基于I2C總線控制的音頻處理電路設計

0 引 言

　　當前汽車音響與高保真的立體聲音響系統中都包含了微處理器電路單元，這為實現音頻處理提供了控制接口，可以通過控制接口實現許多需要的功能控制。作為音響系統主體的音頻處理電路性能直接決定了整個音響系統質量，設計高性能的音頻處理電路是該文的核心部分。

　　該設計的高性能音頻處理電路基于I2C總線控制協議，包含輸入多通道選擇、音量控制、高低音音效處理、輸出通道平衡度調整等功能，適合應用于高質量汽車音響、高保真收音機、彩電、家庭組合音響系統。

　　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總線控制下對四路獨立的立體聲輸入信號進行選擇，然后進行主音量的控制、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總線控制設計

　　I2C總線是Philip公司發明的一種高性能芯片間同步傳輸總線，僅需要串行數據線SDA和串行時鐘線SCL兩根信號線就實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鐘線為高電平時，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘為低電平時數據才允許變化。該設計采用的I2C通過數據線傳送的每個字節必須是8位的，每一字節之后必須緊跟一個應答位，字節的最高位最先傳送。

　　音頻處理器芯片接收I2C總線發送的字節，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音響處理，如在汽車音響系統中，來至收音機、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。該設計音頻處理器采用I2C總線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I2C總線向音頻處理芯片發送控制數據。音頻處理器芯片接收I2C總線傳輸的數據，通過譯碼電路控制選擇的音源通道開關的開與關，實現輸入通道選擇的功能。同時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。實現I2C總線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開關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系為AV=Vout／VIN=RX／Rall；微處理器通過發送不同的控制值控制不同的開關導通實現不同的電壓增益，實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。在此采用交叉開關對實現了運放復用的功能，只利用一個運放單元就實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，主要通過有源運算放大器外接二階R，C帶通濾波器來實現。當需要對低音信號進行衰減時，打開圖5所示 AV<0的開關對，此時的等效電路如圖6(a)所示，通過運放緩沖驅動無源濾波器；當需要對音頻信號衰減時，打開圖5所示AV>0的開關對，此時的等效電路如圖6(b)所示，交換了濾波器的輸入／輸出。

　　無源濾波器由內部的電阻陣列、外接電容電阻組成，電路原理圖如圖7所示。

　　對節點VA，VX分別列節點電流方程得：

　　根據濾波器輸入／輸出的節點關系：

把式(1)代入式(2)整理得到輸入／輸出的傳輸函數：

　　根據式(3)的濾波器傳輸函數可知，通過外接電阻電容值的選取可實現低音峰值頻率的設定；內部的分壓電阻在I2C總線控制譯碼的作用下，選擇不同的分壓比例實現不同的電壓增益；最上端的開關對通過調節交換濾波器的輸入／輸出，實現對輸入的音頻信號增強和衰減。

　　高音部分的頻率處理電路主要原理如圖8所示，主要通過內部有源運算放大器、交叉開關對、增益控制電阻、外接串連R，C實現高音部分音頻信號的頻率響應。采用低音控制電路的分析方法可見，上述的開關對實現了高音信號的衰減和增強的目的。

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　高音處理的濾波器由內部電阻陣列、外接電阻、外接電容組成，電路原理圖如圖9所示。

　　由阻抗分壓特性可知濾波器的傳輸函數：

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　　由傳輸函數(4)可知：外接的串連分立電阻電容可實現高音峰值頻率的設定；內部分壓電阻在I2C總線控制譯碼的作用下控制不同的開關導通，實現不同的分壓比例決定信號的增益大小；最上端的交叉開關對通過改變濾波器的輸入和輸出，調節整個電路模塊對音頻信號的增強還是衰減。

　　1．5 輸出通道平衡度調整設計

　　高性能的音頻處理器要求多聲道輸出驅動不同的音響系統實現立體聲效果，這里音頻處理器實現了4路獨立的音頻信號輸出，可驅動4個不同的音響，且不同支路的音頻信號在I2C總線控制下實現不同的衰減處理，達到實現調整通道之間的平衡度的目的。由結構框圖(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 版圖設計和測試結果

　　2．1 版圖設計

　　這里設計的音頻處理器芯片采用CMOS工藝實現了低功耗、高性能、低失真度等特點，采用CANDENCE的版圖繪制工具完成了版圖設計，整個版圖如圖10所示。在版圖設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生噪聲干擾；最后在優化性能的同時盡量優化版圖面積減少芯片的成本。

　　2．2 測試結果

　　這里設計的音頻處理器電路經流片、封裝、測試各項指標完成且達到了預定的目標。

　　測試說明：

　　(1)增益控制的測量；通過微處理器向電路發送不同的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點的信號波形峰峰值，利用峰峰值計算各級的增益，得到表1的測試結果。

　　(2)高低音頻率響應的測試；通過微處理發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，進而計算該頻率和增益級別下的增益。利用測試得到的數據繪制頻率響應曲線如圖 11所示。

　　3 結 語

　　在此詳細分析了高性能音頻處理器的功能要求．根據各功能要求設計了實現各功能要求的電路結構，設計實現了一款應用于汽車音響及家用娛樂音響系統的音頻處理器芯片，該芯片極高的性價比使其具有廣闊的市場空間。