一種新型音頻功放數(shù)字電調(diào)諧的ASIC實(shí)現(xiàn)
[導(dǎo)讀]本文介紹了一種新型具有數(shù)字音量調(diào)節(jié)功能音頻功放的工作原理和設(shè)計(jì)方法,并將設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際電路中,獲得了很好的效果. 采用按鍵式音量控制器操作方便,大幅降低了與此相關(guān)的軟件成本,應(yīng)用前景廣闊.
摘 要:本文介紹了一種新型具有數(shù)字音量調(diào)節(jié)功能音頻功放的工作原理和設(shè)計(jì)方法,并將設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際電路中,獲得了很好的效果. 采用按鍵式音量控制器操作方便,大幅降低了與此相關(guān)的軟件成本,應(yīng)用前景廣闊.
關(guān)鍵詞:音量電調(diào)諧；數(shù)字控制電路；電阻網(wǎng)絡(luò)；SPECTRE仿真
音頻功放電路在實(shí)際應(yīng)用中都要涉及到音量的電調(diào)諧問題,而通過調(diào)節(jié)放大電路的增益來控制音頻放大電路的音量是比較有效的,目前應(yīng)用比較多的有以下2 種實(shí)現(xiàn)方法: 1)模擬控制方法,這種方法一般是在面板上放置電阻器,通過手動調(diào)節(jié)其大小來改變放大器增益. 這種方法的缺點(diǎn)是接觸表面易磨損,導(dǎo)致接觸不良,帶來比較大的噪聲;電阻調(diào)節(jié)大小也不容易精確控制;由于是外接電阻,需要較長的引線,也會帶來聲音的串?dāng)_. 2)通過D /A轉(zhuǎn)換和電流電壓變化器來實(shí)現(xiàn), 這種方法電阻調(diào)解是比較平滑的,但不符合人的聽覺習(xí)慣,增益的大小不是按指數(shù)變化的,所以也存在音量控制不平滑的缺點(diǎn). 本設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制方法來實(shí)現(xiàn)音量的調(diào)諧,直接將控制電路集成在音頻電路中,節(jié)省了電路的面積,而且也可以精確控制音量.
1 工作原理和電路設(shè)計(jì)
這種方法是用變阻器控制音頻放大電路的增益并由此來實(shí)現(xiàn)音量的調(diào)節(jié),而變阻器由數(shù)字電路來調(diào)節(jié).
功放的增益是由反饋電阻與輸入電阻的比值決定的(如圖1). 因此,要調(diào)節(jié)功放增益的大小,只需調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻Rf 和Ri 的比值就可以了.
圖1 音頻放大電路
電阻調(diào)節(jié)的檔次和檔次間變化的大小可根據(jù)實(shí)際需要來確定,原理都是一致的. 在我們設(shè)計(jì)中,音量在- 33dB ～12dB 之間進(jìn)行調(diào)節(jié),每次調(diào)節(jié)3dB,分16個(gè)檔. 要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就要有17個(gè)對應(yīng)的電阻組成電阻網(wǎng)路,簡單原理圖如圖2.這樣,選取合適的電阻值,利用控制開關(guān)S-33～S12就可以并控制音量了.
圖2 實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)的電阻網(wǎng)路原理圖
1. 1 電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中,分壓電阻的選取是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵. 人的聽覺響應(yīng)隨聲強(qiáng)的變化不是線性的,而是接近于對數(shù)式,當(dāng)人感覺到聲音增加1倍時(shí),實(shí)際上聲強(qiáng)已經(jīng)增加了10倍. 所以在這里不能簡單的利用等值的方法來選取,而是利用分貝( dB)數(shù)來取值. 下面給出電阻選取方法,這里設(shè)總電阻為R.
總結(jié)以上規(guī)律,可得到通項(xiàng)公式:
這樣就可以根據(jù)實(shí)際工藝條件和精度要求來選擇合適的電阻值. 我們在設(shè)計(jì)中采用的是注入電阻,將最終的調(diào)節(jié)精度誤差控制在10%以內(nèi).
