5可抑制啸叫的音频功放

可抑制啸叫的音频功放

李瑞彪,高安琪,付丽嘉

(哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

摘要：声反馈现象普遍存在于各种领域的音频系统中，由于产生的啸叫会对用户的正常使用造成极大的困扰，传统的啸检测与抑制功率放大器面临着巨大的挑战。因此该系统着力实现一种新型带啸叫检测与抑制的音频功率放大器，该系统主要由拾音模块、放大模块、射随模块、DAC衰减模块、滤波器模块、显示模块、AY-TPA3112D1音频功放以及主控模块组成。主控模块采用msp430F149单片机作为微控制器，利用测频原理实现啸叫检测，通过自适应滤波抑制啸叫。衰减模块以可编程DAC8043作为衰减电路的核心，其余模块主要由音频专用芯片NE5532、OP07、LM358来完成。本系统能够对频率在为200HZ-10kHZ的音频信号进行放大之间清晰的输出音频，可以准确的进行啸叫检测并在啸叫频点进行有效的抑制。该作品多次论证设计方案，包括芯片选型、电路设计、PCB板布局、数字自适应滤波器算法的精简等，较为出色的完成了系统的各项指标。最后，从整体上分析，该作品能进行预置和控制，具有稳定、经济、功耗低等特点，是理想的带啸叫检测和抑制的音频功率放大器。

关键词：音频功率放大器；啸叫检测；DAC衰减；自适应滤波器

Inhibit Whistle Audio Amplifier

LI Rui-biao, GAO An-qi, FU Li-jia

（College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract: Acoustic feedback is widespread in various fields of audio system, due to be generated by the user's normal use howling cause great distress, traditional tsunami detection and suppression PA faces enormous challenges. Therefore, the implementation of a new system with a focus on howling detection and suppression of audio power amplifier, the system consists of pickup module, amplifier module, shooting with the module, DAC attenuation module, filter module, display module, AY-TPA3112D1 audio amplifier and the master module. Master module using msp430F149 microcontroller as a microcontroller, using frequency measurement principle to achieve howling detection, suppression howling through adaptive filtering. Programmable attenuator module as the core attenuation circuit DAC8043, the remaining modules mainly by dedicated audio chip NE5532, OP07, LM358 to complete.This system is capable of frequency 200HZ-10kHZ clear audio signal between the output of the audio amplification, can accurately be howling and howling frequency detection effectively suppressed. This work has demonstrated the design, including chip selection, circuit design, PCB board layout, streamlined digital adaptive filter algorithm, etc., the more indicators completed a remarkable system. Finally, the whole analysis, the work can be preset and control, with a stable economy, low power consumption and is ideal with howling detection and suppression of audio power amplifier. .

Key words: audio power amplifier; howling detection; DAC attenuation; adaptive filter

1 设计任务及要求分析1．1 要求概述

1.1.1 基本要求

作品来源：2014黑龙江电子设计大赛三等奖作者简介：李瑞彪(1991-),男,2011级,电子信息工程专业

指导教师：刘淞佐(1985-),男,讲师,水声工程学院

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，完成对台式麦克风音频信号进行放大，通过功率放大电路送喇叭输出，如图所示

图中设计示意图包括两部分：音频功放和啸叫

检测与抑制，其中音频功放部分组要实现波形的最大不失真功率放大输出，频率响应范围在200Hz ~ 10kHz ，可程控设置功率放大器的输出功率范围为50mW ～5W ，在功率放大器输出功率为5W 时，电路整体效率≥80%。另外，将台式麦克风与喇叭相隔1m 背靠背放置，使用电脑播放音乐作为音频信号源。音频功率放大器能通过麦克风采集信号，经功率放大电路送喇叭输出，输出的音频信号清晰。 1.1.2发挥部分

主要设计并制作啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率，启动啸叫抑制电路音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。进一步改进啸叫抑制电路。在保障无啸叫的前提下，尽量提高音频功率放大器的输出功率；如果输出功率达到5W 功率，啸叫抑制电路仍 能正常工作，可以进一步缩短面对面放置的麦克风 与喇叭之间的距离。 2．1 任务分析 2.1.1 设计难点

