基于I2C總線控制的音頻處理電路設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)音頻處理提供了控制接口，可以通過(guò)控制接口實(shí)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(gè)音響系統(tǒng)質(zhì)量，設(shè)計(jì)高性能的音頻處理電路是該文的核心部分。
    該設(shè)計(jì)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(jī)、彩電、家庭組合音響系統(tǒng)。

1 電路模塊的設(shè)計(jì)
    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(jì)和功率放大器的設(shè)計(jì)往往是利用不同的芯片來(lái)完成的。

    根據(jù)高保真立體聲高級(jí)音響系統(tǒng)對(duì)音頻處理電路的要求．該文設(shè)計(jì)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(duì)四路獨(dú)立的立體聲輸入信號(hào)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(jì)
    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(shí)鐘線SCL兩根信號(hào)線就實(shí)現(xiàn)了雙向同步數(shù)據(jù)傳輸，能非常方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的有效傳送是在時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘為低電平時(shí)數(shù)據(jù)才允許變化。該設(shè)計(jì)采用的I2C通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送的每個(gè)字節(jié)必須是8位的，每一字節(jié)之后必須緊跟一個(gè)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(shí)別地址位，在地址位有效的情況下識(shí)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(jì)
    在音頻系統(tǒng)中往往有許多獨(dú)立的音源必須通過(guò)音響處理，如在汽車音響系統(tǒng)中，來(lái)至收音機(jī)、CD、MP3、TV等的不同聲音都需要通過(guò)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(jì)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(guò)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(guò)譯碼電路控制選擇的音源通道開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)，實(shí)現(xiàn)輸入通道選擇的功能。同時(shí)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(hào)的幅度大小。

1．3 音量控制設(shè)計(jì)
    在音頻處理器中，音量的調(diào)節(jié)是最基本的功能。實(shí)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(kāi)開(kāi)關(guān)SK，此時(shí)的取樣電阻值為RX，總衰減電阻為Rall，則輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的電壓關(guān)系為AV=Vout／VIN=RX／Rall；微處理器通過(guò)發(fā)送不同的控制值控制不同的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)不同的電壓增益，實(shí)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(jì)
    高性能音頻處理器要求對(duì)不同頻率的音頻信號(hào)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(gè)運(yùn)放單元的高、低音處理電路原理；但這種設(shè)計(jì)左右聲道的高、低音處理電路中就必須包含4個(gè)運(yùn)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(kāi)關(guān)對(duì)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)放復(fù)用的功能，只利用一個(gè)運(yùn)放單元就實(shí)現(xiàn)了信號(hào)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(guò)有源運(yùn)算放大器外接二階R，C帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要對(duì)低音信號(hào)進(jìn)行衰減時(shí)，打開(kāi)圖5所示AV<0的開(kāi)關(guān)對(duì)，此時(shí)的等效電路如圖6(a)所示，通過(guò)運(yùn)放緩沖驅(qū)動(dòng)無(wú)源濾波器；當(dāng)需要對(duì)音頻信號(hào)衰減時(shí)，打開(kāi)圖5所示AV>0的開(kāi)關(guān)對(duì)，此時(shí)的等效電路如圖6(b)所示，交換了濾波器的輸入／輸出。

    無(wú)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(duì)節(jié)點(diǎn)VA，VX分別列節(jié)點(diǎn)電流方程得：

    根據(jù)濾波器輸入／輸出的節(jié)點(diǎn)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(guò)外接電阻電容值的選取可實(shí)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(shí)現(xiàn)不同的電壓增益；最上端的開(kāi)關(guān)對(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)交換濾波器的輸入／輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的音頻信號(hào)增強(qiáng)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(guò)內(nèi)部有源運(yùn)算放大器、交叉開(kāi)關(guān)對(duì)、增益控制電阻、外接串連R，C實(shí)現(xiàn)高音部分音頻信號(hào)的頻率響應(yīng)。采用低音控制電路的分析方法可見(jiàn)，上述的開(kāi)關(guān)對(duì)實(shí)現(xiàn)了高音信號(hào)的衰減和增強(qiáng)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)：
   
式中：
    由傳輸函數(shù)(4)可知：外接的串連分立電阻電容可實(shí)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)不同的分壓比例決定信號(hào)的增益大小；最上端的交叉開(kāi)關(guān)對(duì)通過(guò)改變?yōu)V波器的輸入和輸出，調(diào)節(jié)整個(gè)電路模塊對(duì)音頻信號(hào)的增強(qiáng)還是衰減。
1．5 輸出通道平衡度調(diào)整設(shè)計(jì)
    高性能的音頻處理器要求多聲道輸出驅(qū)動(dòng)不同的音響系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體聲效果，這里音頻處理器實(shí)現(xiàn)了4路獨(dú)立的音頻信號(hào)輸出，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)不同的音響，且不同支路的音頻信號(hào)在I2C總線控制下實(shí)現(xiàn)不同的衰減處理，達(dá)到實(shí)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(jì)和測(cè)試結(jié)果
2．1 版圖設(shè)計(jì)
    這里設(shè)計(jì)的音頻處理器芯片采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了低功耗、高性能、低失真度等特點(diǎn)，采用CANDENCE的版圖繪制工具完成了版圖設(shè)計(jì)，整個(gè)版圖如圖10所示。在版圖設(shè)計(jì)中要考慮左右聲道的音頻信號(hào)間的隔離減少聲道之間的串繞影響；同時(shí)注意音頻信號(hào)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(shí)盡量?jī)?yōu)化版圖面積減少芯片的成本。

2．2 測(cè)試結(jié)果
    這里設(shè)計(jì)的音頻處理器電路經(jīng)流片、封裝、測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)完成且達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。
    測(cè)試說(shuō)明：
    (1)增益控制的測(cè)量；通過(guò)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(hào)，在不同的控制制下測(cè)試輸出節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形峰峰值，利用峰峰值計(jì)算各級(jí)的增益，得到表1的測(cè)試結(jié)果。

    (2)高低音頻率響應(yīng)的測(cè)試；通過(guò)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(guò)改變輸入信號(hào)的頻率，峰峰值設(shè)定為100 mV的正弦信號(hào)，在不同增益控制級(jí)別下測(cè)試不同頻率信號(hào)下的輸出信號(hào)峰峰值，進(jìn)而計(jì)算該頻率和增益級(jí)別下的增益。利用測(cè)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(yǔ)
    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(jì)了實(shí)現(xiàn)各功能要求的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款應(yīng)用于汽車音響及家用娛樂(lè)音響系統(tǒng)的音頻處理器芯片，該芯片極高的性價(jià)比使其具有廣闊的市場(chǎng)空間。