帶嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器設(shè)計(jì)

潘宗春，蔡昌新，程志祥

(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

麥克風(fēng)拾音后，經(jīng)功率放大器、揚(yáng)聲器擴(kuò)大出聲音，這種聲音又通過(guò)直接輻射方式或聲反射方式進(jìn)入傳聲器，使整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)產(chǎn)生正反饋，引起聲電信號(hào)自我激勵(lì)，揚(yáng)聲器隨即產(chǎn)生嘯叫聲。回聲嘯叫的發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致功放音量無(wú)法調(diào)大或出現(xiàn)聲音振鈴現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整個(gè)聲信號(hào)系統(tǒng)的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)中的功率放大器和音響由于信號(hào)強(qiáng)度過(guò)大而燒毀損壞[1]。隨著DSP 技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)聲反饋抑制器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外對(duì)于回聲嘯叫的主流解決方案。針對(duì)專(zhuān)業(yè)DSP 芯片價(jià)格比較昂貴，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)品的成本和售價(jià)比較高的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種陷波法嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器系統(tǒng)，采用MSP430G2553單片機(jī)配合外圍電路，采用陷波法實(shí)現(xiàn)對(duì)嘯叫頻率的自動(dòng)檢測(cè)和抑制[2,3]，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其效果進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由拾音電路、功率放大電路、嘯叫檢測(cè)、功率檢測(cè)與嘯叫抑制電路組成，框圖如圖1所示。聲音信號(hào)采集利用拾音電路將外部聲音信號(hào)進(jìn)行采集放大，為系統(tǒng)提供模擬聲音信號(hào)的輸入。拾音電路中由數(shù)字電位器與運(yùn)放構(gòu)成程控放大器，功率放大輸出通過(guò)TPA3112D1芯片實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)D/A向TPA3112D1 芯片特定引腳輸出對(duì)應(yīng)電平得到不同大小的功率放大倍數(shù)，達(dá)到聲音放大輸出的目的。嘯叫檢測(cè)由MSP430G2553的捕獲功能實(shí)現(xiàn)嘯叫頻率檢測(cè)，同時(shí)利用A/D對(duì)其輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷是否發(fā)生嘯叫。正常情況下開(kāi)關(guān)K接入A點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)出有嘯叫發(fā)生時(shí)，對(duì)嘯叫頻率和功率進(jìn)行顯示，再將開(kāi)關(guān)K接入B點(diǎn)，嘯叫抑制電路工作，由陷波器限制嘯叫頻率點(diǎn)的信號(hào)幅度，即可抑制嘯叫。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 拾音電路

拾音電路如圖2所示，采用X9313數(shù)字電位器芯片和LM741芯片構(gòu)成前置放大電路[4.5]，其中IN為信號(hào)輸入，通過(guò)程序輸出脈沖INC_P和DEC_P來(lái)控制數(shù)字電位器調(diào)整接入電路阻值的大小，從而控制電壓的放大倍數(shù)。數(shù)字電位器X9313芯片阻值的變化是階梯式的，由于它32個(gè)步進(jìn)檔位，所以阻值比較精確，靈敏度也比較高。X9313芯片的VL腳到地接入一個(gè)2kΩ電阻，是用來(lái)防止數(shù)字電位器調(diào)節(jié)到阻值為零時(shí)對(duì)電路的影響。信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C2耦合，起到隔離直流的作用。該電路具有使用元件簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖2 拾音電路

圖3 電壓有效值轉(zhuǎn)換電路

2.2 功率檢測(cè)電路

圖4 陷波器電路圖

圖5 幅頻特性曲線(xiàn)

2.3 功率放大電路

功率放大電路負(fù)責(zé)將拾音電路輸出的聲音信號(hào)放大輸出，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)不同增益倍數(shù)的調(diào)節(jié)，采用TPA3112D1 構(gòu)成功率放大電路。TPA3112D1 是TI 公司生產(chǎn)的一款25 W 單聲道、無(wú)需加濾波器的D 類(lèi)音頻放大器。音頻信號(hào)可實(shí)現(xiàn)差分輸入，可程控實(shí)現(xiàn)功率放大器的倍數(shù)。

2.4 嘯叫檢測(cè)電路

發(fā)生嘯叫時(shí)，信號(hào)的幅度會(huì)高于正常信號(hào)，設(shè)置合適的閾值即可避免正常信號(hào)的干擾，嘯叫檢測(cè)則采用高速比較器TLV3501芯片構(gòu)成的遲滯比較器實(shí)現(xiàn)方波轉(zhuǎn)換，再利用MSP430單片機(jī)的捕獲功能，通過(guò)方波高低電平的變化時(shí)間從而計(jì)算出嘯叫信號(hào)的頻率。

