基于PGA2311音頻控制芯片的音頻增益自動(dòng)控制系統

引言

音頻接收設備已經(jīng)是日常生活、學(xué)習、工作中不可缺少的工具，但是在使用過(guò)程中由于某些原因，如切換頻道、播放廣告等，信號輸出時(shí)會(huì )出現音量大小不一的情況，嚴重影響用戶(hù)的收聽(tīng)效果。產(chǎn)生這種音量相差較大的主要原因是音頻信號輸入的幅度不一致，解決辦法就是進(jìn)行增益控制。

最早的增益控制是模擬電路檢測控制，但模擬電路設計相對繁瑣，且難以實(shí)現較寬范圍的增益控制，因此隨著(zhù)數字信號處理器件(DSP)的發(fā)展，采用DSP進(jìn)行增益控制成為主流。起初數字器件處理的一般方法是大的信號減小增益，小的信號不處理?，F在也有對小信號進(jìn)行放大的方法，但由于擔心在沒(méi)有信號輸入的情況下增益調整太大，會(huì )使背景噪聲也加大，因此增益調整范圍不大，不能達到理想的控制效果。另外，基本都是對輸入信號進(jìn)行檢測，即前饋控制，對輸出信號不進(jìn)行檢測，這樣在輸人時(shí)若增益較大，輸出會(huì )被限幅，影響收聽(tīng)效果。且DSP方案成本相對較高。本方案采用成本低的單片機為處理核心，通過(guò)簡(jiǎn)單的增益控制算法完成增益自動(dòng)控制。

1 系統硬件設計

如圖1所示，整個(gè)系統以音頻信號的采集處理為核心進(jìn)行設計。音頻控制芯片PGA2311兩邊的音頻信號輸入和輸出端，經(jīng)放大器TL084電平搬移后送到MSP430F149的A／D口進(jìn)行采樣(對信號輸入／輸出端都進(jìn)行檢測目的是解決在輸入端無(wú)信號情況下增益是否調整的問(wèn)題，同時(shí)避免增益過(guò)大導致輸出端限幅發(fā)生)。采樣數據由軟件算法處理得到增益值，經(jīng)電平變換器74HC245配置到PGA2311。按鍵和數碼管完成輸出電平門(mén)限范圍的設置和顯示。

1．1 主控電路

主控芯片MSP430F149是一款16位、48個(gè)8位并行I／O口、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗(節電模式下最低只有0．1μA)的單片機，其尋址空間共64 KB其中RAM為2KB，給系統開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大的方便。它內置一個(gè)12位A／D轉換器ADC12、采樣保持器和模擬多路器。ADC12具有高速、通用的特點(diǎn)，能夠對8個(gè)外部模擬源和4個(gè)內部參考電源(包括內部溫度傳感器源)進(jìn)行A／D轉換。ADC12還提供多種采樣觸發(fā)方式、轉換時(shí)鐘周期、轉換模式的選擇。

PGA2311是一款雙聲道、可編程增益放大器，與MSP430F149之間通過(guò)SPI總線(xiàn)交互，其增益范圍為+31．5～-95．5 dB。

圖1中MSP430F149是3．3 V供電，而PGA231l是±5 V供電的CMOS器件，因此在I／O邏輯電平匹配時(shí)需要注意，在驅動(dòng)PGA2311時(shí)用電平移位器74HC245達到電平匹配。

1．2 電平搬移電路

由于一般音頻輸出設備音量大小不一且為交流耦合形式，而MSP430F149的A／D采樣電壓范圍是0～2．5 V，為了使被采樣信號與A／D匹配避免削波失真，需要將輸入信號比例放大(或縮小)，并將中心電壓搬移至1．25 V附近。如圖2所示。

2 軟件設計

軟件設計包括按鍵顯示、外設控制、音頻信號處理幾個(gè)部分，重點(diǎn)是音頻信號處理的AGC算法。按鍵顯示響應用戶(hù)設置輸出音量大小并顯示出來(lái)，外設控制主要是對PGA2311進(jìn)行配置。

2．1 AGC算法

AGC算法核心是通過(guò)信號的包絡(luò )信息來(lái)判斷信號的動(dòng)態(tài)范圍是否超過(guò)設置大小，這里需要快速跟蹤包絡(luò )的變化，及時(shí)進(jìn)行增益控制。

以往的AGC算法中乘除法運算對CPU資源的占用較大。這里提出的AGC算法比較簡(jiǎn)單實(shí)用，其流程如圖3所示。具體實(shí)現過(guò)程：從單片機的A／D口，獲得音頻輸入／輸出信號的電平存入數組。數組存儲數據達到門(mén)限比較要求，進(jìn)入峰值比較流程。根據存儲的輸入信號數據，采用冒泡排序的算法找出最大幅值，判斷輸入端是否有信號。如果判定沒(méi)有音頻信號輸入，則增益不調整，防止由于輸出信號太小而一直增大增益，噪聲過(guò)大，或者一旦出現聲音，由于增益過(guò)大而出現短時(shí)間輸出聲音太大。輸入端有信號，則對輸出端進(jìn)行檢測，同樣調用冒泡排序程序找出最大幅值，如發(fā)現輸出信號大小超過(guò)設定門(mén)限，則減小增益，反之則增大增益。在減小增益時(shí)，步進(jìn)要大些，而在增大增益時(shí)步進(jìn)要小些，這樣在增益調整時(shí)輸出的音量使用戶(hù)聽(tīng)覺(jué)上不覺(jué)得難受。

3 實(shí)驗論證

為驗證設計的正確性進(jìn)行實(shí)驗論證。設定輸出電平范圍，由計算機輸入突變的音頻信號，通過(guò)示波器觀(guān)察輸出，如圖4所示。

從圖4中方框所標示的音量突變區域，可以看出輸入音量突然增大后，在500 ms內就將增益調低，保持音量輸出在設定范圍輸出。高音突變低音等實(shí)驗由于調整周期較長(cháng)，這里就不作圖示整個(gè)調整過(guò)程了。

結語(yǔ)

實(shí)驗結果說(shuō)明，該設計增益控制及時(shí)、準確，保持輸出信號電平在設定范圍穩定輸出，且低功耗，實(shí)現簡(jiǎn)單，可移植性強，可以滿(mǎn)足目前用戶(hù)對音頻接收設備音量輸出的要求。