2014年黑龙江赛区TI杯D题音频放大器

摘要为达到一定的效率，本文采用D类功率放大器来进行对音频的放大，D类功率放大器的功率器件受一高频脉宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在在开关状态，理论上的效率可以达到100%，但是其不足之处在于可能会产生自激和噪音，产生啸叫。

啸叫可能会导致功率放大器输出功率过大，产生刚响失真等负面影响。

所以要通过啸叫抑制减弱自激振荡，可以通过运用移相电路来进行反向抵消法、调相法等方式改善这类现象。

而对于啸叫的检测可以通过关键词：D类功率放大器高频宽调制信号自激震荡啸叫啸叫抑制AbstractTo achieve the efficiency, we use the D class power amplifier to amplify the audio, power device class D power amplifier is a high frequency pulse width modulation (PEM) control, so that its working state in the switch, theoretical efficiency can reach 100%, but its deficiency is likely to produce self and the whistling noise. Howling may cause excessive power amplifier output power,produce negative effects such as distortion just ring. So through the howling suppression reduced self-excited oscillation, can use reverse offset and phase modulation method to improve this kind of phenomenon.Keywords: class D power amplifier ，modulation signal of high bandwidth ，self oscillation， howling， howling suppression目录带啸叫检测与抑制的音频功率放大器的设计与总结报告 (2)一、引言 (3)二、总体方案设计 (3)2.1拾音电路方案选择 (3)2.2啸叫检测电路方案的选择 (4)2.3啸叫抑制电路方案的选择 (4)2.4功率放大器方案的选择 (4)三、单元模块设计 (5)3.1系统原理框图 (5)3.2拾音电路 (6)3.3啸叫检测电路功能及设计 (7)3.4啸叫抑制电路功能及设计 (8)3.4..1 移相电路的功能及设计 (8)3.5功率放大电路功能及设计 (10)3.6各元件选择与参数选择 (12)3.6.1 AY-TPA3112D1芯片的选择 (12)3.6.2移相电路中器件的计算与选择 (13)3.6.3扬声器的选择 (14)3.6.4运放芯片的选择 (14)四、系统调试和测试结果 (14)4.1测试仪器 (14)4.2测试方法 (15)4.2.1模拟测试 (15)4.1.1作品测试 (15)4.1.2啸叫抑制测试..................... 错误！未定义书签。

4.3测试结果 (15)五、系统功能和指标参数 (15)5.1系统功能 (15)5.2指标参数 (15)5.3使用注意事项 (16)六、设计总结 (16)参考文献 (16)带啸叫检测与抑制的音频功率放大器的设计与总结报告一、引言音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。

进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。

而电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器就是在这种需求的背景下，D类放大器产生。

它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。

但在扩音系统中，传输响应以及声反馈易引起声音畸变产生啸叫。

而啸叫是由很多高频分量组成的，因此在抑制啸叫的各种方法中，移相法显得最为合适。

另外，当话筒与扩音器距离很近时，还会产生较高幅度的信号，因此需要在移相电路后加入减幅电路来削减啸叫。

而为了应对啸叫有时需要得到啸叫信号的频率和幅值，可以通过单片机来控制功率放大器和显示啸叫信号频率。

二、总体方案设计2.1拾音电路方案选择拾音电路即高输入阻抗的输入电路，对声音进行拾取放大的作用。

方案一、采用场效应管的高阻输入电路，是非常简单的。

场效应管工作时只有一种迹象的载流子参与导电，所以场效应管有陈伟单机型晶体管。

优点输入电阻大，稳定性好，制作工艺简单便于集成。

但是场效应管价格较高且放大倍数不如三极管。

方案二、采用LM358P运算放大电路。

集成放大器由三极管，电阻，电容组成，分为输入级、中间级、输出级，偏执电路。

LM358适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

其工作性能稳定，电路简单利于操作。

综合来看，考虑到音频放大的因素及测试等问题，选择方案二。

总结来讲，我们选择方案一。

集成电路中包含三极管放大，而且集成电路的漂移小，可靠性高，高速，电路较为简单，操作方便。

2.2啸叫检测电路方案的选择方案一、用51单片机定时器门电路直接对功放板进行测量，获得啸叫频率。

这种方法简单易行，但对波形要求较高，需要较为典型的方波才能计数。

方案二、通过过零比较器对信号进行转换，变为规整的方波后再通过模拟开关进入乘法器，最后输入单片机进行测量。

这种方法能较好的实现对啸叫频率的测量，并在LCD屏上显示。

综合来看，方案二的稳定度高，结果相对准确，因此选择方案二。

2.3啸叫抑制电路方案的选择方案一、利用频率分析法抑制啸叫，可以用频率均衡器补偿扩声曲线，把系统的频率响应调成近似的直线，使各频段的增益基本一致，提高系统的传声增益。

