开放实验总结报告

        学生姓名 ****  班级 ******  学号 ******

        所在院系 自动化学院   专业电气工程与自动化  

            开放实验室名称   音响功率放大电路的实现                 

                      日期 20**年**月**日

北京理工大学实验室设备处 制

一、实验项目概况

二、实验项目技术报告

二、实验项目技术报告

二、实验项目技术报告

二、实验项目技术报告

三、参加开放实验的体会与建议

四、评价与认定

 

第二篇：!!开放性实验室结题表-音频功率放大器设计总结报告

20##年实验室开放项目总结报告

音频功率放大器的设计

电子与信息工程学院

20##年11月12日

                  摘    要

“音频功率放大器”项目能够将微弱的音频信号进行D类功率放大。设计选用TPA3112功放组成其核心放大部分，用音频放大器构成差动前置放大电路，与衰减电路构成电压增益可调的功率放大电路。在并经UAF42滤波器电路构成滤波器组，实现带通、带阻信号滤波功能，消除啸叫及干扰，避免音频MIC输入时产生的自激振荡和其他干扰。在后级添加衰减网络和可调前置放大，使功率增益达到可调的目的。通过该开放项目学生了解了音频功率放大器的工作原理，电路设计关键技术，以及如何采用滤波电路抑制啸叫及噪声，以改善音频放大器的抗干扰能力和降低音频信号输出的失真度性能。

本设计由五部分构成：拾音电路部分（前置放大）、啸叫抑制部分（带阻滤波器）、啸叫检测部分、功率放大电路部分、控制部分。本系统以无需外加滤波器D类运算放大器TPA3112D1为核心器件，NE5534用作前置放大电路，拥有良好的功率带宽、输出波形失真低、耐压高。为了提高带宽增益积，保证系统的稳定性，本系统采用多级放大，系统共分为二级放大，每级增益均为20dB，二级级联，系统增益为40dB，再利用衰减电路电路在不改变等效阻抗的前提下实现对信号电压的衰减系统，啸叫检测及抑制电路采用四阶带阻滤波电路进行自激啸叫抑制。

关键词：音频功率放大器；NE5534；TPA3112D1

目    录

第1章 方案论证. 1

1系统方案设计与论证... 1

1.1前置放大设计与论证... 1

1.2控制器的论证与选择... 1

1.3滤波电路的论证与选择... 2

第2章 分模块电路的工作原理分析及电路图. 3

2.1系统总体框图... 3

2.2前置放大电路... 3

2.4带阻滤波器部分... 6

2.5 啸叫检测电路... 7

2.6电源电路部分... 7

第3章 程序设计. 9

3.1单片机检测电路设计流程图... 9

3.2部分程序代码... 9

第4章 测试结果与分析. 14

4.1测试条件... 14

4.2测试方法... 14

4.3测试仪器... 14

4.3测试结果... 14

第5章 设计总结. 17

参考文献. 18

附录I：麦克风的参数. 19

附录II：喇叭的参数. 20

附录III：元器件清单. 21

第1章 方案论证

1系统方案设计与论证

本开放性实验项目的研究目的：

1.掌握提高音频信号的信噪比的方法；

2.掌握音频信号放大电路及滤波器设计方法和参数计算。

3.掌握音频功放前置放大及D类功率的使用方法。

4.掌握电子系统的调试方法。

实验项目研究内容：

1.设计低噪声音频前置放大器增益0dB-30dB连续可调，并根据音源类型设置滤波器。

2.需要研制音频信号放大原理及低噪声处理技术。

3.利用电子技术知识，研究D类功放及音频信号滤波特性，消除自激干扰抑制方法。

本项目设计的系统是基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，设计并制作的一个带有啸叫检测与抑制功能的音频放大器。主要电源供给模块、拾音模块、啸叫检测与抑制模块和功率放大模块、控制模块组成。

1.1前置放大设计与论证

 方案一：采用NE5534设计采用单路高效低噪音运算放大器。相比于那些如TL083的放大器而言，它们拥有更好的噪声性能，更高的外部驱动能力以及更高的小信号输入和更高的功率带宽。

方案二：采用LM385本设计有拾音电路，ML285/Lm385系列为微功率二段带隙稳压二极管。设计工作于10微安到20毫安的宽电流范围。这些器件特征有非常低的动态阻抗、低噪声以及随时间和纬度稳定工作。但不宜使用，操作困难。