1)功率放大器的最大不失真输出功率为5W ，此时电路整体效率≥80%；

2)啸叫检测与啸叫功率和啸叫频率的实时显示；

3)啸叫抑制。

2.2.1 关键指标参数

1)在输入音频信号有效值为20mV 时，功率放大器的最大不失真功率为5W ，频率响应范围为200Hz ～10kHz ，误差小于10％；可以程控设置功率放大器的输出功率范围为50mW ～5W ；

2)在功率放大器输出功率为5W 时，电路整体效率≥80%；

3)将台式麦克风与喇叭相隔1m 背靠背放置，使用电脑播放音乐作为音频信号源。经功率放大电路送

喇叭输出音频信号清晰； 4)啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率；启动啸叫抑制电路音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正

常播放音频信号；

5)在保障无啸叫的前提下，尽量提高音频功率放大器的输出功率；如果输出功率达到5W ，啸叫抑制电路仍能正常工作，可以进一步缩短面对面放置的麦克风与喇叭之间的距离。

2 设计方案论证

2.1 主要模块方案论证与选择 2.1.1 音频功放模块

音频功率放大器以TI 公司生产的TPA3112D1芯片为核心，其是一款具有SpeakerGuard 的25W 单声道、无需外加滤波器的D 类音频放大器，主要运用在电视和消费类音频设备中。该芯片供电范围为8V-26V,供电电源电压较广；采用H 桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统的LC 滤波器的情况下直接驱动感幸负载；输入的音频信号可以是差分形式，其中在24V 供电情况下，满负载驱动8欧姆的桥接式 扬声器，声音失真率仅为0.1%

，所以

啸叫检测

啸叫抑制

拾音电路

接信号源

功率放大电路

A

B

K1

K2

D

C

R L 8

V o

图1 系统设计框图

此芯片指标可以大大满足系统的设计要求，完成系统的技术指标设计。

2.1.2 电压放大器模块

固定电压增益模块主要考虑其噪声性能、增益带宽积以及以及功耗要求，综合考虑，这里选用NE5532作为固定电压增益的主芯片，以NE5532设计10倍与5倍的固定增益放大模块，其内部包含双运放，等效输入噪声电压5nV/√Hz，单位增益带宽：10MHz，压摆率:9V/uS ，输入失调电压:0.5mV，共模抑制比为100 dB，高直流电压增益：100 V/ mV，且电路结构实现简单，价格低廉，容易操作，基本可以满足题目要求。

2.1.3 程控模块

方案一：利用VCA810制作程控放大器

VCA810是直流耦合，宽带，连续可变电压控制增益放大器。它提供了差分输入单端输出转换，用来改变高阻抗的增益控制输入超过- 40DB增益至+40 dB的范围内成dB/ V的线性变化。从±5V电源工作，调整为VCA810的增益控制电压在0V输入- 40DB增益在-2V输入到+40 dB。增加地面以上的控制电压将衰减超过80dB的信号路径。但是，在具体实现上，VCA810的增益控制输入电压必须得由单片机通过DAC输出才能精确度控制电压放大倍数，系统实现起来较为复杂，不易控制且成本较高。

方案二：利用VCA821制作程控放大器

VCA821是宽带，连续可变电压控制增益放大器，VCA821是直流耦合，它亦提供了差分输入单端输出转换，用来改变高阻抗的增益控制，可以以±5V电源工作，调整为VCA821的增益控制电压在-1V输入到+1V输入，增益范围+40 dB。但是，在具体实现上，VCA821的增益控制输入电压必须得由单片机通过DAC输出才能精确度控制电压放大倍数，且需要正负电压，其系统实现起来更为复杂，不易控制且成本较高。

方案三：利用DAC8043制作衰减器

DAC8043是一款真12位精度(±1/2 LSB)电流输出数模转换器，采用紧凑型8引脚封装。乘法带宽(2.4 MHz)和串行数据加载速率(20 MHz)提高150%，线性度和增益误差性能的改善导致不再需要调整器件，因而器件数量得以减少。输入时钟与加载DAC控制线彼此分离，允许用户完全控制数据加载和模拟输出。采用+5 V单电源供电时，功耗仅为10 μA，可以满足系统的效率要求，另外其快速的三线式穿行输入方便操作，衰减倍数可以精确控制，从而间接控制电压放啊的倍数，而且，其电路实现时，无需外机额外的放大器以及比较器等模块，实现简单，经济可靠。方案选择：方案三

