2014年TI杯大学生电子设计竞赛赛题-D题音频功率放大器及啸叫抑制设计

2014年全国大学生电子设计竞赛(D题)编号：题目：电能消耗计量装置 (D题)学校：学院：信息科学与电气工程学院参赛学生：联系方式：2014年月日电能消耗计量装置的设计报告摘要：本设计以ATMEGA16A为控制核心，通过交流整形电路连接AD637KQ真有效值转换芯片量锰铜电阻，实现负载电流有效值检测；市电电压有效值的监测是通过连接市电电压的负载分压之后，由AD637KQ真有效值转换器实现测量；通过功率因数测量电路，市电电压经过二极管电桥正弦波变为方波，经单片机捕获测量出负载的功率因数和市电频率；单片机连接键盘和12864B v2.0液晶显示屏，通过中断服务模式实现控制负载用电时间、电能消耗、二氧化碳排放量的显示，以及显示市电电压有效值和市电频率、负载的工作电流有效值和有功功率、负载的功率因数；该装置还具备最大门限值设置、过流保护功能，进行了大量试验和测试，验证了设计的有效性，完成了基本部分和发挥部分功能要求。

关键词：电能消耗计量装置，ATMEGA16A，AD637，低能耗，精度1.系统方案1.1系统要求设计一款用于市电的电能消耗计量装置，该装置能耗低，由非分体式独立供电结构供电，具备过流保护功能和声光报警功能，并可设置被测负载最大门限值。

能够监测所在电网的市电电压有效值和市电频率，以及连接负载的工作电流有效值和有功功率值，并显示出负载的功率因数、用电时间和负载用电量对应的二氧化碳排放量及电能消耗值，1.2 方案论证1.2.1 控制器模块采用ATMEGA16A控制器。

ATmega 16A是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，功能强大，性价比高，使用方便。

1.2.2电压有效值测量模块和电流有效值测量模块方案一：带有AD637KQ真有效值转换器，AD637BQ可以计算各种杂波形的真有效值，最大3dp宽带可达8MHZ，可选择测量直流信号和交流信号，带载能力强。

，可
TI公司
探头上应
用直径
19mm
“探头进入。

通过
且探测
得再移动。

（30分）
（2）将1角硬币更换成直径约25mm的镀镍钢芯1元硬币（第五套人民币1元硬币），重复要求（1）的探测过程。

定位完成后，定位指针与硬币圆心之间的定位误差应控制在5mm以；探测定位速度越快越好，探测定位总时间不应超过2分钟。

完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动。

（30分）
（3）将硬币改为自制圆铁环（用Φ2铁丝绕制），铁环外直径4cm。

重复要求（1）的探测过程，应使定位指针尽可能指向铁环圆心，定位误差应
控制在5mm以内；完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动，
探测定位总时间应不超过3分钟。

（30分）
（4）其他自主发挥功能。

（10分）
（5）
3.说明
（1）金属物体探测定位装置探头采用AY-LDC1000板（由TI公司提供），可直接用AY-LDC1000板上的覆铜线圈，也可自制线圈；不得安装其
他传感与摄像装置。

探测开始后，不得手动或遥控探测器。

（2）玻璃板可采用普通无色玻璃（玻璃边沿需贴上胶带以防划伤），也可用无色透明有机玻璃板；玻璃板长宽尺寸应大于50cm、厚度约3mm。

（3）探头从“探头进入区”一侧进入时探头的起始位置和摆放方向，以及探测区域内的被测金属物体摆放位置均由测试专家在现场指定。

摘要：在本文中的D 类音频功率放大器的功率器件受一种高频脉宽调制信号（PEM Pulse Encode Modulation ）的控制器工作在开关状态，理论上其效率可以达到100%，但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。

本系统由ICL8038集成芯片构成三角波发生电路输出的三角波作为载波，经前置放大的音频信号作为基波，比较得出的SPWM (正弦脉宽调制)波驱动开关管，采用H 桥互补对称输出电路，并有具有自恢复过温保护和自恢复输出短路保护功能。

关键字：D 类放大器（class D amplifier ）、脉宽调制器（pulse widthmodulator ）、低通滤波器（lowpass ）一、方案论证根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示。

三角波产生器比较器驱动电路开关功率输出低通滤波PWM 调制器高速开关电路前置放大电压负反馈音频信号输入短路保护短路自恢复闭环控制过温保护过温保护功率显示8Ω负载图1 系统结构框图1、高效率功率放大器（1）高效率功放类型的选择方案一：采用A 类、B 类、AB 类功率放大器。

