设计报告
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带啸叫检测与抑制的音频功率放大器设计报告
摘要
本设计采用两级电压运放芯片OP07串接的方式对输入的微弱信号进行前级放大20dB，再经过LM324进行滤波作为功率放大电路的输入，功放部分选择20dB的放大倍数，并通过单片机经DAC8571对TPA3112D1的电压控制口输送目的数据从而实现对输出放大功率的控制，同时单片机的两个按键分别实现输出功率的加减并由LCD1602显示。啸叫部分由单片机对MAX262芯片控制捕捉啸叫点测频和陷波处理。
一．系统方案设计与论证
经过分析与论证，我们认为此次音频功率放大器的设计分为拾音电路，功率放大电路，程控输出功率和啸叫检测与抑制这几个模块组成。
1.拾音电路的方案论证与选择
根据题目要求可知拾音电路可分为两个部分，电压放大电路和滤波电路，由此可得以下方案设计。
（1）电压放大电路
方案一：利用三级管进行放大，三极管放大倍数虽然可以很大，但是它静态工作点会随温度漂移，而且不易控制，不仅容易损坏管子，而且波形的失真情况会很严重。
方案二：使用集成运放进行电压放大，而且选用的管子不同，所达到的效果也会有差异，本次采用OP07进行放大，OP07噪声低，失调电压低，开环大等特点，我们利用两个OP07进行电压放大电路设计，利用第一个OP07进行电压放大，第二个用来满足带宽的要求。
（2）滤波电路
方案一：利用无源RC滤波，无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，因而不适用于信号处理要求高的场合。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC（电感、电容）电路滤波。
方案二：利用有源RC滤波, 有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理，而本次滤波电压幅值很小，所以选用它。
2.功率放大电路的方案论证与选择
方案一：采用脉宽调制D类功放。先用高速运放和高速电压比较器来产生三角波，再将音频信号输入与三角波进行比较，然后经开关放大电路放大 ，最后经低通滤波输出。此方案有一定可行度，但是程序复杂，所用到的知识繁杂，不易实现。
方案二：采用单片集成的D类音频放大器。此次委员会提供了AY—TPA3112D1可供参赛队员使用，该板的核心芯片即为D类音频放大器TPA3112D1，只需在此基础上设计外围关键电路器件参数。该方案电路简单，容易实现且效率较高，故采用此方案。 3.程控输出功率
通过控制芯片TPA3112D1的输出功率控制管脚PLIMIT实现对输出功率的控制。由单片机和DA转换的结合控制PLIMIT的电压值，利用TPA3112D1的V(plimit)与输出功率的关系实现对输出功率的控制。
4.啸叫检测与抑制
方案一：基于DSP的啸叫检测抑制电路。为了实现频率检测算法，并且能够实时设计出所需要的陷波器，采用TMS320C6711浮点处理器，使用IIR滤波器算法，该算法运算复杂度不大，频率选择性较好。但是，此方案中的DSP，IIR算法对软件要求较高，电路不易实现。
方案二：一种基于52单片机的数控啸叫抑制检测电路的设计。对系统使用使用环境进行监控捕捉啸叫点测频，采用MAX262芯片对检测到的啸叫点进行陷波处理。这种方法可以同时对四个啸叫点进行动态处理，不需要大量的运算，对软件要求较低，电路较易实现。故采用此方案。
二．理论计算与电路设计
1.总体电路框图如下图所示： 2.拾音电路
（1）电压放大电路
输入信号的电压有效值为20mv，而电压输出通过电路先进行100倍的放大，所以R3/R1=200，取R1=500，可得R3=100K,第二级是为了满足带宽要求不进行放大，所以R4=R6=10K.