DAC8043A堪称可编程放大器和衰减器的理想

低功耗、小尺寸、高性能解决方案，并且电路设计简单，容易调试，因此我们最终选择了DAC8043。

2.1.4 电平抬升模块模块

电平抬升模块用在AD采样之前，由于430的I/O 引脚工作电压为正，所以这里必须采用一个电平抬升模块将音频信号的负半轴部分整体向上平移，减小信号失真。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，OP07具有超低偏移，最大低输入偏置电流达到1.8nA ，可以满足系统的低功耗要求，另外，由于本系统的工作频率不太高，其带宽积可以满足系统的设计指标，最大高电源电压范围±3V至±25V使得其可以输出更大的电压，尽可能的减小音频的限幅失真。且电路结构简单，经济实惠，符合设计方案对于电平转换模块的要求。

2.1.5 滤波器模块

在方案中，我们加入了无源低通滤波器、有源低通滤波器和200HZ高通滤波器来完成各阶由于环境和设备带给系统的影响的杂讯，是输入输出信号经过过滤得到纯净的直流电，将误差最小化。

2.1.6 双极性数模转换模块

方案一：

以DAC0832作为数模转换芯片，DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，其转换时间为1微秒，可以满足系统的要求，但是，其为并口操作，增加了主控芯片MSP430的I/O口负担，另外，其八位分辨率对系统的精度指标来说有些勉强，不能很好地实现系统的精度要求。

方案二：

以DAC8043作为数模转换芯片，其为12位3线串行操作DAC，单电源+5V供电，操作简便，增加了单片机的I/O口的利用率，而且，其转换速度更高，可以满足快速采样要求，提高精确度，尽量减小音频信号的量化失真和限幅失真。

方案选择：方案二

由于DAC8043的三线串行式操作以及系统的精

度要求，我们选择方案二

2.1.7 射随电路模块

由于其输入阻抗为无穷大，输出阻抗很小，为了减少后级电路对前级电路的影响和有些前级电路的输出要求有较强的带负载能力(即要求输出阻抗较低)时,射随模块作为缓冲电路,从而达到增强电路的带负载能力和前后级阻抗匹配。

2.1.8 啸叫检测与抑制模块

方案一：

利用430内部的特有的捕获模式来实现测频功能，测出啸叫频率并实时显示，占用资源较少，电路结构简单，调试方便直观，可以让其有更多的时间做后续的啸叫抑制处理。

方案二：

利用FFT算法来实现啸叫检测模块，由于采样速率最低为40khz,此时的FFT至少为512点的FFT 才可以满足系统的精度要求，但是FFT的点数增加亦会增加430数据处理的困难，减小了其实时性，同时，MSP430单片机做其他任务的可利用资源亦会较少，而且调试困难较大，不能够很好的达到题目的要求。

方案选择: 方案二

啸叫抑制：

方案一：

利用430内部的硬件乘法器作自适滤波处理，其方便调试，而且容易在硬件平台上实现。测出啸叫频率并实时显示，占用资源较少，电路结构简单，调试方便直观，可以让其有更多的时间做后续的啸叫抑制处理。