1. 2 電阻控制電路的工作原理及其ASIC設(shè)計(jì)
電阻Ri 和Rf 控制電路的結(jié)構(gòu)主要分為POWER RESET電路,計(jì)數(shù)電路,譯碼電路,模擬開關(guān)電路等幾部分. 上電以后利用對電容充放電的控制, 由POWER RESET電路在電源達(dá)到某一電平時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號給后面的D觸發(fā)器復(fù)位,并最終使增益復(fù)位為1,對應(yīng)的音量為0dB,此時(shí)輸出與輸入幅值相同. 音量的增大和減小是由2個(gè)輸入信號CLOCK和UP/DOWN 來控制的, CLOCK一直為低電平或高電平時(shí)增益不發(fā)生變化,音量保持原值;當(dāng)CLOCK上升沿的時(shí)候采集UP/DOWN狀態(tài)如果為高,計(jì)數(shù)器“加1”,通過后面的4 -16譯碼器選通模擬開關(guān)的控制端S-33～S12中的一個(gè), S-33～S12分別連接不同阻值的電阻R1 ～R17的端點(diǎn). 反饋電阻Rf 增加、負(fù)向輸入電阻Ri 減小, 放大器增益增大,音量變大. 音量減小的控制方法正好和此相反.
電路實(shí)際設(shè)計(jì)中, 在復(fù)位后COUNTER 模塊在CLOCK、UP/DOWN信號的控制下,實(shí)現(xiàn)“加1” 或“減1”的功能提供給后面的譯碼電路,并通過后面4 - 16譯碼后為16個(gè)開關(guān)提供輸入控制,模擬開關(guān)( S-33 ～S12)是由16個(gè)傳輸門構(gòu)成的. 為降低非工作狀態(tài)下無用的功率消耗,電路中還加入了SHARTDOWN模塊. 由以上原理設(shè)計(jì)出具體實(shí)現(xiàn)電路,電路的功能框圖如圖3所示:
圖3 電阻控制電路的功能框圖
2 仿真和實(shí)際應(yīng)用
應(yīng)用SPECTRE仿真器對采用了數(shù)字音量調(diào)諧電路的音頻功放仿真,加入一個(gè)幅值為1 V,頻率為1kHz的正弦激勵信號,并調(diào)節(jié)CLOCK和UP /DOWN,得到圖4所示的曲線.
圖4 音頻功放仿真結(jié)果
從仿真結(jié)果得到的曲線我們可以看出,這種帶數(shù)字電調(diào)諧音頻電路在復(fù)位后能夠?qū)崿F(xiàn)音量的16檔指數(shù)調(diào)節(jié),而且如果在音量增大的過程中檢測到已經(jīng)達(dá)到最大值或減小的過程中檢測到已經(jīng)達(dá)到最小值,能夠保持. 實(shí)際設(shè)計(jì)中控制SHART2DOWN電流在0. 3μA以內(nèi). 采用這種方法設(shè)計(jì)的音量調(diào)節(jié)器不僅僅可以應(yīng)用在音頻放大電路芯片的設(shè)計(jì)中,也可以用在其他需要變阻器的地方.
關(guān)鍵詞:音量電調(diào)諧；數(shù)字控制電路；電阻網(wǎng)絡(luò)；SPECTRE仿真
音頻功放電路在實(shí)際應(yīng)用中都要涉及到音量的電調(diào)諧問題,而通過調(diào)節(jié)放大電路的增益來控制音頻放大電路的音量是比較有效的,目前應(yīng)用比較多的有以下2 種實(shí)現(xiàn)方法: 1)模擬控制方法,這種方法一般是在面板上放置電阻器,通過手動調(diào)節(jié)其大小來改變放大器增益. 這種方法的缺點(diǎn)是接觸表面易磨損,導(dǎo)致接觸不良,帶來比較大的噪聲;電阻調(diào)節(jié)大小也不容易精確控制;由于是外接電阻,需要較長的引線,也會帶來聲音的串?dāng)_. 2)通過D /A轉(zhuǎn)換和電流電壓變化器來實(shí)現(xiàn), 這種方法電阻調(diào)解是比較平滑的,但不符合人的聽覺習(xí)慣,增益的大小不是按指數(shù)變化的,所以也存在音量控制不平滑的缺點(diǎn). 本設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制方法來實(shí)現(xiàn)音量的調(diào)諧,直接將控制電路集成在音頻電路中,節(jié)省了電路的面積,而且也可以精確控制音量.
1 工作原理和電路設(shè)計(jì)
這種方法是用變阻器控制音頻放大電路的增益并由此來實(shí)現(xiàn)音量的調(diào)節(jié),而變阻器由數(shù)字電路來調(diào)節(jié).
功放的增益是由反饋電阻與輸入電阻的比值決定的(如圖1). 因此,要調(diào)節(jié)功放增益的大小,只需調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻Rf 和Ri 的比值就可以了.