此次设计要求的波形频率为200hz~10khz,因此，根据要求由所得的电路图可得它的波特图如图所示:
（2）滤波电路
要求输入信号的带宽为200HZ~10KHZ，利用RC滤波有源滤波电路，采用二阶低通滤波电路的截止频率fh=10Khz,一个高通滤波电路的截止频率fl=200HZ,有源滤波器件选择LM324，低通滤波电容取为1000Pf,fh=10Khz,频率计算公式为f=RC21所以可得R11=14K,对于高通极可以做同样的计算，c=0.1uf，f=200hz，可得R7=R8=8.4K,根据Avf的要求，信号源v1通过R10和R13进行衰减，它的戴维宁电阻是R1和R2并联值，这个电阻等于低通电阻R11，因此2121RRRR=R3=14K。
由电路图和参数的设计得到最后滤波之后的波特如图所示
2.功率放大电路
（1）.音频输入电路
由公式得出参数：放大倍数为20dB,所以电阻为60K，取截止频率为16KHz近似取电容为1uF。
(2).功率输出电路
输出电路在AY—TPA3112D1板上设计的基础上设定参数，取截止频率为20KHz，容值和感值选取为负载8的值如上图所示。
3.啸叫检测与抑制电路
4.电源设计
(1).拾音电路正负9V供电：由12V直流电源输入，分别经滤波电容和稳压芯片7809，7909后输出。电路如下：
(2).单片机系统5V供电：四节干电池串联的电池盒经7805的稳压芯片稳压后输出，简单便捷。
5.程序控制输出功率的相关计算：
由YPA3112D1的相关资料可知输出电压Vp和PLIMIT口电压Vpm之间的关系为Vp=4*Vpm,输出功率
P=LPSLLRVRRR222
据此可得输出功率与Vpm的关系。题目要求功率输出范围为50mW-5W，且最大输出功为5W，本次设计选用TPA3112D1 12V供电，接8负载，20dB的放大增益，在这样的条件下给PLIMIT口提供电压的GVDD口额定电压为7V，此时的额定功率为10W，所以由在其他参数不变的条件下Vp的平方与输出功率P成正比按比例可以算出当输出为5W的时候PLIMIT口的电压为5V，所以DA转换时参考电压设定为5V。
设定功率的调节步进为1W（最小值50mW例外），由上式算出PLIMIT口需要输入的电压值Vpm。由DA转换原理得单片机输入数据Kda=
655355pmV。
7.程序设计
使用STC12C5A60S2单片机作为整个系统的控制核心，系统启动后进行键盘扫描，由用户按键信息实现对放大功率的控制和功率值的显示。具体程序流程如图2所示，具体程序见附录。
开机初始化
TPA3112的放大增益选通
重新扫描 NO
有键按下
YES
判断键码
减 加
按 按
键 键
DA输入控制PLIMIT口电压
输出功率值运算
输出功率值LCD显示
四．与测试结果测试方案
1.测试仪器清单
序号 名称 型号 指标 数量
1 双踪示波器 DS1052E 50Hz 1GSa/S 1 2 信号发生器 YB1634 0.2Hz--2MHz 1
3 直流稳压电源 CS--5 1
4 数字万用表 UT39A 1
2.电路基本性能的测试
测试方法：用函数发生器产生频率在要求响应范围内，有效值分别为5mv,10mv,15mv和20mv的正弦波输入进行测量。测出输出负载两端的电压有效值，并由此算出输出功率。通过手动按下加减按键，改变PLIMIT口的电压值，测试输出负载两端的电压再计算其功率，并与初始设定值进行比较。
测试条件：带8负载。
3.测试结果分析
附录1
#include
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define _Nop() _nop_() //定义空指令
bit ack; //应答标志位
sbit SCL=P1^6;
sbit SDA=P1^7;
sbit SD=P2^2;
sbit FAULT=P2^3 ;
sbit GA0=P2^4;
sbit GA1=P2^5;
sbit key1=P2^6;
sbit key2=P2^7;
sbit rs=P3^5;
sbit lcden=P3^4;
uchar a=0,b=0;
uchar code table3[]="GL:";
uchar code table4[]="W";
uchar code table5[]="0123456789";
uint code table6[]={0x0005,0x0064,0x00c8,0x012c,0x0190,0x01f4};
Uintcodetable7[]={0x19,0x9a,0x72,0x7b,0xa1,0xe7,0xc6,0x4a,0xe4,0xf8,0xff,0xff};
void delay(uint ms)
{
uchar i;
uint j;
for(i=ms;i>0;i--)
for(j=110;j>0;j--);
}
void com1(uchar com)
{
rs=0;
P0=com;
delay(60);
lcden=1;
delay(60);
lcden=0;
}
void date(uchar date)
{
rs=1;