方案二：

利用硬件乘法器先做调制再解调实现移频功能，由此来消除啸叫产生的正反馈，从而抑制啸叫的产生，但是此种方法硬件实现较为困难。

方案选择：方案一

2.1.9 主控模块选择

方案一：msp430

在程控方面，我们采用MSP430F149单片机作为主控，其内部自带12位双通道A/D模块，减小了

外设的负担量，而且其特有的捕获功能可以用来实

现测频功能，大大提高了430的利用效率，减小了

电路的复杂性，同时也减小了电路对其产生的噪声

的影响。另外，自适应滤波器算法可以利用430内

部的硬件乘法器和DMA来实现。

方案二：51单片机

51系列单片机，由于其内部可用资源少，且

处理速度相对较慢，对题中的要求的实现相对来说

有些许困难；另外，使用51系列单片机还必须做一

个DAC模块，这不仅增加了电路的复杂性以及成本，而且在边路的连接方面不可避免的一定会加大电

路的噪声，这对题中发挥部分小于100mV的噪声要

求的实现会更加的困难。

所以，综合以上的论述，我们采用MSP430F1611单片机作为主控芯片。

2.2 系统整体框图展示

图2 系统整体方案框图

3 系统的硬件实现

3.1 拾音电路模块

声音接收采用电容式驻极体话筒构成的声音检

测电路。如图4所示，声音信号通过驻极体话筒转

化为电压信号，经过滤波、放大、整形后输出，当

有声音信号时，输出为高电平。电路中的电位器PR

可以调节模块电路对不同频率声音的敏感程度。

拾音电路十倍放射随

电路

程控DAC衰减电路

音频功

放

射随电

路

低通滤波器

图3.1 拾音电路模块电路图

3.2 放大电路模块

放大模块主要分两部分，第一个是10倍增益放大，用在基础部分的功率测试部分，提高电压增益。第二部分为5倍增益放大，用在第二部分是拾音电路之后，提高输入电压信号，增加信噪比。

图3.2 放大电路模块电路图

3.3 滤波器模块

滤波器模块由有源低通滤波器、无源低通滤波器和高通滤波器组成，电路图如下

图3.3 高通滤波器电路图

图3.4 有源低通滤波器电路图

图3.5 无源低通滤波器电路图3.4 射随模块电路图

图3.6 射随模块电路图3.5 DAC衰减模块

图3.7 DAC衰减模块3.6 电平转换模块

图3.8 电平转换模块电路图3.7 双极性数模转换模块

图3.9 双极性数模转换模块3.8 显示模块

图3.10 显示模块

3.9 主控模块

图3.11 主控模块

3.10 按键模块

图3.12 按键模块电路图

4 系统软件实现

系统软件程序是在WINDOWS XP环境下采用CCS5.5软件开发平台上使用C语言编写的，以下是对主程序和主要子程序的说明。

4.1 主程序

主程序是系统程序的枢纽，其主要功能是协调系统各模块工作，从机主程序负责通过对测回的数据进行计算，控制显示模块，啸叫检测后将要显示的信息发送给液晶屏。主机主程序负责不断地检测声音信号，并实时显示功率输出以及数字滤波器处理，进行啸叫抑制。

4.2 显示子程序

显示子程序由主控发送给液晶屏。通过P1端口按键的中断模式，显示功率、放大倍数以及啸叫频率。

4.3 啸叫检测子程序

当发生啸叫时，拨到测量啸叫频率档位，利用测频法测量啸叫频率，并实时在液晶屏上显示。

4.4 啸叫抑制子程序

利用FFT测量啸叫频率之后，把采的数据再通过自适应数字陷波器对其进行处理，抑制啸叫的产生。

5 理论分析计算与系统测试仿真

5.1 基础部分功率步进测试

5.1.1 测试使用仪器与设备

表5.1 设备仪器表

5.1.2 测试方法

将各部分电路连接起来，先接入8欧姆负载，调节输出信号频率。在接入喇叭，调节适当的距离，调节检测盒抑制啸叫等功能。

通过DAC衰减器不断调节电压放大倍数，测得输入音频功放前的数据为

表5.2 DAC衰减测试结果

衰减倍数

输出电压

（MV）

衰减倍

数

输出电压（MV）

0 0.00 0.05 7.74

0.1 15.1 0.15 23.1

0.2 30.4 0.25 38.1

0.3 46.1 0.35 53.5

0.4 61.2 0.45 68.6

0.5 76.1 0.55 84.2

0.6 92.1 0.65 99.8

0.7 107 0.75 115

0.8 125

在输入音频信号有效值为20mV时，功率放大器的最大不失真功率为5W，频率响应范围为200Hz ~ 10kHz，误差小于10％；可以程控设置功率放大器的输出功率范围为50mW～5W；如表5.3所示