这三类功放的效率均达不到题目的要求。

方案二：采用D 类功率放大器。

数字式功率放大器，末级功率元件工作在数字（开关）状态，具有效率高、功率密度大等优点，应用广泛。

所以我们选择D 类功率放大器。

（2）高效D 类功率放大器实现电路的选择本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。

① 脉宽调制器(PWM)方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于本题发挥部分的实现。

方案二：采用三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。

若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作。

所以选择方案二。

②高速开关电路a. 输出方式方案一：选用推挽单端输出方式如图2所示。

2012年“TI”杯辽宁省电子设计竞赛声音定位系统（D题）学校：参赛队员：目录1 概述 ..................................................................................................................................1.1 主要任务.....................................................................................................................1.2 设计要求.....................................................................................................................1.2.1 基本要求 ............................................................................................................1.2.2 发挥部分 ..............................................................................................................2 方案设计与论证 ..............................................................................................................2.1 方案对比.....................................................................................................................2.1.1 声源模块 ..............................................................................................................2.1.2 接收模块放大芯片 ..............................................................................................2.1.3 单片机 ..................................................................................................................2.1.4 显示模块 ..............................................................................................................2.1.5 定位算法选择 ......................................................................................................3 硬件部分设计 ..................................................................................................................3.1 系统框图.....................................................................................................................3.2 声响模块...................................................................................................................3.3 从单片机最小系统.....................................................................................................3.4声音接收模块..............................................................................................................3.5信号处理模块..............................................................................................................4 软件部分设计 ..................................................................................................................4.1 软件流程图.................................................................................................................4.2 中断流程图.................................................................................................................5 测试结果与分析 ..............................................................................................................5.1 测试方法与仪器.........................................................................................................5.2 测试数据.....................................................................................................................5.3 测试结果分析.............................................................................................................5.4 测试结果.....................................................................................................................参考文献 ..............................................................................................................................附录A ..................................................................................................................................附录B ..................................................................................................................................附录C ..................................................................................................................................摘要本设计采用TI公司生产的超低功耗单片机MSP430G2452和G2553分别作为定位系统的声源产生模块和信息处理模块，实现了声音信号的发生、信号收集处理和屏幕显示以及语音提示等功能。

2014年浙江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（D题）2014年8月13日摘要本设计阐述了带啸叫检测与抑制的音频功率放大器的设计过程，并给出了基本电路图。

音频功率放大器由拾音模块，啸叫检测、抑制模块和音频功率放大模块组成。

拾音模块通过全向麦克风接收声音信号并用NE5532初步放大声音信号，啸叫检测抑制模块通过STC12C5A60S2芯片电压经采样比对后通过控制输入音频功率模块的电压进而达到检测和抑制啸叫的功能。

功率放大模块使用TPA3112D1将经过啸叫抑制的信号进行功率放大输出。

关键字啸叫抑制音频放大器 STC12C5A60S2目录1系统方案 (1)1.1 拾音模块的论证与选择 (1)1.2 啸叫检测抑制模块的论证与选择..... 错误！未定义书签。

1.3 音频功率放大模块的论证与选择 (2)1.4 电源模块的论证与选择 (3)2系统理论分析2.1 拾音模块的分析 (4)2.2 电源的分析 (4)2.3 啸叫抑制和检测的分析 (4)2.4 音频功率放大的分析 (5)3电路与程序设计 (5)3.1 电路的设计 (5)3.2 系统总体框图 (5)3.3拾音模块框电路原理图 (6)3.4啸叫检测和抑制模块电路原理图 (7)3.5音频放大模块电路原理图 (8)3.6电原模块电路原理图 (9)4测试方案与测试结果 (10)4.1 测试方案 (11)4.2 测试条件与仪器 (11)4.3 测试结果及分析 (11)4.3.1测试结果(数据) (11)4.3.2测试分析与结论 (11)附录：元件清单 (12)带啸叫检测与抑制的音频功率放大器（D题）【本科组】1系统方案本系统主要由拾音模块、啸叫检测抑制模块、音频功率放大模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1拾音模块论证与选择方案一：LM386。

LM386是常见的低电压功率放大器，宽电压范围4V-12V，可实现20至200电压增益，具有低失真，低静态电流消耗和外部部件较少的特点。

2014年TI杯竞赛陕西赛区设计报告封面参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号0 5 1 6 D说明1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；2. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会统一编排的编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。

