陳林輝，李志軍，張亞洲

(1.重慶大學 通信工程學院，重慶 400044；2.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器設(shè)計

陳林輝1，李志軍2，張亞洲2

(1.重慶大學 通信工程學院，重慶 400044；2.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

音頻功率放大器；OP07運算放大器；FFT快速傅里葉變換；嘯叫；程控模擬開關(guān)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路被廣泛應(yīng)用于各類電子電路中，功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用。與其他類型功率放大器笨重、耗電、體積大相比，D類功率放大器具有高效、低功耗的優(yōu)點，同時也使功率放大器可靠性、安全性大幅度提高[1]。

1 設(shè)計要求

本文針對2014年TI杯大學生電子設(shè)計競賽D題要求進行的設(shè)計。任務(wù)要求是基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，設(shè)計并制作一個帶嘯叫檢測與抑制功能的音頻放大器，完成對麥克風音頻信號的放大，通過功率放大電路放大后送喇叭輸出[2]。電路示意圖如圖1所示。

該設(shè)計基本要求如下：

1)設(shè)計并制作圖1中所示的“拾音電路”和“功率放大電路”，構(gòu)成一個基本的音頻功率放大器。要求：

b)在輸入音頻信號有效值為20 mV時，可以程控設(shè)置功率放大器的輸出功率，功率范圍為50 mW～5 W；功率放大器的頻率響應(yīng)范圍為200 Hz ～10 kHz。

2)系統(tǒng)采用12 V直流單電源供電，所需其他電源應(yīng)自行制作。

4)將臺式麥克風與話筒相隔1 m背靠背放置，使用計算機播放音樂作為音頻信號源。音頻功率放大器通過麥克風采集信號，經(jīng)功率放大電路送話筒輸出，輸出的音頻信號清晰[2]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

經(jīng)過對基本要求的分析，系統(tǒng)電路主要包括小信號放大電路、功率放大電路、單片機測量電路和電源供電電路 4個主要部分，確定的方案電路如圖2所示。

圖2 電路系統(tǒng)組成

3 小信號放大電路

小信號放大電路最主要的指標是增益，提高增益的最直接方案是采用多級放大器級聯(lián)，但該結(jié)構(gòu)在提高增益的同時也會帶來噪聲干擾，而且級數(shù)過多會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[3]。這里有兩種方案可以選擇。

方案一，通過合理設(shè)置靜態(tài)工作點，給駐極體串聯(lián)阻值相當?shù)碾娮?，以電容耦合方式采集駐極體話筒兩端的動態(tài)電壓，然后采用多級三極管或MOS管放大，同時采用MOS管放大可以在一定程度上抑制噪聲。

方案二，采用兩級放大器級聯(lián)的方式，運算放大器采用同相輸入、電容耦合方式，利用其高輸入阻抗，達到采集音頻信號，同時抑制動態(tài)噪聲的目的[4]。

德州儀器公司生產(chǎn)的OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路[5]，同時具有輸入偏置電流低(OP07A為±2 nA)和開環(huán)增益高(對于OP07A為300 V/mV)的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07能夠滿足設(shè)計指標放大要求。通過合理比較最后選擇高增益、低噪聲的第二種方案。模塊仿真圖如圖3所示。

使用雙蹤示波器測量信號放大倍數(shù)，第一個通道用于檢測第一級放大的效果，第二個通道來檢測總的放大情況，當輸入電路幅度范圍為10～100 mV時，會發(fā)現(xiàn)輸出信號沒有失真，信號放大倍數(shù)為10倍。

圖3 小信號放大電路

4 功率放大器電路

按照比賽要求，必須采用TI的芯片TPA3112D1來設(shè)計功率放大器，采用TI的功放TPA3112D1完成輸出級功率推動的優(yōu)點[6]：

2)TPA3112D1可直接用12 V單電源供電，便于實現(xiàn)；

3)TPA3112D1只需外接輸出級無源濾波電路以及電源等少量外圍電路即可工作。

TPA3112D1功放的典型電路圖如圖4所示。

圖4 TPA3112D1電路圖

5 單片機檢測及嘯叫檢測抑制電路

5.1 嘯叫檢測

1)FFT快速傅里葉分析。

利用TM4C內(nèi)置采樣，12位的AD即可達到精度要求，使用AD采樣，然后用FFT算法，在頻域上對輸入信號進行分析，如果發(fā)生嘯叫，頻域上面會很容易區(qū)分語音信號，這樣就可以檢測出嘯叫頻點。

