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2014年TI杯
四川省大学生电子设计竞赛
带啸叫检测与抑制的音频功率放大器


设计报告
日期:2014年8 月 16 日
带啸叫检测与抑制的音频功率放大器
摘要:本设计以TI公司的MSP430F149为主控芯片,TI的TPA3112D1芯片作为功率放大器制作的一个带啸叫检测与抑制音频功率放大器, MSP430F149主要用于音频程控放大器功率输出,采集、处理、显示功率放大器的输出功率和啸叫的频率。整个系统主要包括由INA333构成的前置放大电路、OPA2340构成的滤波电路、DAC8571的D/A转换电路、VCA821压控电路、OPA2356啸叫检测电路、LA3607抑制啸叫电路。音频信号通过以上电路便可以实现无失真播放,并且在一定程度上起到抑制啸叫作用,达到设计要求。
关键词: MSP430F149;TPA3112D1;啸叫;程控放大;抑制
1 前言
本设计的功能是对音频信号进行处理,制作一个带有啸叫检测和啸叫抑制的音频功能放大器,带通频率为200Hz-10KHz。为了实现功率放大,本设计采用TPA3112D1,将音频信号经过一个由IN333搭建的前置放大电路、滤波电路、控制功率电路后送入功率放大器电路,其中控制功率电路是采用程控的方式。本设计的重点和难点是监测和抑制啸叫,啸叫会随着环境的变化而产生,频率也会相应发生变化,因此只能是尽量抑制它,并不能做到完全消除,选取合适的方案是最重要的。对于啸叫频率的测量,利用啸叫幅度较大这一特点可以利用比较器将啸叫与需要的声音信号进行分离并产生,用单片机计算出啸叫频率在Nokia5110显示出来,均衡芯片LA3607利用测量频率来调节频点进行抑制,起到抑制啸叫的作用,使得整个系统满足要求。
2 系统方案选择
根据本设计的要求,系统要完成对台式麦克风音频信号的放大,通过功率放大电路送喇叭输出,输出功率采用程控的方式,并且在啸叫产生的时候,能够检测啸叫频率然后抑制啸叫。因此我们在设计过程主要讨论程控方式、啸叫检测、啸叫抑制三个模块的方案。

程控模块
方案一:TPA3112D1的第10引脚PLIMIT可以限制输出功率,PLIMIT引脚的输入电压VPL决定了输出电压峰峰值VPP的最大值,并且它的GAIN0, GAIN0可以选择20dB, 26dB,32dB,36dB这4中不同的增益,当通过430单片机控制PLIMIT端的电压和GAIN0, GAIN0增益选择便可以调节输出电压,从而实现输出功率从50mW~5W,但此种程控方式不能实现功率的连续调节,当输出功率调节到50mW的时候,信号会出现大于10%的失真,不满足要求。
方案二:采用专门的压控芯片VCA821,由于它的输出电压受调节端的电压影响,通过单片机输出不同的电压给VCA821的调节端VG,便可以使VCA821输出不同的电压,再将此电压送给TPA3112D1,这样功率放大器的输出功率范围就能在50mW~5W之间调节,甚至更高,都不会出现波形的失真,完全满足要求。
综上所述,采用压控芯片VCA821实现程控功能。
啸叫检测方案
啸叫是由于音响设备给了麦克风一个正反馈信号,在适当条件下使信号不断叠加,从而产生刺耳的声音。啸叫很容易发生在波峰附近,它的幅值相对于让人听起来舒服的声音要大,利用这一特点,提出以下方案。
方案一:用软件实现,即采用数字处理的方法,利用DSP技术对声音信号进行高速采集,然后进行FFT变换,最后使用重心法进行频谱估计,得到中心频率。然后再将此频率进行显示。但此种方案对软件编写能力要求较高,因为对DSP不是很熟练,所以不采取此种方案。
方案二:用模拟电路实现,由于430单片机不能处理模拟信号,因此可以利用OPA2356搭建跟随器和比较电路,将啸叫的正弦模拟信号转换为矩形波送给430单片机,利用M/T法的T检测法,测量两个脉冲之间的时间换算成周期,从而得到频率,再利用Nokia5110显示出来。
由于方案二更接近自身实际,所以采用方案二。

啸叫产生的原因是形成了正反馈,只需去掉形成正反馈的任一条件,便可以抑制啸叫,因此设计以下两个方案。
方案一:采用专门的数字滤波芯片MAX264,当检测到啸叫频率后,给MAX264配置相应的时钟,并且选择不同的滤波器形式,将检测到的频率进行衰减,从而抑制啸叫。但此方案成本高,软件调试相对复杂。
方案二:采用均衡芯片LA3607将比较器测出的啸叫进行衰减和切除,通过改变LA3607 的7个通道的C1、C2电容值,来设置需要抑制的啸叫频率,再通过调节通道上连接的滑动变阻器设置衰减倍数,可以起到很好的抑制啸叫作用。
方案二性价比高,操作性强,效果也比较明显,所以采