5. 本页允许各参赛学校复印。

带啸叫检测与抑制的音频功率放大器（D题）本科组摘要本系统为一个基于TPA3112D1的带啸叫检测与抑制的音频功率放大器，由拾音电路、啸叫检测电路、啸叫抑制电路、功率放大电路组成，拾音电路通过台式麦克风完成对音频信号的输入，由LM386进行放大，再经过由TLC2274C构成的带通滤波器完成对所需频率响应信号的截取；啸叫是一种回授音，不可控，话筒拾音的音响系统，都有反馈啸叫的可能。

话筒啸叫的危害很大，需要进行必要的检测和抑制，抑制可以从过载量，距离，角度，频率这四个方面考虑；功率放大电路由基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1组成，对所得的频率响应信号进行放大，可通过MSP430G2553对数字电位器进行编程从而控制输出功率。

整个系统完成了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，达到了设计要求，工作可靠。

关键字：TPA3112D1 LM386 TLC2274C 啸叫检测与抑制MSP430G2553目录一、方案论证 (1)1.拾音电路的论证与选择 (1)1.1前级放大电路的论证与选择 (1)1.2 带通滤波电路的论证与选择 (1)2.啸叫检测电路的论证与选择 (2)3.啸叫抑制电路的论证与选择 (2)4.功率放大电路的论证与选择 (2)二、理论分析与计算 (3)1.前级放大电路的分析 (3)2.带通滤波器的分析与计算 (5)3. 功率放大电路的分析 (6)三、电路与程序设计 (7)1.电路的设计 (7)1.1 系统总体框图 (7)1.2 前级放大电路原理图 (7)1.3 带通滤波电路原理图 (8)1.4 功率放大电路原理图 (9)1.5 电源电路原理图 (9)2.程序的设计 (10)2.1 程序功能描述与设计思路 (10)2.2 程序流程图 (10)四、测试方案与测试结果 (11)1.测试方案 (11)1.1 硬件测试 (11)1.2 硬件软件联调 (11)2.测试条件与仪器 (12)3.测试结果及分析 (12)3.1 测试结果（数据） (12)3.2 数据分析 (13)五、结论 (13)1.设计总结 (13)2.心得体会 (13)六、参考文献 (14)附录 (15)附录1：电路原理图 (15)附录2：波形图 (17)附录3：源程序 (20)一、方案论证本系统主要由拾音电路、啸叫检测与抑制电路、功率放大电路组成，如下图，下面分别论证这几个模块的选择。

2014年TI杯大学生电子设计竞赛设计报告D题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器【本科组】2014年8月D题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器摘要：根据题目的要求，本系统由拾音放大模块、功率放大模块、啸叫检测和抑制模块及电源模块组成，拾音电路采用同相放大器电路，使用基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1来制作功率放大电路；并基于MSP430F149实现程控设置功率放大器的输出功率、实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率、抑制啸叫的功能，最终实现带啸叫检测与抑制的音频功率放大器电路的搭建，该电路不仅能实时显示啸叫频率和功率，还能有效抑制啸叫并保持很高的音频播放质量。

一、题目简介1．任务基于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的放大，通过功率放大电路送喇叭输出。

电路示意图如图1所示。

2．要求（1）设计并制作图1中所示的“拾音电路”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器。

要求：（25分）a）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（仅考虑限幅失真）为5W，误差小于10％；b）在输入音频信号有效值为20mV时，程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50mW～5W；c）功率放大器的频率响应范围为200Hz ~ 10kHz。

（2）系统采用12V直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。

（10分）（3）在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率≥80%。

（10分）（4）将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，见图2（a），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。

（5分）（5）设计并制作图1所示的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。

要求：（15分）a）在不进行啸叫抑制时（图1的选择开关K1连接A端，K2连接C端），将麦克风与喇叭相隔1m面对面放置，见图2（b），从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止；b）啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。

全国大学生电子设计竞赛试题1．1 第一届电子设计竞赛试题（1994年）题目一 简易数控直流电源一、设计任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。

其原理示意图如图所示。

二、设计要求1．基本要求① 输出电压：范围0至+9.9V ，步进0.1V ，纹波不大于10mV ； ② 输出电流：500 mA ；③ 输出电压值由数码管显示； ④ 由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减；⑤ 为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V ，+5V 。

2．发挥部分① 输出电压可预置在0至+9.9V 之间的任意一个值；② 用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V 不变）； ③ 扩展输出电压种类（比如三角波等）。

题目二 多路数据采集系统一、设计任务主控器能对50米以外的各路数据，通过串行传输线（实验中用1米线代替）进行采集和显示。

具体设计任务是：① 现场模拟信号产生器。

② 八路数据采集器。

③ 主控器。

二、设计要求 1．基本要求① 现场模拟信号产生器 自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz 至2kHz 范围变化，再经频率电压娈换电路后输出相应1V 至5V 直流电压（200Hz 对应1V ，2kHz 对应5V ）② 八路数据采集器 数据采集器第一路输入自制1V 至5V 直流电压，第2至7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V 直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第八路备用。