  所以选择方案一。

1.2控制器的论证与选择

方案一：采用ATMEL公司的AT89C51单片机。AT89C51单片机价格便宜、应用广泛、便于采购，但是该单片机功能单一，反应速度不够快，且自身不具备A/D转换功能。

方案二：采用宏晶公司的MSP430F149单片机。处理能力强,超低功耗超低功耗,MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；

16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

所以选择方案二。

1.3滤波电路的论证与选择

方案一：MAX262芯片是Maxim公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数(包括设置中心频率、品质因数和工作方式)。它采用CMOS工艺制造，在不需外部元件的情况下就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。

方案二：UAF42是一个单片集成电路，其中包含了运算放大器、匹配电阻和状态可调双极滤波极对所需的精密电容，以及一个独立的精密四运放。  UAF42实现的滤波器是时间连续的，同时避免了开关噪声和开关电容滤波器的混叠误差。这种状态可调拓扑结构带来的另外的好处是滤波器受外部器件的影响很小，同时，可以得到低通、高通、带通的输出。

所以选择方案二。

第2章 分模块电路的工作原理分析及电路图

2.1系统总体框图

 

图2..1系统总体框图

2.2前置放大电路

前置放大电路:是指把音频信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。输入放大器的作用是将音源信号放大到额定电平。

图2.2前置放大电路图

芯片介绍：前置放大电路主要采用NE5534芯片NE5534为单路高效低噪音运算放大器。相比于那些如TL083的放大器而言，它们拥有更好的噪声性能，更高的外部驱动能力以及更加高的小信号输入和更高的功率带宽。这使得它们特别适合应用与高质量和专业的音频设备以及仪器仪表，控制电路和电话信道功率放大器。引脚如下图

 

                        图2.3  NE5534引脚图

2.3 功率放大电路

功率放大电路：是一种以输出较大功率为目的的放大器，通常作为多级放大电路的输出级。一般直接驱动负载，带载能力比较好，输出功率大，要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。效率高，效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题，所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值，这个比值越大，效率越高。非线性失真要求功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免的会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同。例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，而在工业控制系统等

场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。所谓非线性失真小，散热少，在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转，驱动扬声器，使之发声，或驱动自动控制系统中的执行机构等。

 

                   

                       图2.4  功率放大电路图

芯片介绍：功率放大电路采用TPA3112D1芯片。TPA3112D1是一款25W的单声道、无需外加滤波器的D类音频放大器，运用在电视盒消费类音频设备中。该芯片供电范围为8-26V；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性负载；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欧的桥接式扬声器，声音失真率仅为0.1%。其耐压值高于最大输出电压，并且留有裕量。

2.4带阻滤波器部分

带阻滤波器是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带通滤波器的概念相对。本设计需要在啸叫检测电路检测到啸叫后滤除掉啸叫频率，从而抑制啸叫。

图2.5带阻滤波器电路图

UAF42是一个单片集成电路，其中包含了运算放大器、匹配电阻和状态可调双极滤波极对所需的精密电容，以及一个独立的精密四运放。  UAF42实现的滤波器是时间连续的，同时避免了开关噪声和开关电容滤波器的混叠误差。这种状态可调拓扑结构带来的另外的好处是滤波器受外部器件的影响很小，同时，可以得到低通、高通、带通的输出。中心角频率WO和品质因数Q分别等于带通滤波器的BW、WO和Q。通滤波器的通带增益为：

Anp=1+R_f/R₁

截止频率为：

f₀=1/2ΠRC

2.5 啸叫检测电路

啸叫抑制电路采用了数字处理方法，使用MSP430F149单片机，先经过AD采样，再经过快速傅里叶变换，分离出各个独立频率的信号，通过IIR滤波器滤除啸叫信号，最后通过DA输出信号。

MSP430F149单片机。处理能力强,超低功耗超低功耗,MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

2.6电源电路部分

电源由四部分组成 ，分别为变压部分、整流部分、滤波部分、稳压部分组成，为整个电路提供 +5V、-5V电压，确保了放大部分电路正常稳定的工作。这部分电路比较简单，分别采用7905、7805 实现。

图2.6电源电路

芯片介绍：78XX系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3~4V。考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9~15V之间。7805、7905基本参数见表2-1，表2-2所示。

表2-1 LM7805基本参数

表2-2 LM7905基本参数

第3章 程序设计

3.1单片机检测电路设计流程图

  本程序是通过AD采样后经过快速傅里叶变换后，当达到最大检测频率信号后，接入带阻滤波器，最后经DA输出，实现了啸叫检测与抑制的功能。

 

