基于I2C總線控制的音頻處理電路設(shè)計

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音響系統(tǒng)質(zhì)量，設(shè)計高性能的音頻處理電路是該文的核心部分。

　　該設(shè)計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

　　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)計和功率放大器的設(shè)計往往是利用不同的芯片來完成的。

高保真音響系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)高保真立體聲高級音響系統(tǒng)對音頻處理電路的要求．該文設(shè)計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總線控制下對四路獨(dú)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(diào)整等。

　　1．1 I2C總線控制設(shè)計

　　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和串行時鐘線SCL兩根信號線就實(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)的有效傳送是在時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘為低電平時數(shù)據(jù)才允許變化。該設(shè)計采用的I2C通過數(shù)據(jù)線傳送的每個字節(jié)必須是8位的，每一字節(jié)之后必須緊跟一個應(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)，首先識別地址位，在地址位有效的情況下識別控制位，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

　　在音頻系統(tǒng)中往往有許多獨(dú)立的音源必須通過音響處理，如在汽車音響系統(tǒng)中，來至收音機(jī)、CD、MP3、TV等的不同聲音都需要通過音響處理音效，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)，通過譯碼電路控制選擇的音源通道開關(guān)的開與關(guān)，實(shí)現(xiàn)輸入通道選擇的功能。同時根據(jù)控制字調(diào)節(jié)電阻大小決定放大器的放大倍數(shù)決定音頻信號的幅度大小。

主要原理圖

　　1．3 音量控制設(shè)計

　　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。

數(shù)字式音量調(diào)節(jié)的主要原理

　　當(dāng)控制字譯碼后打開開關(guān)SK，此時的取樣電阻值為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；微處理器通過發(fā)送不同的控制值控制不同的開關(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

　　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(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]給出了基于兩個運(yùn)放單元的高、低音處理電路原理；但這種設(shè)計左右聲道的高、低音處理電路中就必須包含4個運(yùn)放單元，很大程度上增加了版圖面積和芯片成本。在此采用交叉開關(guān)對實(shí)現(xiàn)了運(yùn)放復(fù)用的功能，只利用一個運(yùn)放單元就實(shí)現(xiàn)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，主要通過有源運(yùn)算放大器外接二階R，C帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要對低音信號進(jìn)行衰減時，打開圖5所示 AV<0的開關(guān)對，此時的等效電路如圖6(a)所示，通過運(yùn)放緩沖驅(qū)動無源濾波器；當(dāng)需要對音頻信號衰減時，打開圖5所示AV>0的開關(guān)對，此時的等效電路如圖6(b)所示，交換了濾波器的輸入／輸出。

低音部分的頻率處理電路主要原理

　　無源濾波器由內(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。

無源濾波器

　　對節(jié)點(diǎn)VA，VX分別列節(jié)點(diǎn)電流方程得：

節(jié)點(diǎn)電流方程

　　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)：

傳輸函數(shù)

　　根據(jù)式(3)的濾波器傳輸函數(shù)可知，通過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；最上端的開關(guān)對通過調(diào)節(jié)交換濾波器的輸入／輸出，實(shí)現(xiàn)對輸入的音頻信號增強(qiáng)和衰減。

　　高音部分的頻率處理電路主要原理如圖8所示，主要通過內(nèi)部有源運(yùn)算放大器、交叉開關(guān)對、增益控制電阻、外接串連R，C實(shí)現(xiàn)高音部分音頻信號的頻率響應(yīng)。采用低音控制電路的分析方法可見，上述的開關(guān)對實(shí)現(xiàn)了高音信號的衰減和增強(qiáng)的目的。

高音部分的頻率處理電路主要原理

　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。

高音處理的濾波器

　　由阻抗分壓特性可知濾波器的傳輸函數(shù)：

濾波器的傳輸函數(shù)
??
　　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關(guān)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)不同的分壓比例決定信號的增益大??；最上端的交叉開關(guān)對通過改變?yōu)V波器的輸入和輸出，調(diào)節(jié)整個電路模塊對音頻信號的增強(qiáng)還是衰減。

　　1．5 輸出通道平衡度調(diào)整設(shè)計

　　高性能的音頻處理器要求多聲道輸出驅(qū)動不同的音響系統(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)立的音頻信號輸出，可驅(qū)動4個不同的音響，且不同支路的音頻信號在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)計和測試結(jié)果

　　2．1 版圖設(shè)計

　　這里設(shè)計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，整個版圖如圖10所示。在版圖設(shè)計中要考慮左右聲道的音頻信號間的隔離減少聲道之間的串繞影響；同時注意音頻信號線同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)化性能的同時盡量優(yōu)化版圖面積減少芯片的成本。