将各路模拟信号分别转换成八位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

③ 主控器 主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。

采集方式包括循环采集（即1路、2路、…、8路、1路…）和选择采集（任选一路）二种方式。

显示部分能同时显示地址和相应的数据。

2．发挥部分① 利用电路补偿或其它方法提高可变电阻值变化与输出直流电压变化的线性关系； ② 尽可能减少传输线数目；③ 其它功能的改进（例如：增加传输距离，改善显示功能等） 三、评分标准1．2 第二届电子设计竞赛试题（1995年）题目一 实用低频功率放大器一、任务设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。

2014年全国大学生电子设计竞赛摘要随着社会快速断的进步，人们的生活水平正在不断提高，因此对音乐欣赏的要求也变得越来越高，音频功放作为承担声音放大任务的重要设备，正日益受到人们的重视。

对于功率放大器，一般要求其有较大的输出功率、较小的失真、平坦的音频特性、较高的信噪比和较大的动态范围。

因此，这次我组研究的对象就是实用音频放大器，制作一款最大不失真输出功率P OR≥15W（失真度小于5%）;带宽BW≥（40～20000）Hz（功放部分）;在P OR下的效率≥50%;在前置放大级输入端交流短接到地时，R L=8Ω上的交流声V PP≤400mV;前置放大器具有低音、中音、高音调节功能;具有音量调节功能的实用功率放大器。

关键词：功率放大；音量调节；音调调节目录一、任务......................................... 错误！未定义书签。

1.基本要求.................................... 错误！未定义书签。

2.发挥部分 (2)二、要求 (1)1.基本要求.................................... 错误！未定义书签。

2.发挥部分 (2)三、设计总思路 (2)1.分析 (2)1.系统总体框图 (3)四、音频信号放大模块 (3)1.前置放大电路 (3)2.功率放大 (3)五、电源模块 (4)六、音量调节及显示模块 (5)七、音调调节模块 (7)八、四路音源选择模块 (8)九、测试 (9)1.仿真模拟 (9)2.面包版搭建 (10)十、焊接 (10)十一、结论 (10)一、任务设计并制作低频功率放大器。

其原理示意图如下：二、要求1．基本要求（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV pp，采用双电源供电，不大于±20V；等效负载电阻R L为8Ω下，放大器应满足：（功率放大部分单独供电）①. 最大不失真输出功率P OR≥15W；（失真度小于5%）②. 带宽BW≥（40～20000）Hz；（功放部分）③. 在P OR下的效率≥50%；④在前置放大级输入端交流短接到地时，R L=8Ω上的交流声V PP≤400mV。

2014年TI杯大学生电子设计竞赛题C题：锁定放大器的设计设计报告摘要本作品基于锁定放大器设计，由前级放大模块,带通滤波器模块，相敏检波模块，触发整形模块和单片机显示模块组成，具有微弱信号锁定放大功能。

在前级放大电路中，信号发生器经过分压网络得到交流放大器的信号来源。

信号通过带通滤波器，加上参考通道得到的方波，一起输入到相敏检波电路，得到整流波形，经过低通滤波器，得到变化极其缓慢的直流信号，经过单片机显示。

本作品进行合理的级联和阻抗匹配，加入单片机设计的示波器显示，从而得到一个完整的锁定放大器系统。

而且综合应用了电容去耦、滤波、旁路电容等抗干扰措施以减少放大器的噪声干扰。

关键词：分压网络交流放大器相敏检波触发整形示波器一、总体方案设计1.1 系统总体方案根据题目要求如图1，要求系统分为三大部分：第一部分信号通道，实现对信号的放大，去噪。

第二部分为参考通道，通过移相器和比较器，得到方波。

第三部分为检波电路，得到信号幅值，并显示。

图1 锁定放大器基本组成结构框图图2 系统方案框图本方案系统总体框图如图2所示，系统由加法器、衰减器、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。

本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。

1.2 系统方案设计论证1.2.1 微信号放大设计本题目要求采用锁相放大器检测小信号，噪声强、信号弱，是锁相放大器的工作情况，对此，我们要采用低噪声的精密放大运算放大器OPA2376。

前段放大电路需要有足够的放大倍数，来保证信号的采集。

对此，本方案采用了放大60dBde的设计，以期达到设计需求。