基于I2C總線控制的音頻處理電路設(shè)計

0 引 言

　　當(dāng)前汽車音響與高保真的立體聲音響系統(tǒng)中都包含了微處理器電路單元，這為實現(xiàn)音頻處理提供了控制接口，可以通過控制接口實現(xiàn)許多需要的功能控制。作為音響系統(tǒng)主體的音頻處理電路性能直接決定了整個音響系統(tǒng)質(zhì)量，設(shè)計高性能的音頻處理電路是該文的核心部分。

　　該設(shè)計的高性能音頻處理電路基于I2C總線控制協(xié)議，包含輸入多通道選擇、音量控制、高低音音效處理、輸出通道平衡度調(diào)整等功能，適合應(yīng)用于高質(zhì)量汽車音響、高保真收音機、彩電、家庭組合音響系統(tǒng)。

　　1 電路模塊的設(shè)計

　　高保真音響系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．其中音頻處理電路的設(shè)計和功率放大器的設(shè)計往往是利用不同的芯片來完成的。

　　根據(jù)高保真立體聲高級音響系統(tǒng)對音頻處理電路的要求．該文設(shè)計的高性能音頻處理電路的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。音頻處理器可在I2C總線控制下對四路獨立的立體聲輸入信號進(jìn)行選擇，然后進(jìn)行主音量的控制、低音控制、高音控制以及四路立體聲輸出平衡度調(diào)整等。

　　1．1 I2C總線控制設(shè)計

　　I2C總線是Philip公司發(fā)明的一種高性能芯片間同步傳輸總線，僅需要串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL兩根信號線就實現(xiàn)了雙向同步數(shù)據(jù)傳輸，能非常方便地構(gòu)成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的有效傳送是在時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘為低電平時數(shù)據(jù)才允許變化。該設(shè)計采用的I2C通過數(shù)據(jù)線傳送的每個字節(jié)必須是8位的，每一字節(jié)之后必須緊跟一個應(yīng)答位，字節(jié)的最高位最先傳送。

　　音頻處理器芯片接收I2C總線發(fā)送的字節(jié)，首先識別地址位，在地址位有效的情況下識別控制位，再根據(jù)控制位的指令完成通道選擇、音量調(diào)節(jié)、高低音調(diào)節(jié)、輸出通道平衡度等音效處理的控制功能。

　　1．2 輸入通道選擇設(shè)計

　　在音頻系統(tǒng)中往往有許多獨立的音源必須通過音響處理，如在汽車音響系統(tǒng)中，來至收音機、CD、MP3、TV等的不同聲音都需要通過音響處理音效，這就要求高性能的音頻處理器能夠在不同音源之間完成切換。該設(shè)計音頻處理器采用I2C總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)控制指令，完成不同音源之間的切換；主要原理圖如圖3所示。微處理(MCU)通過I2C總線向音頻處理芯片發(fā)送控制數(shù)據(jù)。音頻處理器芯片接收I2C總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過譯碼電路控制選擇的音源通道開關(guān)的開與關(guān)，實現(xiàn)輸入通道選擇的功能。同時根據(jù)控制字調(diào)節(jié)電阻大小決定放大器的放大倍數(shù)決定音頻信號的幅度大小。

　　1．3 音量控制設(shè)計

　　在音頻處理器中，音量的調(diào)節(jié)是最基本的功能。實現(xiàn)I2C總線控制的數(shù)字式音量調(diào)節(jié)的主要原理如圖4所示。

　　當(dāng)控制字譯碼后打開開關(guān)SK，此時的取樣電阻值為RX，總衰減電阻為Rall，則輸出信號與輸入信號的電壓關(guān)系為AV=Vout／VIN=RX／Rall；微處理器通過發(fā)送不同的控制值控制不同的開關(guān)導(dǎo)通實現(xiàn)不同的電壓增益，實現(xiàn)最終的音量調(diào)節(jié)的目的。

　　1．4 高、低音頻率響應(yīng)電路設(shè)計

　　高性能音頻處理器要求對不同頻率的音頻信號有不同的頻率響應(yīng)；尤其是高音和低音要求有不同的頻率處理電路完成音效處理功能。文獻(xiàn)[6]給出了基于兩個運放單元的高、低音處理電路原理；但這種設(shè)計左右聲道的高、低音處理電路中就必須包含4個運放單元，很大程度上增加了版圖面積和芯片成本。在此采用交叉開關(guān)對實現(xiàn)了運放復(fù)用的功能，只利用一個運放單元就實現(xiàn)了信號的放大和衰減，很大程度地降低了芯片成本。

　　低音部分的頻率處理電路主要原理如圖5所示，主要通過有源運算放大器外接二階R，C帶通濾波器來實現(xiàn)。當(dāng)需要對低音信號進(jìn)行衰減時，打開圖5所示 AV<0的開關(guān)對，此時的等效電路如圖6(a)所示，通過運放緩沖驅(qū)動無源濾波器；當(dāng)需要對音頻信號衰減時，打開圖5所示AV>0的開關(guān)對，此時的等效電路如圖6(b)所示，交換了濾波器的輸入／輸出。