2)比較成方波供單片機測頻。

嘯叫聲會使得電路飽和，輸入近似方波，使用比較器讓它成為標準方波，以供單片機采集測頻，來達到嘯叫測頻點的目的[7]。

通過比較，如果用2 048點FFT采樣率，20 k左右時就達到10 Hz分辨率，但是一次FFT時間約為40 ms；而利用比較器來測試，一次測頻僅僅花費一個周期的時間，響應(yīng)大大優(yōu)于FFT，但是聲信號幅度很小時，比較器效果較差，所以采用兩種方案結(jié)合的檢測方式。

5.2 嘯叫抑制

1)移相， 系統(tǒng)自激嘯叫，一般都是正反饋的回路，如果利用調(diào)相技術(shù)處理信號，就是把自激的相位條件破壞，從而防止了系統(tǒng)的自激嘯叫[8]。當相位達到140°偏差值時，穩(wěn)定度最好；此時，調(diào)制頻率越高，穩(wěn)定性也是最好[9]。

2)移頻，進行嘯叫抑制，可以通過頻譜搬移的方法，即利用單邊帶調(diào)制來完成，將信號頻域整體搬移幾個赫茲，使震蕩條件被破壞[10]。

3)陷波，用回饋系統(tǒng)來監(jiān)測嘯叫聲頻點，然后在反饋控制程序中，控制陷波器中心頻率，就達到了動態(tài)抑制跟蹤，從而抑制嘯叫。

移相法很難做到動態(tài)移相，難以全頻帶內(nèi)做到相位隨機，故不能在短時間內(nèi)實現(xiàn)；如果采用搬移頻率的方法，就需要較高Q值的一個濾波器，并且兩路正交信號濾波器必須達到高要求的對稱[11]；陷波法反應(yīng)靈敏，動態(tài)范圍大，容易調(diào)試和實現(xiàn)。綜合考慮，采用陷波法[12]。

6 供電電路

根據(jù)前面小信號放大電路和功率放大電路的需要，分析計算對各個元件的參數(shù)確定，做出原理圖，如圖5所示。

圖5 直流穩(wěn)壓電源原理圖

7 測試結(jié)果及分析

2)找出中頻處的電壓有效值11 V,在輸出端接示波器，在增益下降為0.7倍，即有效值V=7.7 V時，得到上下限截止頻率分別為218 Hz和10.7 kHz。

4)將臺式麥克風與話筒面對面放置，嘯叫抑制電路開始工作，進一步縮短麥克風與話筒之間的距離達到20 cm 時，電路仍能正常工作。

8 結(jié)束語

該設(shè)計完成了帶嘯叫檢測與抑制的音頻放大器中小信號放大電路、功率放大電路、峰值檢波電路、嘯叫抑制電路等硬件的系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過細致的檢測調(diào)試最終達到了比賽所需的要求，基于C8051的嘯叫頻率分析顯示、輸出功率的程控顯示都與硬件配合性能良好。當然在測試過程中也暴露出了許多不足問題，這既有系統(tǒng)設(shè)計方面不夠優(yōu)化的問題，也有電路實現(xiàn)不夠精準的問題。

[1]呼延木子.高性能音頻功放電路的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學.2007.

[2]電子設(shè)計競賽組委會，2014年江蘇省大學生電子設(shè)計競賽(TI杯)試題[EB/OL].[2014-07-24].http://www.nuedc.com.cn/.

[3]李明國，艦船電纜故障定位方法研究[J].鉆采工藝,2005(3):116-117.

[4]殷鑄靈,低頻小信號放大電路的研究[D].北京：北京郵電大學.2012.

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

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

[7]譚文，王韜，方向宏.D題:帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器[EB/OL].[2014-08-15].http://www.doc88.com.

[8]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[9]全國大學生電子設(shè)計競賽湖北賽區(qū)組委會.電子系統(tǒng)設(shè)計實踐：湖北省大學生電子設(shè)計競賽優(yōu)秀作品與解析[J].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[10]陳永真.線性功率集成電路原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[11]寧武，康曉宇，閆曉金.全國大學生電子設(shè)計大賽基本技能指導(dǎo)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2009.

[12]謝建東，帶嘯叫抑制的音頻功率放大器系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制與計算機，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

陳林輝(1993-),男，研究生,電子與通信工程專業(yè)。

O341;G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.014