設計一個精確的數控音頻衰減器

摘要：音頻衰減器是應用廣泛的電路，該文分析了DAC的工作原理，采用DAC設計了一個精確數控衰減器并應用于一個信號發生設備。

關鍵詞：可變衰減器；DAC；OP；音頻

中圖分類號:TN753.8文獻標識碼: A文章編號：1009-3044(2008)35-2321-02

Design a Precise Digital-control Audio Attenuator

HE Xiao-dong

(Anhui Broadcast Movie and TV Colleage， Hefei 230022， China)

Abstract: audio attenuator is widely used，this paper analyses principium of DAC，designed aprecise digital-control audio attenuator using DAC.

Key words: variable attenuator; DAC; OP; audio

1 背景

常規音頻可變衰減器使用電位器實現，需手工調節，若需要使用單片機精確控制衰減量，則該方法顯然不適用。數字到模擬轉換器件(DAC)可以將參考電源(Vref)按控制字要求的大小精確輸出，最大輸出信號約為Vref，最小為0，設DAC為N位，則精度為Vref/2^N。利用此原理，可以使用DAC構成一個精密數控的音頻可變衰減器，N越大，精度越高。(2^N表示2的N次方)

2 DAC衰減器工作原理

以4位電壓型DAC為例，其原理如圖1所示，它由標準的倒R-2R 階梯結構電阻網絡、控制字寄存器、電子開關、運放等構成，控制字(二進制數D3D2D1D0)分別控制電子開關(S3S2S1S0)的閉合方向，即當控制字某位Dx值為1時，對應的電子開關Sx閉合到右端子，使對應的2R電阻連接到運放的反向輸入端，反之，對應的電子開關Sx閉合到左端子，使對應的2R電阻連接到運放的同向輸入端。反饋電阻Rf值為R。

推導DAC的輸出電壓表達式：

若以Vref為輸入，求DAC輸入電阻和電流，利用運放虛短的概念，運放同相和反向輸入端電位相等為地電位，可得其等效電路如圖2所示，可以推出每個階梯兩邊流過的電流相等且于數字控制字無關。顯然，輸入等效電阻為R，輸入電流I=Vref/R. 同控制字無關。其最小的支路電流項為I/2^4。

設Is是流經運放大器反向輸入端的電流(見圖3)，其表達式為:

令CODE=8*D3+4*D2+2*D1+D0， 即CODE是控制碼二進制數D3 D2 D1 D0的10進制數值，則

Is=T*CODE/24

其輸出電壓V0

V0=-Rf*Is，代入Is，得

V0=-Rf*(Vref/R)*CODE/24

當Rf=R時，

V0=-Vref*CODE/24；

推廣到N位DAC，其輸出電壓

V0=-Vref*CODE/2N;

CODE=2N-1 DN-1+2N-2 DN-2+……+D0，CODE是控制字二進制數DN-1 DN-2，K，D的值(十進制值)。

輸出電壓精度為:

Vref/2N;

從DAC的輸出電壓表達式可知，相對Vref為輸入信號，DAC的輸出是一個精度為Vref/2^N的衰減器，輸出信號大小由控制字確定，精度由控制字長N決定，N越大精度越高。

電流型DAC內部沒有運放，需外接運放。雖然需增加運放，但提供了更大的應用范圍。

3 DAC衰減器實例

有一個音頻信號發生器產生正弦信號，頻率為20Hz—20KHz，使用單片機控制，要求輸出信號為雙極性，幅度在0 —5V可調，控制精度要求達到2mV，設計思想是：輸出雙極性幅度固定為5V的DDS信號發生器+可變衰減器. DDS信號發生器略，現考慮可變衰減器的實現。

由需求可知，可變衰減器輸入的是雙極性信號，信號幅度為5V，輸出為雙極性信號，幅度為0V—+5V可調.控制精度2mv，則DAC 的分辨率為12位，考慮到輸入輸出信號幅度和極型等要求，采用了電流型DAC+運放模式。DAC選擇了ADI公司的12位電流型DAC—AD5445，運放是ADI公司AD8021，電路原理如圖4所示。

器件說明: 圖中左邊的IC是AD5445，右邊的IC是AD8021。

1）AD5445

AD5445是12位DAC，相對精度為±1LSB，供電范圍： 2.5 V to 5.5 V ，采用并行接口帶鎖存器，更新頻率為20.4MSPS，10MHz帶寬，Vref范圍為±10 V，低功耗，20腳。

2）AD8021

AD8021是低噪聲高速單運算放大器，性能優異。主要參數如下：

輸入電流噪聲為2.1pA/，

fc= 1 MHz 時，二次諧波為-95 dBc， 三次諧波為-116 dBc，

fc= 1 MHz，輸入失調電壓：最大1mv， 輸入失調電流：±0.5uA. 低輸入電壓和輸入電流溫漂: 0.4mV@-50 ，0.3mv@100，0.5 μV/°C and 10 nA/°C，3db小信號帶寬：560Mhz@G=1，高共模抑制比，CMMR 100db@20KHz，轉換速率:120V/us@1V，8腳。

在使用時，AD5445工作電源為5V，AD8021使用±12V雙電源供電，C68，C79是補償電容。

信號流程：輸入信號Vin連接到AD5445Vref(19)腳，從AD8021的6腳輸出。

輸出電壓V0

V0=-Vin*CODE/212=-Vin*CODE/4096; CODE=0--4095;

輸出電壓幅度范圍：0—Vin

理論精度：Vin/4096=1.2mv;

實際測試表明滿足設計要求。

4 小結

采用DAC的可編程衰減器具有精度高、性能穩定、易同單片機等處理器連接等特點?？蓮V泛應用于信號發生、信號調理等電路，具有廣闊應用前景。

參考文獻：

[1] 謝嘉奎，等.電子線路(線性部分)[M].4版.北京:高等教育出版社，2005.

[2] 董尚斌.電子線路[M].北京:清華大學出版社，2006.