　　2．2 測試結(jié)果

　　這里設(shè)計的音頻處理器電路經(jīng)流片、封裝、測試各項(xiàng)指標(biāo)完成且達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。

　　測試說明：

　　(1)增益控制的測量；通過微處理器向電路發(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，在不同的控制制下測試輸出節(jié)點(diǎn)的信號波形峰峰值，利用峰峰值計算各級的增益，得到表1的測試結(jié)果。

測試結(jié)果

　　(2)高低音頻率響應(yīng)的測試；通過微處理發(fā)送命令使得音頻電路處于高低音控制模式，通過改變輸入信號的頻率，峰峰值設(shè)定為100 mV的正弦信號，在不同增益控制級別下測試不同頻率信號下的輸出信號峰峰值，進(jìn)而計算該頻率和增益級別下的增益。利用測試得到的數(shù)據(jù)繪制頻率響應(yīng)曲線如圖 11所示。

　　3 結(jié) 語

　　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)計了實(shí)現(xiàn)各功能要求的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一款應(yīng)用于汽車音響及家用娛樂音響系統(tǒng)的音頻處理器芯片，該芯片極高的性價比使其具有廣闊的市場空間。

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I2C總線驅(qū)動實(shí)例分享

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2022-01-18 09:16:42

I2C不迷茫--系列文章講透I2C

、I2C設(shè)計數(shù)學(xué)：電容和電阻了解I 2 C及其隨之而來的一些設(shè)計挑戰(zhàn)，包括邏輯閾值，影響電容的因素以及最小和最大上拉電阻。本文介紹了哪些變量會影響總線的電容。它還考察了用于確定上拉電阻器尺寸并確定電路

2020-09-22 09:31:41

I2C到底能做什么？

什么？什么類型的設(shè)備使用I2C？I2C如何幫我解決系統(tǒng)中遇到的實(shí)際問題？I2C是使主設(shè)備（例如處理器，微控制器（MCU）或?qū)Ｓ眉?b class="flag-6" style="color: red">電路（ASIC））能夠與同一雙線總線上的其它外圍設(shè)備通信的流行通信協(xié)議

2022-11-15 07:31:56

I2C協(xié)議介紹

文章目錄I2C 調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議介紹I2C時序介紹起始信號停止信號重啟信號總線閑信號總線忙信號讀寫信號應(yīng)答信號非應(yīng)答信號標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議讀寫介紹I2C寫一個寄存器I2C 讀一個寄存器I2C 連續(xù)寫

2022-01-20 08:04:17

I2C的簡介

的外部收發(fā)設(shè)備，現(xiàn)在被廣泛地使用在系統(tǒng)內(nèi)多個集成電路(IC)間的通訊。I2C是半雙工通信I2C只有兩根雙向通信線: 一根是時鐘線SCL，一根是數(shù)據(jù)線SDAI2C總線通過上拉電阻接電源，當(dāng)總線空閑的時候，兩根線均為高電平。各器件之間的SCL與SDA 都是 “線與” 關(guān)系二、I2C的時序1、數(shù)

2021-08-20 06:58:20

I2C簡介

一.I2C 簡介I2C（內(nèi)部集成電路）總線接口用作微控制器和 I2C 串行總線之間的接口。它提供多主模式功能，可以控制所有 I2C 總線特定的序列、協(xié)議、仲裁和時序。它支持標(biāo)準(zhǔn)和快速模式。它還

2021-08-10 08:10:24

I2C簡介

一、I2C簡介I2C（Inter-Integrated Circuit ,內(nèi)部集成電路) 總線是一種由飛利浦 Philip 公司開發(fā)的串行總線。是兩條串行的總線，它由一根數(shù)據(jù)線（SDA）和一根時鐘

2021-08-10 06:28:08

I2C規(guī)范,I2C總線原理

............................................................................................................. 3317.1 快速模式I2C 總線器件的斜率控制輸出級

2009-04-09 18:34:35

I2C通訊協(xié)議簡介

，現(xiàn)在被廣泛地使用在系統(tǒng)內(nèi)多個集成電路(IC)間的通訊。I2C物理層的特點(diǎn)1.它是一個支持多設(shè)備的總線?！?b class="flag-6" style="color: red">總線”指多個設(shè)備共用的信號線。在一個I2C通訊總線中，可連接多個I2C通訊設(shè)備，支持多個通訊主機(jī)及多個通訊從機(jī)。2.一個I2C總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數(shù)據(jù)線(SDA) ，一條串行時鐘線

2021-08-19 07:00:13