　　無源濾波器由內(nèi)部的電阻陣列、外接電容電阻組成，電路原理圖如圖7所示。

　　對節(jié)點VA，VX分別列節(jié)點電流方程得：

　　根據(jù)濾波器輸入／輸出的節(jié)點關(guān)系：

把式(1)代入式(2)整理得到輸入／輸出的傳輸函數(shù)：

　　根據(jù)式(3)的濾波器傳輸函數(shù)可知，通過外接電阻電容值的選取可實現(xiàn)低音峰值頻率的設(shè)定；內(nèi)部的分壓電阻在I2C總線控制譯碼的作用下，選擇不同的分壓比例實現(xiàn)不同的電壓增益；最上端的開關(guān)對通過調(diào)節(jié)交換濾波器的輸入／輸出，實現(xiàn)對輸入的音頻信號增強和衰減。

　　高音部分的頻率處理電路主要原理如圖8所示，主要通過內(nèi)部有源運算放大器、交叉開關(guān)對、增益控制電阻、外接串連R，C實現(xiàn)高音部分音頻信號的頻率響應(yīng)。采用低音控制電路的分析方法可見，上述的開關(guān)對實現(xiàn)了高音信號的衰減和增強的目的。

?

　高音處理的濾波器由內(nèi)部電阻陣列、外接電阻、外接電容組成，電路原理圖如圖9所示。

　　由阻抗分壓特性可知濾波器的傳輸函數(shù)：

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　　由傳輸函數(shù)(4)可知：外接的串連分立電阻電容可實現(xiàn)高音峰值頻率的設(shè)定；內(nèi)部分壓電阻在I2C總線控制譯碼的作用下控制不同的開關(guān)導(dǎo)通，實現(xiàn)不同的分壓比例決定信號的增益大小；最上端的交叉開關(guān)對通過改變?yōu)V波器的輸入和輸出，調(diào)節(jié)整個電路模塊對音頻信號的增強還是衰減。

　　1．5 輸出通道平衡度調(diào)整設(shè)計

　　高性能的音頻處理器要求多聲道輸出驅(qū)動不同的音響系統(tǒng)實現(xiàn)立體聲效果，這里音頻處理器實現(xiàn)了4路獨立的音頻信號輸出，可驅(qū)動4個不同的音響，且不同支路的音頻信號在I2C總線控制下實現(xiàn)不同的衰減處理，達(dá)到實現(xiàn)調(diào)整通道之間的平衡度的目的。由結(jié)構(gòu)框圖(圖2)所示，將這四路音頻輸出通路分別稱為右前置、右后置、左前置、左后置等。

　　2 版圖設(shè)計和測試結(jié)果

　　2．1 版圖設(shè)計

　　這里設(shè)計的音頻處理器芯片采用CMOS工藝實現(xiàn)了低功耗、高性能、低失真度等特點，采用CANDENCE的版圖繪制工具完成了版圖設(shè)計，整個版圖如圖10所示。在版圖設(shè)計中要考慮左右聲道的音頻信號間的隔離減少聲道之間的串繞影響；同時注意音頻信號線同I2C控制線之間的隔離，避免在不同的控制模式下產(chǎn)生噪聲干擾；最后在優(yōu)化性能的同時盡量優(yōu)化版圖面積減少芯片的成本。

　　2．2 測試結(jié)果

　　這里設(shè)計的音頻處理器電路經(jīng)流片、封裝、測試各項指標(biāo)完成且達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。

　　測試說明：

　　(1)增益控制的測量；通過微處理器向電路發(fā)送不同的I2C控制命令，在音頻輸入端加頻率為1 kHz、峰峰值為100 mV的正弦信號，在不同的控制制下測試輸出節(jié)點的信號波形峰峰值，利用峰峰值計算各級的增益，得到表1的測試結(jié)果。

　　(2)高低音頻率響應(yīng)的測試；通過微處理發(fā)送命令使得音頻電路處于高低音控制模式，通過改變輸入信號的頻率，峰峰值設(shè)定為100 mV的正弦信號，在不同增益控制級別下測試不同頻率信號下的輸出信號峰峰值，進(jìn)而計算該頻率和增益級別下的增益。利用測試得到的數(shù)據(jù)繪制頻率響應(yīng)曲線如圖 11所示。

　　3 結(jié) 語

　　在此詳細(xì)分析了高性能音頻處理器的功能要求．根據(jù)各功能要求設(shè)計了實現(xiàn)各功能要求的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計實現(xiàn)了一款應(yīng)用于汽車音響及家用娛樂音響系統(tǒng)的音頻處理器芯片，該芯片極高的性價比使其具有廣闊的市場空間。