圖1 音頻放大電路
電阻調(diào)節(jié)的檔次和檔次間變化的大小可根據(jù)實(shí)際需要來確定,原理都是一致的. 在我們設(shè)計(jì)中,音量在- 33dB ～12dB 之間進(jìn)行調(diào)節(jié),每次調(diào)節(jié)3dB,分16個(gè)檔. 要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就要有17個(gè)對應(yīng)的電阻組成電阻網(wǎng)路,簡單原理圖如圖2.這樣,選取合適的電阻值,利用控制開關(guān)S-33～S12就可以并控制音量了.
圖2 實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)的電阻網(wǎng)路原理圖
1. 1 電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中,分壓電阻的選取是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵. 人的聽覺響應(yīng)隨聲強(qiáng)的變化不是線性的,而是接近于對數(shù)式,當(dāng)人感覺到聲音增加1倍時(shí),實(shí)際上聲強(qiáng)已經(jīng)增加了10倍. 所以在這里不能簡單的利用等值的方法來選取,而是利用分貝( dB)數(shù)來取值. 下面給出電阻選取方法,這里設(shè)總電阻為R.
總結(jié)以上規(guī)律,可得到通項(xiàng)公式:
這樣就可以根據(jù)實(shí)際工藝條件和精度要求來選擇合適的電阻值. 我們在設(shè)計(jì)中采用的是注入電阻,將最終的調(diào)節(jié)精度誤差控制在10%以內(nèi).
1. 2 電阻控制電路的工作原理及其ASIC設(shè)計(jì)
電阻Ri 和Rf 控制電路的結(jié)構(gòu)主要分為POWER RESET電路,計(jì)數(shù)電路,譯碼電路,模擬開關(guān)電路等幾部分. 上電以后利用對電容充放電的控制, 由POWER RESET電路在電源達(dá)到某一電平時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號給后面的D觸發(fā)器復(fù)位,并最終使增益復(fù)位為1,對應(yīng)的音量為0dB,此時(shí)輸出與輸入幅值相同. 音量的增大和減小是由2個(gè)輸入信號CLOCK和UP/DOWN 來控制的, CLOCK一直為低電平或高電平時(shí)增益不發(fā)生變化,音量保持原值;當(dāng)CLOCK上升沿的時(shí)候采集UP/DOWN狀態(tài)如果為高,計(jì)數(shù)器“加1”,通過后面的4 -16譯碼器選通模擬開關(guān)的控制端S-33～S12中的一個(gè), S-33～S12分別連接不同阻值的電阻R1 ～R17的端點(diǎn). 反饋電阻Rf 增加、負(fù)向輸入電阻Ri 減小, 放大器增益增大,音量變大. 音量減小的控制方法正好和此相反.
電路實(shí)際設(shè)計(jì)中, 在復(fù)位后COUNTER 模塊在CLOCK、UP/DOWN信號的控制下,實(shí)現(xiàn)“加1” 或“減1”的功能提供給后面的譯碼電路,并通過后面4 - 16譯碼后為16個(gè)開關(guān)提供輸入控制,模擬開關(guān)( S-33 ～S12)是由16個(gè)傳輸門構(gòu)成的. 為降低非工作狀態(tài)下無用的功率消耗,電路中還加入了SHARTDOWN模塊. 由以上原理設(shè)計(jì)出具體實(shí)現(xiàn)電路,電路的功能框圖如圖3所示:
圖3 電阻控制電路的功能框圖
2 仿真和實(shí)際應(yīng)用
應(yīng)用SPECTRE仿真器對采用了數(shù)字音量調(diào)諧電路的音頻功放仿真,加入一個(gè)幅值為1 V,頻率為1kHz的正弦激勵信號,并調(diào)節(jié)CLOCK和UP /DOWN,得到圖4所示的曲線.
圖4 音頻功放仿真結(jié)果
從仿真結(jié)果得到的曲線我們可以看出,這種帶數(shù)字電調(diào)諧音頻電路在復(fù)位后能夠?qū)崿F(xiàn)音量的16檔指數(shù)調(diào)節(jié),而且如果在音量增大的過程中檢測到已經(jīng)達(dá)到最大值或減小的過程中檢測到已經(jīng)達(dá)到最小值,能夠保持. 實(shí)際設(shè)計(jì)中控制SHART2DOWN電流在0. 3μA以內(nèi). 采用這種方法設(shè)計(jì)的音量調(diào)節(jié)器不僅僅可以應(yīng)用在音頻放大電路芯片的設(shè)計(jì)中,也可以用在其他需要變阻器的地方.
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