信号，这样就可以检测出啸叫频点。

2)比较成方波供单片机测频。

啸叫声会使得电路饱和，输入近似方波，使用比较器让它成为标准方波，以供单片机采集测频，来达到啸叫测频点的目的[7]。

通过比较，如果用2 048点FFT采样率，20 k左右时就达到10 Hz分辨率，但是一次FFT时间约为40 ms；而利用比较器来测试，一次测频仅仅花费一个周期的时间，响应大大优于FFT，但是声信号幅度很小时，比较器效果较差，所以采用两种方案结合的检测方式。

5.2 啸叫抑制

1)移相， 系统自激啸叫，一般都是正反馈的回路，如果利用调相技术处理信号，就是把自激的相位条件破坏，从而防止了系统的自激啸叫[8]。当相位达到140°偏差值时，稳定度最好；此时，调制频率越高，稳定性也是最好[9]。

2)移频，进行啸叫抑制，可以通过频谱搬移的方法，即利用单边带调制来完成，将信号频域整体搬移几个赫兹，使震荡条件被破坏[10]。

3)陷波，用回馈系统来监测啸叫声频点，然后在反馈控制程序中，控制陷波器中心频率，就达到了动态抑制跟踪，从而抑制啸叫。

移相法很难做到动态移相，难以全频带内做到相位随机，故不能在短时间内实现；如果采用搬移频率的方法，就需要较高Q值的一个滤波器，并且两路正交信号滤波器必须达到高要求的对称[11]；陷波法反应灵敏，动态范围大，容易调试和实现。综合考虑，采用陷波法[12]。

6 供电电路

根据前面小信号放大电路和功率放大电路的需要，分析计算对各个元件的参数确定，做出原理图，如图5所示。

图5 直流稳压电源原理图

7 测试结果及分析

2)找出中频处的电压有效值11 V,在输出端接示波器，在增益下降为0.7倍，即有效值V=7.7 V时，得到上下限截止频率分别为218 Hz和10.7 kHz。

4)将台式麦克风与话筒面对面放置，啸叫抑制电路开始工作，进一步缩短麦克风与话筒之间的距离达到20 cm 时，电路仍能正常工作。

8 结束语

该设计完成了带啸叫检测与抑制的音频放大器中小信号放大电路、功率放大电路、峰值检波电路、啸叫抑制电路等硬件的系统设计，经过细致的检测调试最终达到了比赛所需的要求，基于C8051的啸叫频率分析显示、输出功率的程控显示都与硬件配合性能良好。当然在测试过程中也暴露出了许多不足问题，这既有系统设计方面不够优化的问题，也有电路实现不够精准的问题。

[1]呼延木子.高性能音频功放电路的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学.2007.

[2]电子设计竞赛组委会，2014年江苏省大学生电子设计竞赛(TI杯)试题[EB/OL].[2014-07-24].http://www.nuedc.com.cn/.

[3]李明国，舰船电缆故障定位方法研究[J].钻采工艺,2005(3):116-117.

[4]殷铸灵,低频小信号放大电路的研究[D].北京：北京邮电大学.2012.

[5]TI.Amplifier_and_linear.page德州仪器TI放大器[EB/OL].[2014-07-25].http:// www.nuedc- ti.com/msg.php?id=86/.

[6]TI.AY-TPA3112D1 EVW用户指南http://www.ti.com.cn/tool/cn/TPA3112D1EVM.

[7]谭文，王韬，方向宏.D题:带啸叫检测与抑制的音频功率放大器[EB/OL].[2014-08-15].http://www.doc88.com.

[8]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2007.

[9]全国大学生电子设计竞赛湖北赛区组委会.电子系统设计实践：湖北省大学生电子设计竞赛优秀作品与解析[J].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[10]陈永真.线性功率集成电路原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[11]宁武，康晓宇，闫晓金.全国大学生电子设计大赛基本技能指导[M].北京：电子工业出版社.2009.

[12]谢建东，带啸叫抑制的音频功率放大器系统设计[J].工业控制与计算机，2016,29(2)：140-144.

DesignofAudioPowerAmplifierwithWhistleDetectionandSuppression

CHEN Linhui1，LI Zhijun2，ZHANG Yazhou2

(1.School of Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.School of Information Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127,China)

audio power amplifier；OP07；FFT；whistle；programmable analog switch

2016-01-13；修改日期:2017-06-22

陈林辉(1993-),男，研究生,电子与通信工程专业。

O341;G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.014