基于I2C總線(xiàn)控制的音頻處理電路設計

1 電路模塊的設計
高保真音響系統的系統結構圖如圖1所示．其中音頻處理電路的設計和功率放大器的設計往往是利用不同的芯片來(lái)完成的。

根據高保真立體聲高級音響系統對音頻處理電路的要求．該文設計的高性能音頻處理電路的主要結構框圖如圖2所示。音頻處理器可在I2C總線(xiàn)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整等。
1．1 I2C總線(xiàn)控制設計
I2C總線(xiàn)是Philip公司發(fā)明的一種高性能芯片間同步傳輸總線(xiàn)，僅需要串行數據線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL兩根信號線(xiàn)就實(shí)現了雙向同步數據傳輸，能非常方便地構成多機系統和外圍器件擴展系統。數據的有效傳送是在時(shí)鐘線(xiàn)為高電平時(shí)，數據線(xiàn)上的數據必須保持穩定，只有在時(shí)鐘為低電平時(shí)數據才允許變化。該設計采用的I2C通過(guò)數據線(xiàn)傳送的每個(gè)字節必須是8位的，每一字節之后必須緊跟一個(gè)應答位，字節的最高位最先傳送。
音頻處理器芯片接收I2C總線(xiàn)發(fā)送的字節，首先識別地址位，在地址位有效的情況下識別控制位，再根據控制位的指令完成通道選擇、音量調節、高低音調節、輸出通道平衡度等音效處理的控制功能。
1．2 輸入通道選擇設計
在音頻系統中往往有許多獨立的音源必須通過(guò)音響處理，如在汽車(chē)音響系統中，來(lái)至收音機、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。該設計音頻處理器采用I2C總線(xiàn)傳輸的數據控制指令，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(xiàn)向音頻處理芯片發(fā)送控制數據。音頻處理器芯片接收I2C總線(xiàn)傳輸的數據，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)現輸入通道選擇的功能。同時(shí)根據控制字調節電阻大小決定放大器的放大倍數決定音頻信號的幅度大小。

1．3 音量控制設計
在音頻處理器中，音量的調節是最基本的功能。實(shí)現I2C總線(xiàn)控制的數字式音量調節的主要原理如圖4所示。

當控制字譯碼后打開(kāi)開(kāi)關(guān)SK，此時(shí)的取樣電阻值為RX，總衰減電阻為Rall，則輸出信號與輸入信號的電壓關(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)導通實(shí)現不同的電壓增益，實(shí)現最終的音量調節的目的。
1．4 高、低音頻率響應電路設計
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；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[6]給出了基于兩個(gè)運放單元的高、低音處理電路原理；但這種設計左右聲道的高、低音處理電路中就必須包含4個(gè)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(kāi)關(guān)對實(shí)現了運放復用的功能，只利用一個(gè)運放單元就實(shí)現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(guò)有源運算放大器外接二階R，C帶通濾波器來(lái)實(shí)現。當需要對低音信號進(jìn)行衰減時(shí)，打開(kāi)圖5所示AV0的開(kāi)關(guān)對，此時(shí)的等效電路如圖6(a)所示，通過(guò)運放緩沖驅動(dòng)無(wú)源濾波器；當需要對音頻信號衰減時(shí)，打開(kāi)圖5所示AV>0的開(kāi)關(guān)對，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。