图3.1  单片机检测电路流程图

3.2部分程序代码

#include <msp430x14x.h>

#define  uchar unsigned char

#define  uint  unsigned int 

#define  ulong unsigned long

#define CPU_F ((double)8000000)

#define delay_us(x) __delay_cycles((long)(CPU_F*(double)x/1000000.0))

#define delay_ms(x) __delay_cycles((long)(CPU_F*(double)x/1000.0))

#define CONFIG_VALUE    0x40ea //0X038B       //AIN0-AIN1  4.096  128sps  pull on DOUT

#define SCLK_H     P2OUT|=BIT1

#define SCLK_L     P2OUT&=~BIT1

#define MOSI_H     P2OUT|=BIT3

#define MOSI_L     P2OUT&=~BIT3

#define MISO_H     P2OUT|=BIT5

#define MISO_L     P2OUT&=~BIT5

#define CS_H       P2OUT|=BIT7

#define CS_L       P2OUT&=~BIT7

#define  MISO_IN P2DIR&=~BIT5

#define  MISO_OUT P2DIR|=BIT5

#define  READ_MISO   P2IN&BIT5

void ADS1118_Init(void)

{

      P2DIR|=BIT1+BIT3+BIT7;delay_us(1);

      P2DIR&=~BIT5;delay_us(1);

       CS_H;delay_us(1);

       SCLK_H;delay_us(1);

       MOSI_L;delay_us(1);

}

uint Write_ADS1118(uint dat,uchar mode)

{

       uint tmpa,tmpb,tmpc,tmpd;

       uchar i;     

       

       if(mode == 1)//写命令，是连续转换还是单次转换

       {

              dat |= 0x8000;delay_us(1);

       }

      

       tmpa = dat;

        tmpc=dat;

        MISO_IN;

        delay_us(1);

       SCLK_L;delay_us(1);

       CS_L;delay_ms(1);

       delay_ms(1);

       for(i=0;i<16;i++)     

       {

              if(tmpa & 0x8000)

              {

                     MOSI_H;delay_us(1);

              }

              else

              {

                     MOSI_L;delay_us(1);

              }

              tmpa <<= 1;

              delay_us(1);

              SCLK_H;

              delay_us(1);

              SCLK_L;

              delay_us(1);

             

              tmpb <<= 1;

                delay_us(1);

              if(READ_MISO)tmpb|= 0x01;

              ;delay_us(1);

       }

        

       for(i=0;i<16;i++)     

       {

              if(tmpc & 0x8000)

              {

                     MOSI_H;delay_us(1);

              }

              else

              {

                     MOSI_L;delay_us(1);

              }

              tmpc <<= 1;

              delay_us(1);

              SCLK_H;

              delay_us(1);

              SCLK_L;

              delay_us(1);

             

              tmpd <<= 1;

                delay_us(1);

              if(READ_MISO)tmpd|= 0x01;

             

       }

      

       CS_H;

      

      

       return tmpb;

}

/*******************************************************************************

//函数名称：ADS_SEL_Read（）

//函数功能：读取各路电压，通过两个switch选择读取不同的通道

//输    入：road:增益放大器两端的电压选择，并选择测几路电压

//          Ref: 选择参考电压，有6种选择

//输    出：dat：16位ad转换数据

//备    注：这一次读出的转换数据是上一次的转换数据，不要混淆.这里选择的是单次

            转换电压值，当然，也可以选择多次转换,通过寄存器的第8位可以设置

//日    期：2014.8.8

*******************************************************************************/

int ADS_SEL_Read(uchar CH1,uchar CH2,uchar Ref)         //测几路电压

{

    uint dat = 0;

    uint Config_Value = 0x008b;                      //默认低8位，DOUT带上拉电阻

    if((CH1==0)&(CH2==0)) Config_Value += 0x4000;    //AINP = AIN0 and AINN = GND

    if((CH1==1)&(CH2==0)) Config_Value += 0x5000;    //AINP = AIN1 and AINN = GND

    if((CH1==2)&(CH2==0)) Config_Value += 0x6000;    //AINP = AIN2 and AINN = GND

    if((CH1==3)&(CH2==0)) Config_Value += 0x7000;    //AINP = AIN3 and AINN = GND

    if((CH1==0)&(CH2==1)) Config_Value += 0x0000;    //AINP = AIN0 and AINN = AIN1 (default)

    if((CH1==0)&(CH2==3)) Config_Value += 0x1000;    //AINP = AIN0 and AINN = AIN3

    if((CH1==1)&(CH2==3)) Config_Value += 0x2000;    //AINP = AIN1 and AINN = AIN3

    if((CH1==2)&(CH2==3)) Config_Value += 0x3000;    //AINP = AIN2 and AINN = AIN3

  