表5.3 最大不失真输出功率测试数据

输入电压（MV）输出电压值（V）功率（W）

20 1.24 0.1922

30 1.87 0.4371125

40 2.55 0.8128125

50 3.31 1.3695125

60 4.11 2.1115125

70 4.82 2.90405

80 5.50 3.78125

90 6.08 4.6208

100 6.46 5.21645

将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，使用电脑播放音乐作为音频信号源。经功率放大电路送喇叭输出音频信号比较清晰，但是仍存在一些环境噪音。

啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫实时显

序号名称、型号、规格

1 直流稳压电源

2 双通道模拟示波器

3 函数信号发生器

4 万用表

示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率；启动啸叫抑制电路音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。

5.2 发挥部分测试与仿真

5.2.1 啸叫检测与抑制的MATLAB 仿真

在测试啸叫频点时，先通过示波器的FFT 功能观察系统的啸叫频点数目以及规律，然后录一段啸叫的声音，分析该系统的信号频谱，最后编写MATLAB 仿真，仿真结果如图所示

0500010000

-3

-2

-1

1

2

3

0500010000

50

100

150

200

250

100020003000400050006000700080009000

-6

-4

-2

2

4

6

8

0100020003000400050006000700080009000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

图5.1 MATLAB 程序仿真结果

如图5.1所示，数据经过自适应陷波器处理之后，将啸叫频点处的幅值进行了衰减，但不影响其他频点处的幅值，从而抑制了啸叫的产生。最后将MATLAB 程序转化为C 语言，见附录。 5.2.2 误差分析

我们测量的误差主要来源是电磁干扰，由于试验场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，所以测量输入端短路时的噪声电压时随输入短接方式不同而有很大的误差；另一方面，电源线采用屏蔽线，可以减小噪声。

整体功率分析-电源效率，运放的性能来分析啸叫检测-从430主频来分析主要是因为430的主频太低，利用扫频法测量啸叫频率时，无法测量太

高的频点，因此会有些误差。

6 结束语

6.1 结论

本设计在完成基本任务，实现了输入音频信号有效值为20mV 时，功率放大器的最大不失真功率为5W ，误差小于10％功率放大器的频率响应范围为200Hz ~ 10kHz ；程控设置功率放大器的输出功率范围为50mW ～5W ；功率放大器输出功率为5W 时，电路整体效率≥80%,经功率放大电路送喇叭输出的音频信号清晰。同时基本完成了发挥部分的题目要求，设计并制作啸叫检测电路和啸叫抑制电路，啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率；启动啸叫抑制电路音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。

该系统采用msp430单片机作为微控制器，以可编程DAC8043作为DAC 衰减电路模块的核心，设计并制作了带啸叫检测和啸叫抑制的音频功率放大器。由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。 6.2 心得体会

在理论设计计算方面，我们充分将我们所学的有关试音扩声的理论知识与电子电路知识充分结合，确立最优解决方案。由于缺乏对工程整体把握的经验，在实际制作过程中，我们遇到了一些没有预想到的问题，其中加工工艺和电路板的可靠性欠佳，但我们组内还是发挥团队精神，通过查找电子和纸质资料，咨询经验丰富的老师等方法共同解决问题，通过参加这次大赛使我们对电子设计的整个制作流程和设计过程中遇到的问题的解决方法有了深入的了解。

致 谢

课题在调查过程中得到了广大同学的支持，在

纂写过程中团队成员齐心协力共同完成。感谢指导老师的支持和帮助，感谢所有学生的支持和帮助，也感谢团队每一位成员的支持与付出。

参考文献

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空航天大学出版社,2006.

[9]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训[M].北京航

空航天大学出版社,2007.

[10]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M]. 北京

航空航天大学出版社,2006.

（编务：柳国龙）

导航评语

首先，本稿在排版方面较为规整，符合论文的写作要求；其次，在学术方面，本稿也有较高的参考价值，尤其是在语音啸叫检测与抑制这方面，其有较高的参考价值；另外，本稿针对现有的啸叫检测与抑制方面的不足，提出了新的解决方案，对社会生产有实际的可参考价值；最后，本稿亦可以再加一些数据，以加大方案的说服力。