一種大功率數字音頻系統設計

摘要：音頻編解碼芯片WM8731因其高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)在很多音頻產(chǎn)品中得到了廣泛應用。本文提出了WM8731與FPGA的音頻編解碼系統，并嵌入大功率D類(lèi)功放技術(shù)作為音頻系統的功率放大應用，使得本系統效率高，體積小，音質(zhì)高，性能顯著(zhù)。

隨著(zhù)FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，大規模集成可編程邏輯陣列越來(lái)越普遍。在現代電子技術(shù)領(lǐng)域表現出明顯技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。本文為一個(gè)基于FPGA技術(shù)的嵌入式數字音頻編解碼系統的設計方案，極大地提高了系統的集成度和穩定性，同時(shí)降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，提高了系統設計效率。另外功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應用，特別是半導體技術(shù)的進(jìn)步，使功率放大電路向模塊化、小型化、集成化的方向不斷發(fā)展。D類(lèi)功放屬于非線(xiàn)性功率放大器，功率損耗小，其效率可達90%以上，這種高效的數字功放技術(shù)的應用顯著(zhù)提高了音頻系統設備的音響性能。

1 系統方案

1. 1 音頻編解碼芯片WM8731

WM8731是集成耳機驅動(dòng)器的低功耗立體聲音頻編解碼芯片，專(zhuān)業(yè)設計應用于便攜式MP3音頻、語(yǔ)音記錄器、CD_RW設備和DAT記錄儀。支持立體聲線(xiàn)路和單聲道麥克風(fēng)音頻輸入，伴有靜音功能，線(xiàn)路輸入音量可編程調節，麥克風(fēng)輸入的偏置電壓很適合電子式麥克風(fēng)應用，內置高精度24位Sigma delta ADC，支持數字音頻信號輸入長(cháng)度為16位～32位，采樣頻率從8 kHz～96 kHz。立體聲輸出部分的緩沖器驅動(dòng)器可調節音量后驅動(dòng)耳機設備，線(xiàn)路輸出具有靜音功能，有上下電保護電路?？刂平涌谑?或3線(xiàn)可選的并行接口，可實(shí)現各種功能的控制和管理，如音量調節，大范圍的電源管理等。其結構框圖如圖1：

WM8731基于FPGA的接口電路的設計，包括芯片配置模塊與音頻數據接口模塊，基于FPGA的驅動(dòng)模塊，將WM8731的控制接口與數字音頻接口轉換為FPGA控制器通用的總線(xiàn)接口，控制器只通過(guò)寄存器就可以對WM8731芯片進(jìn)行控制管理及應用，設計模塊以Verilog HDL語(yǔ)言在QuartusⅡ里實(shí)現并進(jìn)行了驗證。

1. 2 WM8731芯片的FPGA驅動(dòng)設計方案

本文所設計的驅動(dòng)器內部結構框圖如圖2所示?？刂撇糠职寗?dòng)器與控制器之間的接口，總線(xiàn)信號有數據總線(xiàn)信號、地址總線(xiàn)信號和控制信號，并產(chǎn)生控制字轉換單元和數字音頻接口單元的控制信號;內部寄存器緩存控制字和狀態(tài)字;控制字轉化單元負責將控制字信號串行發(fā)送至WM8731的內部控制接口并校驗控制信號;數據昔頻接口單元完成WM8731與外部存儲器的接口轉換對接，實(shí)現對數字音頻信號的雙工傳輸功能。外部存儲器和驅動(dòng)器都連接了控制器的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，控制模塊可以實(shí)現WM8731芯片的控制及數據處理功能。

1. 3 D類(lèi)功放模塊

D類(lèi)功放的工作原理為：基于Nyquist采樣定理，對音頻信號源采用脈寬調制(PWM)方式進(jìn)行采樣變換，變換所產(chǎn)生的數字信號的脈寬與對應采樣點(diǎn)原始信號的幅值按一定關(guān)系變化，再以此數字信號來(lái)驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)晶體管MOSFET輸出大功率的波形相對應的數字信號，然后經(jīng)低通濾波器LPF還原出功率放大后的音頻模擬信號。本文設計的功放模塊效率高達96%，失真(THD+N)0.005%，具有多重專(zhuān)業(yè)保護：過(guò)流保護(OCP)、過(guò)壓保護(OVP)、欠壓保護(UVP)、直流輸出保護(DCP)、過(guò)溫保護(OTP)。模塊輸入電源范圍大和負載阻抗匹配方便，最大功率可選，便于系統擴展應用及兼容升級。本系統功放模塊結構框圖如圖3所示。

2 系統方案設計

應用FPGA設計I2C控制器控制WM8731音頻芯片，Vrilog-HDL語(yǔ)言描述邏輯及時(shí)序，構建音頻編解碼數字音頻信號處理及控制單元，完美地應用于本數字音頻系統，數字音頻信號單元輸出的音頻信號再輸入到大功率數字功放模塊，實(shí)現音頻信號的高保真功率放大，最后功率放大器推動(dòng)揚聲器組發(fā)出聲音。系統各部分均為模塊化設計，結構清晰，安裝調試簡(jiǎn)便，也容易擴展，因此，可以應用在各種需要大功率音頻輸出設備的場(chǎng)合，系統結構框圖如圖4所示。

如圖所示，系統中人機界面操作便捷，FPGA能實(shí)時(shí)高速采集和處理信號，音頻單元輸出高保真語(yǔ)音信號，大功率功放具有效率高，體積小，線(xiàn)性諧波失真率低等特點(diǎn)。系統整體便攜間質(zhì)效果突出，很適用于車(chē)載音響、城市車(chē)載防空警報、消防警報、移動(dòng)廣播等系統設備中。

3 結論

本文使用FPGA可編程邏輯技術(shù)對音頻編解碼芯片WM8731進(jìn)行數據及控制接口的設計，實(shí)現了控制接口與數字音頻接口的統一控制，簡(jiǎn)化了WM8731的使用步驟，具有擴展性好、使用方便、易于升級等優(yōu)點(diǎn)，另外系統采用大功率數字功放，具有效率高、音質(zhì)好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。所以嵌入D類(lèi)功放模塊使系統性能得到很大提高，體現在外形結構小巧，音響效果顯著(zhù)提高，從而能提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競爭力。