   

    switch(Ref)

    {

    case 0:  Config_Value += 0x0000;break;    //000 : FS = ±6.144V(1)

    case 1:  Config_Value += 0x0200;break;    //001 : FS = ±4.096V(1)

    case 2:  Config_Value += 0x0400;break;    //002 : FS = ±2.048V(1)

    case 3:  Config_Value += 0x0600;break;    //003 : FS = ±1.024V(1)

    case 4:  Config_Value += 0x0800;break;    //004 : FS = ±0.512V(1)

    case 5: case 6: case 7: Config_Value += 0x0a00;break;    //005 : FS = ±0.256V(1)

    default : break;

    }

    CS_L;delay_us(1);

    dat = Write_ADS1118(Config_Value,1);

    delay_us(1);

    CS_H;delay_us(1);

    return dat;

}

第4章 测试结果与分析

4.1测试条件

测试温度:25摄氏度室温条件下

把各模块整合以来，通过两块4位半数字万用表、稳压恒流源与系统联机进行调试。

4.2测试方法

  首先测试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，程控输出功率范围及误差。再测试在输出最大功率5W时电路整体效率。将麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置使用电脑播放音乐作为音频信号源进行啸叫抑制与检测的测量。再使用电脑USB喇叭播放音乐，放置在距麦克风20cm的位置进行测试。

4.3测试仪器  

4.3测试结果

输入音频信号有效值20mV时输出最大功率、误差、程控输出功率范围。功率放大器的频率响应范围，以及输出最大功率为5W时电路整体效率。

（2）信号源在不同频率时图4.1中各电流表电压表的值

(3)电路输出功率及效率的计算（Po=A1*V1  P_总=A2*V2  η=Po/P_总*100%）

 

（4）进行啸叫抑制时，在保障无啸叫的前提下提高电路的输出功率最大达到多少，以及在能达到5W，缩短麦克风与喇叭面对面的距离。

 

由测试结果可以得出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能达到5W，误差在6%左右。其程控功率输出范围在50mW和5W之间，电路的频率范围做到了200HZ到10HZ，电路的整体效率达85%左右。当麦克风与喇叭相距1m时电路功率放大可达到5W同时进一步减小喇叭与麦克风的距离不会产生啸叫。

 

第5章 设计总结

    本实验项目设计主要有拾音电路，带阻滤波器电路，功率放大电路组成。其中拾音电路采用NE5534芯片，功率放大电路采用TPA3112D1芯片。系统通过拾音电路通过麦克风采集音频信号并将其电压放大，当开关K1接在A上时放大的信号直接经过功率放大电路，此时没有啸叫检测与抑制。当开关接在B上时信号经过带阻滤波电路进行啸叫抑制同时进行啸叫检测，然后经过功率放大电路进行功率放大。此次设计的带啸叫检测与抑制的音频功率放大器，从最开始的资料搜集，到电路的设计；从最开始的元件选型，到电路板的焊接，再到现在的实物的整体调试，都印证了我们的脚踏实地和不懈的努力。在设计的过程中，我们始终十分关注系统的性能指标和运行的稳定性，我们不断的尝试，终于成功的完成了题目所规定的要求，十分高兴。

               参考文献

[1] 康华光主编《电子技术基础（模拟部分第五版）》高等教育出版社 2006.1

[2] 阎石主编《数字电子技术基础》高等教育出版社 2012.3

[3] 张毅刚主编《单片机原理与应用设计》电子工业出版社 2008.4

[4] 陈永真主编《全国大学生电子设计竞赛试题精讲选》电子工业出版社 2006.1

[5] 王昊主编《通用电子元器件的选用与检测》电子工业出版社 2006.1

[6] 全国大学生电子设计竞赛组委会编《第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》北京理工大学出版社 2008.11

[7]华成英主编《模拟电子技术基本教程》清华大学出版社 2009.8.

[8]李杰等编著《电子技术基础》清华大学出版社 2008.

[9]郑家龙主编《集成电子技术基础教程》高等教育出版社 2002.

[10]刘宝琴主《可编程逻辑器件及其应用》清华大学出版 2004.

[11]陈汝全主编《电子技术常用器件应用手册》北京理工大学出版社1991.

               

                        

附录I：麦克风的参数

附录II：喇叭的参数

附录III：元器件清单