可使用21段以上的均衡器，但成本较高。

方案二、利用调相法抑制啸叫，扩音系统的自激啸叫是由于扩音信号与原始信号相位相同而叠加产生。

如果把话筒信号调相处理进行反馈，就会破坏自激的相位条件，从而防止系统的自激啸叫。

这种方法抑制效果明显，原理易懂，电路简单，便于制作和测试。

但当话筒与扩音器距离足够近时，信号振幅会发生突变产生啸叫。

综合来看，我们选择方案二。

2.4功率放大器方案的选择方案一、A、B、C类功率放大器的效率低，功放的声音较为清晰，但损耗高。

还可能会存在交越失真的情况。

方案二、采用单片机控制D类功率放大器TPA3112D1，效率为100%（实际效率可达90%左右），而且功率大。

工作中在开关状态，失真低，实用性好操作简单。

综上来看，我们选择方案三。

D类功放的的效率远远高于其他两个并且失真低，更为符合题目要求。

D类功放的电路组成可以分为三个部分：PWM调制器、放大器、低通滤波器。

电路结构组成如下图图1 D类功放电路的结构组成图三、单元模块设计3.1系统原理框图音频放大电路是一种对音频信号进行放大的功率放大电路，但在放大时由于距离问题或者自激振荡的产生会发声刺耳的啸叫。

因此，对于啸叫信号的检测和抑制显得尤为重要。

带啸叫检测和抑制的音频功率放大器以功率放大器为基础，其核心是啸叫抑制和检测模块。

带啸叫抑制和检测的音频功率放大器组成框图如下图在开关K1、K2分别接至A、C端口时，声音信号首先通过拾音电路转化为电信号并进行前置放大，然后接入功率放大器，用单片机控制实现功率可调。

在开关K1、K2分别接至B、D口时，用单片机进行啸叫频率、幅值检测与显示，并通过移相法进行调相反馈抑制啸叫，可以很好地实现音量放大并消除啸叫的功能。

图3 总体设计框图3.2拾音电路要求麦克风输出阻抗为1kΩ ~ 2.2kΩ。

拾音电路是通过话筒对声音信号转化为电信号，进而进行下一步的放大。

拾音电路主要由音频转换电路和前置放大电路组成。

首先音频通过话筒转化为电压信号，进入前置放大电路，通过运放电压负反馈对信号进行放大。

在这里选用LM358P实现，其价格低，引脚便于操作应用普遍。

电路图如图4，通过调整R1、R2的阻值能够实现放大倍数的变化。

图4 拾音电路电路图3.3啸叫检测电路功能及设计通过示波器观察产生的啸叫信号可以观测出，其波形大致是方波，其中含有很多高频分量。

这也是听到刺耳声啸叫的原因。

同时，啸叫声波的振幅也会异常升高，因此，以振幅异常升高信号为基准，通过单片机显示啸叫时刻的频率值。

但当啸叫发生时单片机不能完全检测出其频率，所以需要加一个过零比较器，来将杂乱的波形变为容易被单片机编程的方波，最后单片机检测出产生啸叫的频率并显示出来。

在功率测量上，可以通过乘法器对信号进行平方运算，再通过积分器积分，最后输入单片机，进而求出方波的功率。

系统以单片机AT89C51为核心，构成完备的测量系统。

可以对信号进行频率的精确测量。

采用液晶LCD1602显示被测信号的频率。

与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高、硬件结构简单的优点。

在测量中，要用到GATE 信号，GATE=1时，TR0=1，INTO=1才能启动计数器，而计数器0是通过外部中断INTO 的下降沿开始触发的，计时器从0开始计时，计数器只能测高电平，因此测得的时间为半个周期。

当计数器0计时溢出，执行m 加1的操作。

则测量时间为65536256001++⨯=TL TH t所求频率为121000000t F ⨯= 单片机系统设计框图如下：图5 单片机系统框图程序流程图如下：图6 程序流程图3.4啸叫抑制电路功能及设计3.4..1 移相电路的功能及设计啸叫的产生是由于运放自激振荡以及输出音频与输入信号相位相同相互不断叠加放大。

因此，可以用移相法使放大的音频信号发生相移，导致扬声器反馈回的输出音频信号与麦克端的输入信号相位不同，这样就可以避免啸叫的产生。

在电路中，电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流90度,电感的端电压超前于电流90度。

一般来说，将RC与运放联系起来组成有源滤波的移相电路应用较为广泛。

因此，以运放LM358P为基础，构成移相电路如图4。

在输入部分接入信号发生器产生正弦波，可以看到输出的波形发生了相移。

图7 移相电路仿真图及仿真测试结果通过调节两个电位器的阻值，可以实现波形的前后移动。

3.5功率放大电路功能及设计要求输入音频信号有效值20mV，功率放大器最大不失真功率为5W，误差小于10％；并可以程控设置功率放大器的输出功率，范围为50mW～5W；其频率响应范围为200Hz ~ 10kHz。

在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率≥80%。