带啸叫检测与抑制的音频功率放大器设计

潘宗春，蔡昌新，程志祥

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

麦克风拾音后，经功率放大器、扬声器扩大出声音，这种声音又通过直接辐射方式或声反射方式进入传声器，使整个扩声系统产生正反馈，引起声电信号自我激励，扬声器随即产生啸叫声。回声啸叫的发生，会导致功放音量无法调大或出现声音振铃现象，严重影响整个声信号系统的正常工作，甚至会导致系统中的功率放大器和音响由于信号强度过大而烧毁损坏[1]。随着DSP 技术的不断发展，自动声反馈抑制器已经成为国内外对于回声啸叫的主流解决方案。针对专业DSP 芯片价格比较昂贵，产品结构比较复杂，产品的成本和售价比较高的问题，笔者设计了一种陷波法啸叫检测与抑制的音频功率放大器系统，采用MSP430G2553单片机配合外围电路，采用陷波法实现对啸叫频率的自动检测和抑制[2,3]，并通过试验对其效果进行测量和验证。

1 系统组成

图1 系统框图

系统主要由拾音电路、功率放大电路、啸叫检测、功率检测与啸叫抑制电路组成，框图如图1所示。声音信号采集利用拾音电路将外部声音信号进行采集放大，为系统提供模拟声音信号的输入。拾音电路中由数字电位器与运放构成程控放大器，功率放大输出通过TPA3112D1芯片实现，可以通过D/A向TPA3112D1 芯片特定引脚输出对应电平得到不同大小的功率放大倍数，达到声音放大输出的目的。啸叫检测由MSP430G2553的捕获功能实现啸叫频率检测，同时利用A/D对其输出功率进行检测，从而判断是否发生啸叫。正常情况下开关K接入A点，当检测出有啸叫发生时，对啸叫频率和功率进行显示，再将开关K接入B点，啸叫抑制电路工作，由陷波器限制啸叫频率点的信号幅度，即可抑制啸叫。

2 硬件设计

2.1 拾音电路

拾音电路如图2所示，采用X9313数字电位器芯片和LM741芯片构成前置放大电路[4.5]，其中IN为信号输入，通过程序输出脉冲INC_P和DEC_P来控制数字电位器调整接入电路阻值的大小，从而控制电压的放大倍数。数字电位器X9313芯片阻值的变化是阶梯式的，由于它32个步进档位，所以阻值比较精确，灵敏度也比较高。X9313芯片的VL脚到地接入一个2kΩ电阻，是用来防止数字电位器调节到阻值为零时对电路的影响。信号经过电容C2耦合，起到隔离直流的作用。该电路具有使用元件简单、抗干扰能力强的特点。

图2 拾音电路

图3 电压有效值转换电路

2.2 功率检测电路

图4 陷波器电路图

图5 幅频特性曲线

2.3 功率放大电路

功率放大电路负责将拾音电路输出的声音信号放大输出，同时要实现不同增益倍数的调节，采用TPA3112D1 构成功率放大电路。TPA3112D1 是TI 公司生产的一款25 W 单声道、无需加滤波器的D 类音频放大器。音频信号可实现差分输入，可程控实现功率放大器的倍数。

2.4 啸叫检测电路

发生啸叫时，信号的幅度会高于正常信号，设置合适的阈值即可避免正常信号的干扰，啸叫检测则采用高速比较器TLV3501芯片构成的迟滞比较器实现方波转换，再利用MSP430单片机的捕获功能，通过方波高低电平的变化时间从而计算出啸叫信号的频率。

2.5 啸叫抑制电路

用于啸叫抑制的陷波器由普通运放搭建，设计参数如图4所示，其中心频率为800Hz,阻带宽度为1.5kHz。用Proteus仿真[6]得出其幅频特性曲线如图5所示；当发生啸叫时啸叫抑制电路限制波形的幅度，再经过放大电路把声音信号放大，即可把啸叫消除，效果非常理想。

3 软件设计

软件主要实现数字调节步进﹑功率放大倍数选择及啸叫功率、频率检测显示功能。为了减少功耗，并降低数字系统对模拟信号的干扰，控制数据设置完成之后，将微控制器设为低功耗模式。键盘输入采用中断模式，而不是查询模式，键盘输入完成后，数据端口处于静态，可以大大降低数字系统对模拟信号的干扰。程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

设计中利用4个按键手动实现设置，按键1、3为脉冲信号产生控制按键，该脉冲信号为数字电位器的控制信号。按键1按下时，图2中的DEC_P产生脉冲，电阻值减小，前置放大器放大倍数增加；按键3按下时，图2中的INC_P产生脉冲，电阻值变大，前置放大器放大倍数减小。按键2、4为D/A输出电压控制按键，间接控制功放放大倍数。当发生啸叫时，单片机控制A/D对峰值电压进行采样后计算对应功率大小；啸叫信号经由比较器后输入至单片机的捕获引脚，由单片机对其频率进行测量。后由LCD12864对结果进行显示。

4 试验结果与分析

图7 示波器测试

先由输入端接入20mV的正弦交流信号,经过前端放大电路放大后进入音频功率放大模块,该模块将信号进一步放大之后输出到8Ω负载。系统中拾音电路的放大倍数为1～6倍，分32档位，可以做到细调来提高精度，后面的功率放大电路放大倍数为×10、×20、×40、×58等4个固定档位。在保证最大不失真情况下，用示波器检测其最大输出功率不超过5W。示波器测试波形如图7所示，其中中间波形为负载两端输出。上下波形为功放的差分输出信号。

4.1 效率测量

如表1所示，在20mV正弦波输入时测试系统不同功率下的效率。分析数据可知，在功率放大器输出功率为1～5W时，电路整体效率超过82%。

表1 效率测量表

表2 频率响应范围测量表

表3 啸叫频率检测测量表

4.2 频率响应测量

在输入信号有效值为20mV正弦波信号时，观察输出的最大不失真电压(峰峰值)并记录。固定放大倍数，改变输入信号频率，找到输出峰峰值最大的一个频率，再改变频率，找到幅度下降到最大幅度3dB时频率。其结果如表2所示。由表2可知，最大不失真输出幅度为8.4V，下降3dB的幅度值应为8.4×0.707=5.94V，故该功率放大器的幅度频率响应范围能够达到25Hz～30kHz。

4.3 啸叫频率检测测量

系统由一个灵敏度为(-40 ± 3)dB的电容式全指向性麦克风、一个额定功率为5W、阻抗为8Ω的组合纸盆式喇叭构成扬声器。进行啸叫检测时,负载端接喇叭,输入信号用麦克风接收声音,增大功放放大量时观察啸叫显示频率并测试啸叫抑制电路是否起作用。表3为系统对啸叫参数的检测。测试发现，系统能够采集信号并清晰播放，在麦克风和喇叭距离1m时产生啸叫，并且单片机可以检测并显示啸叫频率，加入啸叫抑制电路后有效抑制啸叫并能正常播放音频信号，此时麦克风与喇叭之间的距离可缩短至40cm。

5 结语

该设计采用MSP430G2553单片机配合外围电路对啸叫频率实现自动检测，采用陷波法抑制啸叫，经过检测调试，各部分配合性能良好，实现了一种低成本的声反馈啸叫抑制系统设计。在测试过程中也暴露出了电路实现中不够精准的问题，可以对啸叫的抑制部分进行改进，以实现抑制频率的动态控制，使麦克风和扬声器定位距离进一步缩小。