2.5 嘯叫抑制電路

用于嘯叫抑制的陷波器由普通運(yùn)放搭建，設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4所示，其中心頻率為800Hz,阻帶寬度為1.5kHz。用Proteus仿真[6]得出其幅頻特性曲線(xiàn)如圖5所示；當(dāng)發(fā)生嘯叫時(shí)嘯叫抑制電路限制波形的幅度，再經(jīng)過(guò)放大電路把聲音信號(hào)放大，即可把嘯叫消除，效果非常理想。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)步進(jìn)﹑功率放大倍數(shù)選擇及嘯叫功率、頻率檢測(cè)顯示功能。為了減少功耗，并降低數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，控制數(shù)據(jù)設(shè)置完成之后，將微控制器設(shè)為低功耗模式。鍵盤(pán)輸入采用中斷模式，而不是查詢(xún)模式，鍵盤(pán)輸入完成后，數(shù)據(jù)端口處于靜態(tài)，可以大大降低數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

設(shè)計(jì)中利用4個(gè)按鍵手動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)置，按鍵1、3為脈沖信號(hào)產(chǎn)生控制按鍵，該脈沖信號(hào)為數(shù)字電位器的控制信號(hào)。按鍵1按下時(shí)，圖2中的DEC_P產(chǎn)生脈沖，電阻值減小，前置放大器放大倍數(shù)增加；按鍵3按下時(shí)，圖2中的INC_P產(chǎn)生脈沖，電阻值變大，前置放大器放大倍數(shù)減小。按鍵2、4為D/A輸出電壓控制按鍵，間接控制功放放大倍數(shù)。當(dāng)發(fā)生嘯叫時(shí)，單片機(jī)控制A/D對(duì)峰值電壓進(jìn)行采樣后計(jì)算對(duì)應(yīng)功率大小；嘯叫信號(hào)經(jīng)由比較器后輸入至單片機(jī)的捕獲引腳，由單片機(jī)對(duì)其頻率進(jìn)行測(cè)量。后由LCD12864對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7 示波器測(cè)試

先由輸入端接入20mV的正弦交流信號(hào),經(jīng)過(guò)前端放大電路放大后進(jìn)入音頻功率放大模塊,該模塊將信號(hào)進(jìn)一步放大之后輸出到8Ω負(fù)載。系統(tǒng)中拾音電路的放大倍數(shù)為1～6倍，分32檔位，可以做到細(xì)調(diào)來(lái)提高精度，后面的功率放大電路放大倍數(shù)為×10、×20、×40、×58等4個(gè)固定檔位。在保證最大不失真情況下，用示波器檢測(cè)其最大輸出功率不超過(guò)5W。示波器測(cè)試波形如圖7所示，其中中間波形為負(fù)載兩端輸出。上下波形為功放的差分輸出信號(hào)。

4.1 效率測(cè)量

如表1所示，在20mV正弦波輸入時(shí)測(cè)試系統(tǒng)不同功率下的效率。分析數(shù)據(jù)可知，在功率放大器輸出功率為1～5W時(shí)，電路整體效率超過(guò)82%。

表1 效率測(cè)量表

表2 頻率響應(yīng)范圍測(cè)量表

表3 嘯叫頻率檢測(cè)測(cè)量表

4.2 頻率響應(yīng)測(cè)量

在輸入信號(hào)有效值為20mV正弦波信號(hào)時(shí)，觀(guān)察輸出的最大不失真電壓(峰峰值)并記錄。固定放大倍數(shù)，改變輸入信號(hào)頻率，找到輸出峰峰值最大的一個(gè)頻率，再改變頻率，找到幅度下降到最大幅度3dB時(shí)頻率。其結(jié)果如表2所示。由表2可知，最大不失真輸出幅度為8.4V，下降3dB的幅度值應(yīng)為8.4×0.707=5.94V，故該功率放大器的幅度頻率響應(yīng)范圍能夠達(dá)到25Hz～30kHz。

4.3 嘯叫頻率檢測(cè)測(cè)量

系統(tǒng)由一個(gè)靈敏度為(-40 ± 3)dB的電容式全指向性麥克風(fēng)、一個(gè)額定功率為5W、阻抗為8Ω的組合紙盆式喇叭構(gòu)成揚(yáng)聲器。進(jìn)行嘯叫檢測(cè)時(shí),負(fù)載端接喇叭,輸入信號(hào)用麥克風(fēng)接收聲音,增大功放放大量時(shí)觀(guān)察嘯叫顯示頻率并測(cè)試嘯叫抑制電路是否起作用。表3為系統(tǒng)對(duì)嘯叫參數(shù)的檢測(cè)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠采集信號(hào)并清晰播放，在麥克風(fēng)和喇叭距離1m時(shí)產(chǎn)生嘯叫，并且單片機(jī)可以檢測(cè)并顯示嘯叫頻率，加入嘯叫抑制電路后有效抑制嘯叫并能正常播放音頻信號(hào)，此時(shí)麥克風(fēng)與喇叭之間的距離可縮短至40cm。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用MSP430G2553單片機(jī)配合外圍電路對(duì)嘯叫頻率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，采用陷波法抑制嘯叫，經(jīng)過(guò)檢測(cè)調(diào)試，各部分配合性能良好，實(shí)現(xiàn)了一種低成本的聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在測(cè)試過(guò)程中也暴露出了電路實(shí)現(xiàn)中不夠精準(zhǔn)的問(wèn)題，可以對(duì)嘯叫的抑制部分進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)抑制頻率的動(dòng)態(tài)控制，使麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器定位距離進(jìn)一步縮小。